Drone'unuz İçin Doğru Motoru ve Pervaneyi Nasıl Seçersiniz

Yazan: Adam Kahraman

Bir drone tasarlarken en zorlu görevlerden biri nereden başlayacağını bulmaktır. Yükle mi başlanır? Toplam kütleyle mi? Önce pervaneler mi seçilir? 

Bileşen seçimiyle ilgili zorluklar hızla ortaya çıkar - belki motor çok güçlüdür ya da pervaneler çok küçüktür, liste uzayıp gider. Ancak kadim atasözünde olduğu gibi: “Bin millik yolculuk tek bir adımla başlar.”

Bu ilk kritik aşamayı aşmanıza yardımcı olmak için bu makale, en önemli başlangıç görevlerinden birinde başarılı olmanın basit bir yöntemini göstermektedir: motorunuzu ve pervanenizi eşleştirmek.

Ve işleri daha da kolaylaştırmak için, kendi hesaplamalarınızda kullanabileceğiniz bir motor-pervane eşleştirme hesaplayıcısı geliştirdik.

Şekil 1: Google E tablolar üzerindeki motor-pervane eşleştirme hesaplayıcısı

Aşağıda nasıl kullanacağınızı anlatacağız.

İçindekiler:

1. Giriş
2. İtiş Gücü Nasıl Hesaplanır?
    1. Mach 0.7'de Maksimum RPM ve İtiş Gücünün Hesaplanması
    2. Elektriksel Gücün Hesaplanması
    3. Mekanik Gücün Hesaplanması
    4. Gerilim ve Akım
    5. Torkun Hesaplanması
3. Doğru pervane veya motor nasıl seçilir?
    1. Doğru motor KV'sinin seçilmesi
    2. Sağlanan gerilimin ayarlanması
    3. Daha büyük pervane mi yoksa daha küçük pervane mi seçilmeli?
    4. Teorik vs. Gerçeklik
4. Sonuç

İtiş Gücü Nasıl Hesaplanır

Drone tasarımı ve motor-pervane eşleştirmesi yinelemeli bir süreç olduğu için, başlangıçta belirli varsayımlar yapılır ve ardından drone'unuz için daha doğru bir modele ulaşmak üzere bu varsayımlar güncellenir.

Bu makale boyunca süreci göstermek için örnek bir drone kullanacağız.

Başlamanın en kolay yolu, 25 kg olarak belirlediğimiz drone'un MTOW'u (Maksimum Kalkış Ağırlığı) ile başlamaktır. Bunun bir quadcopter olduğunu varsayarsak, dört itki sisteminin toplam itiş gücü MTOW'un 2 katını (50 kg) üretmelidir, bu nedenle her itki sisteminin yaklaşık 12,5 kgf (122,6 N) itiş gücü üretmesi gerekir.

Bu rakama nasıl ulaşıldığına dair ayrıntılı açıklama önceki bir makalede verilmiştir: Drone Tasarımı - Hesaplamalar ve Varsayımlar.

Bu itiş gücünü elde etmek için, hangi pervane boyutunun aşırı devir veya düşük devir yapmadan bu itiş gücü gereksinimlerini karşılayabileceğini belirlemek üzere Tyto Robotics veritabanını veya pervane üreticisi veri sayfalarını kontrol edebiliriz. 

Şekil 2: Tyto Robotics Veritabanı

Drone'umuzun ağırlığı göz önüne alındığında, veri sayfasında 34,9 kgf'ye kadar itiş gücü üretebildiği belirtildiği için Mejzlik 30x10 pervanesi iyi bir başlangıç noktasıdır.

Yapacağımız bir sonraki varsayım batarya yapılandırmasıdır. 12,5 kgf için, toplam verimlilikte 4 gf/W elde edebileceğimizi varsayarsak, sistemin dönüş itişini sürdürmek için 3.125 W elektriksel güce ihtiyacı olacaktır. Aşağıdaki yapılandırmalardan biriyle 3.125 W elde edebiliriz:

22,2 V, 140 A → 6 S
44,4 V, 70 A → 12 S
51,8 V, 60 A → 14 S
81,4 V, 38 A → 22 S

Fazla gerilim veya akımla çalışmak istemediğimiz için, nominal gerilimi 44,4 V olan 12S bir batarya ile başlayalım.

