Як працюють безколекторні двигуни та як їх випробовувати

Автор: Emrik Joner

Вступ:

Один із перших кроків створення дрона — вибір двигуна. Для найкращих характеристик потрібно випробувати кілька двигунів та обрати найефективніший для своєї конструкції. На ринку є багато електродвигунів, спеціально створених для дронів. У цій статті розглянемо такі теми:

1. Як працюють безколекторні двигуни
2. Двигуни з внутрішнім і зовнішнім ротором
3. Ефективність і характеристики
4. Вибір двигуна

Примітка: для цієї статті ми використаємо стенд тяги Series 1585 для збирання даних двигунів і пропелерів.

1. Як працює безколекторний двигун?

Перш ніж пояснювати принцип роботи безколекторного механізму, розглянемо його компоненти.

Компоненти безколекторного двигуна:

Електромагніти та постійні магніти: 

Провід, намотаний на металеве осердя, сам собою не діє як магніт. Коли ним проходить струм, виникає магнітне поле — утворюється електромагніт. Зміна напрямку струму змінює полярність: замість відштовхування іншого магніту він може притягувати його. 

Ротор і статор: 

На внутрішньому колі рисунка 3 показано електромагніти, на зовнішньому — постійні магніти. Струм у котушках створює магнітне поле, яке змушує ротор обертатися через відштовхування однойменних і притягання різнойменних полюсів.

Після вирівнювання полюсів обертання припиниться, якщо не подати струм на наступний електромагніт. Послідовне перемикання електромагнітів підтримує обертання.

Трифазний струм певної частоти створює обертання двигуна, частота якого пов’язана з частотою сигналу. Газ на пульті дрона змінює швидкість: вищій команді відповідає вища швидкість. Електронний регулятор ESC керує подаванням сигналів відповідно до команди газу. 

Яку роль виконує ESC? 

ESC, або електронний регулятор обертів, керує двигуном електричними сигналами, змінюючи швидкість і навіть напрямок обертання. Постійний струм за допомогою системи перемикачів перетворюється на трифазний змінний. Вихід змінюється керуванням перемиканням елементів кола.

Для запуску й вибору напрямку ESC безколекторного двигуна потрібні дані про положення ротора. У бездатчиковій системі ESC оцінює наведений сигнал незаживленої обмотки, який змінюється залежно від положення постійних магнітів.

Газ задає швидкість двигуна, а ESC відповідно регулює комутацію. Існує кілька протоколів передавання команд із різними характеристиками; найпоширеніші — Oneshot, Multishot і Dshot.

Протоколи відрізняються часовими параметрами сигналів. Коротші інтервали передавання дають швидшу реакцію. Dshot також відрізняється цифровим сигналом замість аналогового: він менш чутливий до електричних завад і точніший завдяки вищій роздільній здатності.

Читайте також: Перелік виробників безколекторних двигунів

2. Внутрішній чи зовнішній ротор 

Принцип: 

Безколекторний двигун має дві основні частини: нерухомий статор з електромагнітами та обертовий ротор із постійними магнітами. Двигуни постійного струму бувають із внутрішнім ротором (inrunner) і зовнішнім ротором (outrunner).

У двигуні inrunner ротор обертається всередині статора, ближче до центру корпусу. У outrunner — зовні статора (рисунок 6). Обидва типи мають переваги та недоліки.

Для однакових габаритів діаметр прикладання сил відрізняється. Електромагніти займають більше місця, ніж ротор із постійними магнітами. Якщо електромагніти всередині, діаметр ротора більший, ніж за їх зовнішнього розташування (рисунок 6).

Важливі не лише габарити, а й характеристики. Більший діаметр забезпечує більший крутний момент, оскільки сила прикладена далі від осі. Менший діаметр краще підходить для високих обертів. Inrunner зазвичай працює швидше з меншим моментом, а outrunner — повільніше з більшим моментом і краще підходить для великих пропелерів. 

Безколекторні двигуни в індустрії дронів: 

Через високий крутний момент eVTOL часто використовують outrunner для вертикальної тяги. Inrunner частіше застосовують у канальних вентиляторах, літаках із нерухомим крилом і режимах із високими обертами. Це відображає параметр Kv — об/хв на вольт.

Kv визначає частоту обертання на 1 В. Тому inrunner зазвичай має більше Kv, ніж outrunner такого самого розміру: менший ротор обертається швидше за однакової напруги. Kv часто є першою характеристикою в описі безколекторного двигуна.

Читайте також: Навіщо випробовувати двигуни та пропелери дрона

3. Ефективність і характеристики

Говорячи про характеристики дрона, часто мають на увазі час польоту. Навіть сучасні акумулятори поступаються паливним системам за співвідношенням маси й запасу енергії. Тому потрібно ретельно підбирати електричні компоненти, які найефективніше використовують заряд.

На енергоспоживання впливає багато чинників, зокрема ККД двигуна. Вищий ККД дає змогу краще використати запас енергії та поліпшити характеристики дрона. Випробування виявляють різницю між заявленими й реальними характеристиками. Для прикладу порівняємо два подібні BLDC-двигуни різних цінових категорій.

Для порівняння двигунів ми використали стенд тяги RCbenchmark Series 1580. Він вимірює тягу, крутний момент, напругу, струм, оберти та ефективність, а програма RCbenchmark збирає дані. Випробувано два T2407 — 1500 Kv і 2300 Kv — з однаковим пропелером діаметром 7 дюймів і кроком 4 дюйми.

Перший графік рисунка 7 показує ККД залежно від газу, другий — від обертів. Двигуну 1500 Kv потрібен більший газ для ефективної роботи. З цим пропелером він не досягає ККД моделі 2300 Kv. Остання також зберігає високий ККД у ширшому діапазоні обертів.

Водночас менший двигун може працювати на вищих обертах і, ймовірно, буде ефективнішим із меншим пропелером. Для транспортного дрона менший двигун може бути придатним для стабільної роботи на низькій швидкості.

Для повного порівняння потрібно знати призначення дрона та робочі оберти. Можливо, двигун 1500 Kv ефективніший з іншим пропелером для іншого завдання. Це можна визначити лише випробуваннями.

4. Вибір двигуна 

Найважливіша характеристика під час вибору — Kv, що описує оберти на одиницю напруги. Двигун 2000 Kv без навантаження розвиває приблизно 2000 об/хв на кожен вольт.

Розмір тісно пов’язаний із Kv. Широкий великий двигун часто має більший момент, нижче Kv і працює з більшим пропелером. Вузький довгий двигун зазвичай має вище Kv, нижчий момент і підходить для малого пропелера. Великі двигуни зазвичай працюють на нижчих обертах, малі — на вищих.

Також враховуйте максимальну потужність. Перевищення межі спричиняє перегрівання, різке зниження ККД і навіть пошкодження. Виробник також впливає на характеристики: за однакового Kv різні моделі працюють по-різному. Тому двигун варто випробувати до проєктування дрона навколо нього.

Читайте також: Як розрахувати Kv та кількість полюсів безколекторного двигуна

Зазвичай доцільно обирати найменший і найлегший двигун, який працює без перевантаження й перегрівання. Так ви уникнете зайвої маси. Ми зібрали перелік виробників великих двигунів для вантажних і пілотованих дронів.

Висновок