Daha fazlasını öğrenmek isterseniz, farklı batarya türlerini ve yapılandırmalarını açıklayan ayrıntılı makalemize göz atın: Drone'lar için Lityum Polimer Bataryalara Bir Rehber

Bir sonraki varsayım motorla ilgilidir. Tek bir pervaneden 12,5 kgf itiş gücü gereksinimine ulaşmak için, 30” pervanenin yaklaşık 3.500 RPM'de çalışması gerekir, bu nedenle 115 KV motor iyi çalışacaktır.

Motor ve pervane kombinasyonunun teorik ve fiziksel maksimum RPM'sini bulmak için KV, hesaplayıcıya girilebilir. Fiziksel maksimum RPM'nin itiş gücü gereksinimini karşılamak için gereken RPM'den daha düşük olması durumunda hemen dikkat edilmesi gereken bir kırmızı bayrak ortaya çıkar.

Hesaplayıcıyı kullanarak motorunuzun teorik ve fiziksel maksimum RPM'sini artırmak için gerilimi ve motorun KV'sini ayarlayabilirsiniz.

Mach 0.7'de Maksimum RPM ve İtiş Gücünün Hesaplanması

Hesaplayıcıyı sütun sütun inceleyerek, pervane parametrelerinizi (kanat sayısı, çap ve adım) girdikten sonraki sütun “Mach 0.7'de RPM”dir.

Bir pervanenin maksimum pratik RPM'si kanat ucu Mach sayısıyla sınırlıdır. Verimlilik için ve sıkıştırılabilirlik kayıplarından kaçınmak için tasarımcılar genellikle yerdeki uç hızlarını Mach 0.7 veya 0.8'in altında tutarlar. Karşılık gelen RPM, pervane çapına ve çalışma koşullarına bağlıdır, bu nedenle bu sınır pervane RPM'si için bir üst sınır tahmin etmek için kullanılabilir.

RPM (dakikadaki devir sayısı), pervanenin dakikadaki tam dönüş sayısıdır. Belirli bir yarıçapta doğrusal hareket açısından ifade edilirse, dakikada kat edilen toplam mesafenin bir devirde kat edilen mesafeye (o yarıçaptaki çevre) bölünmesi olarak yazılabilir.

Mach 0.7'de, pervane ucu hızı yerel ses hızının %70'idir. Ses hızının yaklaşık 340 m/s olduğu deniz seviyesinde, bu yaklaşık 238 m/s'ye karşılık gelir.

Ardından m/s'yi m/dk'ya dönüştürüyoruz. 

Ardından maksimum RPM'yi bulabiliriz:

Pervanemiz tarafından Mach 0.7'de üretilen maksimum itiş gücünü belirlemek için bir başka çevrimiçi hesaplayıcıyı kullanabiliriz, bu sefer maksimum RPM, pervane boyutu ve pervane özelliklerini girerek. Hesaplayıcı, girilen RPM'de bu pervane tarafından üretilen tahmini itiş gücünü gösterecektir. 

Bizim durumumuzda, 5.974 RPM'de, 30x10 pervanemiz yaklaşık 337 N veya 34,36 kg itiş gücü üretebilir.

Şekil 3: Çevrimiçi pervane itiş gücü hesaplayıcısı

Bu rakamı hesaplayıcının E sütununa girebiliriz.

Elektriksel Gücün Hesaplanması

Hesaplayıcımızdaki bir sonraki sütun, F sütunu, tahmini itiş gücüne ulaşmak için gereken tahmini elektriksel güçtür. Genel bir kural olarak, tam hızda itki sistemi verimliliğini 3,5 gf/W olarak varsayabiliriz. Bu değer, drone tasarımında yaygın olarak kullanılan, muhafazakar, mertebe büyüklüğünde bir tasarım varsayımıdır.

Bu adımın matematiği basittir. Sadece maksimum itiş gücünü varsayılan elektriksel verimliliğe bölün ve bu bize Mach 0.7 hızlarında bu pervaneyi sürmek için gereken elektriksel gücü verir.

Mekanik Gücün Hesaplanması

Bir sonraki sütun, G sütunu, pervaneyi sürmek için gereken mekanik gücü hesaplar. Burada bir varsayım daha yapıyoruz: elektriksel güç girişi ile mekanik güç çıkışı arasında %90 verimlilik vardır.

Gerilim ve Akım

H sütununda, 44,4 V olan 12S bataryamızın nominal gerilimini gireceğiz. Akım gereksinimini (sütun I) basitçe tahmini elektriksel gücü (sütun F) giriş gerilimine (sütun H) bölerek amper cinsinden hesaplayabiliriz.

Torkun Hesaplanması

J sütunundaki bir sonraki değişken torktur. Tork formülü şöyle yazılır:

RPM cinsinden açısal hızı rad/s'ye dönüştürmek gerekir, bu da şöyle yapılabilir:

Önceki adımda mekanik gücü zaten hesapladık, bu nedenle tork basit bir bölme işlemiyle bulunabilir:

Doğru pervane veya motor nasıl seçilir?

Seçmek için binlerce motor ve pervane kombinasyonu vardır, ancak bizim için en iyi seçeneğin ne olabileceğini teorik olarak belirlemenin önceki adımları bu önemli adımı kolaylaştırdı.

Önceki adımlarda seçeneklerimizi daralttık, şimdi bir sonraki adım, ilk tahminlerimizin gerçek dünyada geçerli olup olmadığını görmek için gerçek dünya itki testidir.

Flight Stand 50 itki test standı, motorları ve pervaneleri test etmek ve akım, gerilim, itiş gücü, tork ve dönüş hızı hakkında bilgi toplamak için kullanılabilir.

Şekil 4: 28x9.4 Mejzlik pervanesinin itki sistemi verimliliği vs. gaz grafiği örneği

Bu şaşırtıcı olabilir, ancak Flight Stand bir motor verimlilik haritası oluşturmak için bir dinamometre gibi de kullanılabilir; değişken yük olarak birden fazla pervane veya rüzgar tünelinden gelen rüzgar işlev görür. Bu, geleneksel bir fren dinamometresinden daha basit ve daha maliyet etkin bir tekniktir, bu nedenle pervaneleri motor performansını haritalamak için nasıl kullanacağımızı gösteren bir video yaptık.

Temelde, pervanenin verimlilik eğrisinin zirvesini motorun verimlilik eğrisinin zirvesiyle mümkün olduğunca hizalamaya çalışıyoruz. Bu grafikleri hizalamanın önemli bir parçası, motor veya pervane değiştirilirse başlangıçta belirlediğimiz itiş gücü gereksiniminin hala karşılandığından emin olmaktır. Tork ve itiş gücünün herhangi bir gelen hava hızıyla önemli ölçüde değişebileceğini unutmayın.

 

Şekil 5a'daki ilk grafik, motor ve pervane performansının verimlilik vs. RPM grafiğinde nasıl kesiştiğini gösterir. Pervane için, dönüş hızı arttıkça tork gereksinimi üstel olarak artar. Motor için, sabit bir gerilim uygulandığı varsayılırsa, dönüş hızı arttıkça sağlanan tork doğrusal olarak düşer. Bu ilişki motor KV'si ve RPM denklemiyle temsil edilir:

Şekil 5b, pervanenin ve motorun verimliliğini birimsiz değerler olarak dönüş hızıyla ilişkilendirir. Motor verimlilik eğrisinin hem dönüş hızına hem de motora uygulanan torka bağlı olduğunu unutmamak önemlidir. Bu nedenle, pervane ve motor karşılaştırılırken bu grafiğin birden fazla varyasyonu dikkate alınmalıdır.

Şekil 5c, pervanenin basit bir itiş gücü versus dönüş hızı grafiğidir. Pervanenin ve motorun nasıl davrandığını görmek için, itiş gücü gereksinimini karşılayan seçilen RPM'den alt grafikten yukarıya doğru düz bir çizgi çizilir. Bu çizgi, her bir grafikteki kesişim noktalarını göstermek için yukarı doğru uzatılır.

Videomuzdan göreceğiniz gibi, tipik bir motor verimlilik grafiğinde motorun verimliliğini etkileyen iki değişken vardır. X ekseni motorun dönüş hızını, Y ekseni ise torku temsil eder. Bu hız ve tork aralığında, motor verimi bir ısı haritası olarak gösterilir. Aşağıdaki Şekil 6, motor tarafından üretilen torku, dönüş hızını ve motorun verimliliğini gösteren bir örnektir. 

Şekil 6: Birden fazla pervane ve bir WindShaper kullanarak motor verimlilik haritası

İyi bir motor-pervane eşleşmesi, pervanenin en yüksek verimlilik noktasının motorun en yüksek verimlilik noktasıyla hizalandığı durumda gerçekleşir.

Şekil 7: İyi eşleşmiş bir pervane ve motorun verimlilik vs. dönüş hızı grafiği

Yukarıdaki Şekil 7 iyi eşleşmiş bir pervane ve motoru gösterirken, Şekil 8 kötü eşleşmiş birini gösterir.

Şekil 8: Kötü eşleşmiş bir pervane ve motorun verimlilik vs. dönüş hızı grafiği

Bir motor ve pervaneyi eşleştirmek, sistemin performans gereksinimlerini karşılayacağını garanti etmez. Belirli bir çalışma noktasında, bir pervane yüksek verimlilik elde edebilir ancak gerekli itiş gücünü üretemeyebilir. İtiş gücü sabit bir gereksinim olduğundan, bu durum genellikle tasarımcının verimlilikte bir azalmayı kabul etmesini veya farklı bir pervane veya motor seçmesini gerektirir.

Doğru motor KV'sini seçmek

Ayarlamalar genellikle motor KV'si ile başlar. Birçok tedarikçi aynı geometriye ve ağırlığa sahip, ancak farklı sargılarla yeni bir KV sağlayan motorlar satmaktadır. Bu, drone tasarımının aynı ağırlığını ve geometrisini korurken farklı bir KV elde etmek için bunları değiştirmenize olanak tanır.

Motorları (pervaneler yerine) değiştirmekle başlamak, maliyet ve tasarımda çok az değişiklik olduğu için optimizasyon sürecinizi kolaylaştırabilir. Buna karşılık, bir pervanenin adımı veya çapını değiştirmek drone'un tasarımını, ağırlık merkezini, ağırlığını ve düzenini önemli ölçüde değiştirebilir. 

Bir motorun KV'si, motorun tork sabiti (KT) ile tanımlanan tork üretmek için gereken işi belirler.

KV düştüğünde KT artar, bu da motorun devir başına daha fazla mekanik tork kazanmasını sağlar. 30” gibi büyük bir pervanede, pervaneyi döndürmek için gereken tork, çap arttıkça katlanarak artar. Bu artan tork ihtiyacını karşılamak için, bu torku sağlayabilen doğru motoru seçmek, motoru pervaneye uygun hale getirmek açısından büyük önem taşır.

Birbirine iyi uyarlanmış motor ve pervanede, ilk fayda motorun ısı kaybının azalmasıdır. Bir motordaki elektriksel kayıp şu şekilde hesaplanır:

Burada P watt cinsinden elektriksel kayıpları, I amper cinsinden akımı ve R motorun ohm cinsinden iç direncini temsil eder.

Daha düşük KV’li bir itki sisteminde, aynı devire ulaşmak için daha fazla voltaj gerekir, bu da daha düşük akım çekileceği anlamına gelir. Bu denklemde akım karesiyle ifade edildiği için, akımdaki herhangi bir azalma elektriksel kayıpların katlanarak düşmesiyle sonuçlanır. Başka bir deyişle, yüksek voltaj sağlandığı sürece daha düşük KV’li bir motor, daha az akım çekerek aynı torku üretebilir.

Bazı durumlarda, daha düşük KV’li bir motora geçmek, gaz kolu kontrolünde daha fazla hareket alanı sağlayabilir. Ulaşılabilecek maksimum devir daha yüksek olduğundan, dronunuzun havada asılı kalma noktasını %60 ila %70 gaz seviyesine ayarlayabilir ve hızlı manevralar yapmak veya şiddetli rüzgar koşullarında dengede kalmak için hala %40’a kadar gaz marjı bırakabilirsiniz.

Sağlanan voltajı ayarlamak

Güç aktarma sistemine sağlanan voltaj, ayarlanabilen bir sonraki bileşendir.

Belirtildiği gibi, bir motorun maksimum devri KV’ye ve voltaja bağlıdır.

KV sabit kalırsa, maksimum devri değiştirmek için voltaj ayarlanabilir. Voltajı artırmak, motorun ve pervanenin maksimum dönüş hızını artırır. Bu ilişki, itki sisteminin maksimum devrini ve gaz kolu hareket alanını hassas bir şekilde ayarlamaya olanak tanır.

Bir motor daha düşük KV’li bir modelle değiştirilirse, voltaj sabit kaldığı varsayıldığında maksimum dönüş hızı azalacaktır. Bu, motora sağlanan voltajı artırarak telafi edilebilir.

Voltajı artırmak, elektriksel kayıpları düşürerek sistemi de faydalandırır. Yukarıdaki elektriksel kayıplar denklemine göre, voltaj arttıkça motora sağlanan akım azalır. Bu, elektriksel kayıpların katlanarak azalmasına yol açar. Aksine, voltajı düşürmek elektriksel kayıpların katlanarak artmasına neden olabilir.

Birçok batarya tedarikçisi, farklı voltajlarda benzer geometri ve ağırlığa sahip batarya paketleri sunar. Bu, dronun ağırlığını veya fiziksel tasarımını değiştirmeden parçaların değiştirilmesine olanak tanır.

Daha büyük bir pervane mi yoksa daha küçük bir pervane mi seçilmeli?

Elektriksel bileşenler optimize edildikten sonra pervanede daha fazla ayar yapılabilir. Değiştirilebilecek en erişilebilir özellik pervane adımıdır. Adımı ayarlamak, pervanenin aerodinamik özelliklerini değiştirir ve dönüş başına ne kadar itki üretileceğini belirler. İtkideki bu değişiklik, motorun verimliliğini etkileyen tork gereksinimlerini doğrudan etkiler.

Düşük KV’li bir motora sahip olunduğu ve daha yüksek KV’li bir alternatifin bulunmadığı bir senaryoda, motor mevcut pervane için çok güçlü olabilir. Bu durumda, adımı artırmak, dronun fiziksel boyutlarını değiştirmeden motora gerekli tork yükünü sağlar. Motorun tork gereksinimini karşılayarak, itki sistemi daha verimli bir çalışma aralığına getirilebilir.

Pervane çapı genellikle son ayar adımıdır çünkü onu değiştirmek dronun fiziksel boyutlarını değiştirir ve ağırlık merkezini kaydırabilir. Tasarım çap ayarlarını mümkün kılıyorsa, ilişki adımla benzerdir. Çapı artırmak üretilen itkiyi artırır, ancak tork gereksinimlerini de artırır. Tork gereksinimleri çapla katlanarak ölçeklendiği için, küçük ayarlar bile itki sisteminin performansını önemli ölçüde etkileyebilir.

Aksine, pervane çapını azaltmak belirli bir devirde gereken torku düşürür. Ancak, daha küçük bir pervane ile sabit bir itki gereksinimini karşılamak için dönüş hızının artırılması gerekir. Bu daha yüksek dönüş hızı, motor üzerindeki tork ve güç taleplerini artırır. Bu nedenle doğru çapı seçmek, dron gövdesinin fiziksel kısıtlamaları ile seçilen motorun tork kapasitesini dengeleme meselesidir.

Teorik vs Gerçeklik

Dikkate alınması gereken bir diğer husus, dinamik ve statik testler arasındaki farktır. Dinamik testlerin değerlendirdiğiniz pervanelerle yapılması şiddetle önerilir. Pervaneler, hava akışı varken ve yokken çok farklı davranır.

Daha Fazla Okuma: Dronlarda Statik ve Dinamik Testler

Son olarak, itki sisteminin tüm konfigürasyonunun verimliliği gf/W cinsinden ifade edilebilir. Bu değer, bunu gibi bir hesaplayıcı kullanarak dronun uçuş süresini bulmak için kullanılabilir.

Tüm bunlardan sonra, motorlar ve pervaneler gerçek dünya koşullarında test edildiğinde, sonuçlar her zaman teorik olarak tahmin edilenden farklı çıkar. Flight Stands ve WindShaper, itki sistemlerini çeşitli koşullarda doğru bir şekilde test etme problemini çözmek için üretilmiştir.

Sonuç

Bir itki sistemi tasarlamak; doğru motoru, pervaneyi, ESC’yi, bataryayı, ağırlığı ve dronun boyutunu bulmaya dayalı uzun ve hassas bir dengeleme sürecidir. Gösterildiği gibi, değişkenlerden birinde yapılan tek bir değişiklik, dronun diğer tüm bileşenlerini yeniden gözden geçirmenizi gerektirir. Amaç, uçuş süresini artırmak için mümkün olduğunca çok gücü azaltmaktır.

Pervane kullanım hesaplayıcısını kullanarak pervane ve motor seçimimizi daraltıp, sonuçları WindShaper’lı bir Flight Stand üzerinde statik ve dinamik testlerle doğrulayarak, tahminlerden uzaklaşabilir ve gerçekten uyumlu bir pervane ve motora sahip bir dron inşa edebilirsiniz.