Квадрокоптер 250 класса своими руками

Содержание

Кто придумал и изобрел

Первые разработки квадрокоптеров велись еще в 1900 годах. Американец Георгий Александрович Ботезат сконструировал машину с четырьмя винтами, приводящимися одним двигателем. В ходе испытаний квадрокоптер поднялся в воздух, пролетев 1 км, с высотой до 15 метров. Но к сожалению из за ряда проблем, разработки были прикрыты.

Первый современный квадрокоптер был разработан в 2006 году. Эту машину представила немецкая фирма MikroKopter. Дрон комплектовался микроконтроллером, который анализировал информацию, поступающую от гироскопа, акселерометра и барометра. Чуть позже появился и GPS модуль. БПЛА был ориентирован на профессионалов, стоил дорого, но открытое программное обеспечение привело к появлению на рынке дешевых клонов. Это сказалось на доходах компании. Код закрыли, но было поздно. Модель побудила прочих производителей электроники разрабатывать гражданские дроны различного размера и класса.

С появлением прочных и легких полимеров, небольших электродвигателей, а особенно с потрясающими достижениями в области микроэлектроники, стало возможным создание надежных и эффективных беспилотных мультироторных систем.

Как летает квадрокоптер

Принципы работы

На беспилотник устанавливаются 4 электромотора и столько же воздушных винтов. Два диагональных пропеллера вращаются по часовой стрелке (CW), два других (CCW) – против. Интенсивность вращения и подъемная сила определяют скорость и направление перемещения нашего дрона.

Если два правых двигателя будут крутиться быстрее, чем левые, они наклонят и погонят машину влево. В противном случае все произойдет наоборот. Если задние винты разогнать сильнее передних, дрон клюнет и полетит вперед. Если будет иначе, голова машины приподнимется. Маневры относительно вертикальной оси выполняются одновременным ускорением пропеллеров CW с соответствующим замедлением винтов CCW. Повороты в противоположном направлении требует разгона группы CCW и торможения CW. Равномерное вращение заставит дрон взлететь или опуститься.

Главным электронным компонентом является полетный контроллер. Он реагирует на все поступающие через приемник команды и отдает распоряжения блокам ESC, которые определяет тягу и интенсивность вращения двигателей. Стабильность поддерживается показаниями гироскопа, измеряющего углы тангажа, крена и рыскания.

Виды управления

Для работы с беспилотником чаще всего используется портативный пульт. Эти приборы бывают разных форм и размеров, но они всегда имеют два рычага (стика), которыми задается скорость и направление перемещения БПЛА. Поведение коптера в воздухе можно отрегулировать особыми клавишами пульта – триммерами. Особенности управления написаны в этой статье. Ниже, мы перечислим варианты управления.

Пульт со смартфоном

Если дрон оснащен полетной камерой, то на держатель ПДУ устанавливается мобильное устройство, отображающий всю воздушную обстановку. Чаще всего такая комбинация используется при полетах в режиме FPV.

Смартфон без ПДУ

Смартфон и особое приложение позволяют вообще отказаться от пульта. В этом случае связь поддерживается по каналу WiFi. Экран мобильного устройства показывает живое видео, поступающее с бортовой камеры. На его фоне рисуются виртуальные стики и мнемонические изображения команд. Неоспоримым плюсом такого метода считается минимальная стоимость комплекта, хотя пилот будет вынужден заряжать свой мобильник значительно чаще, чем обычно.

G-сенсора мобильного устройства

Третьим способом взаимодействия с дроном считается применение G-сенсора мобильного устройства, который отслеживает пространственную ориентацию операторского смартфона и переводит дрон в аналогичное положение. Простыми словами, управление с помощью наклона гаджета.

Только пульт

В данном случае, пульт имеет свой встроенный экран. Всю телеметрию вы можете считать без применения смартфона. Такой вариант присущ дорогим моделям.

Лучшие характеристики современных квадрокоптеров

Mavic Pro Platinum

Грузоподъемность зависит от соотношения силы, создаваемой винтомоторной группой, и собственного веса машины. Отличные показатели имеют относительно большие квадрокоптеры. Например, характеристики Phantom 4 позволяют использовать эту модель для доставки посылок потребителям.

Радиус полета

Радиус полета определяется устойчивостью системы связи, емкостью бортовой батареи и избранного пилотом режима перемещения. Дальность лучших моделей компании DJI (в идеальных погодных условиях) составляет 5-7 км.

GPS система

Наличие GPS уже становится почти обязательным. Спутниковая система способна определить местонахождение дрона с высокой точностью и не даст его потерять. Более того, она позволяет преодолеть маршрут, проложенный пилотом на карте.

Самые продвинутые летательные аппараты нашего времени способны взлетать на 5000 м. Полеты в верхних слоях атмосферы связаны с разрежением воздуха и снижением его температуры. На лучших моделях эти проблемы компенсируются крупными винтами и автономной системой подогрева.

Большое время полета

Полетное время зависит от емкости АКБ и эффективности ВМГ. У лидеров рынка этот параметр приближается к часу.

Наличие камер высокого формата

В состав всех современных дронов входит установленная на носовом или донном стабилизированном подвесе камера формата 4K или Full HD. Она используется не только с целью получения красивого видео и фото, но и для полетов в режиме FPV.

Датчики обнаружения препятствий

Облет препятствий поддерживается набором оптических камер и ультразвуковых сонаров, которые обнаруживают помехи на дистанции до 20-30 м. Высота полета также контролируется оптикой и инфракрасным датчиком.

Блок OSD формирует и передает всю телеметрическую информацию, которая поступает на экран ПДУ и демонстрируется поверх основного изображения.

Виды коптеров

Для новичков

Процесс обучения сопровождается множеством аварий, поэтому первый коптер новичка должна обладать достаточно крепким корпусом, способным выдержать падения и удары. Будет огромным плюсом, если она сможет летать в помещении (без влияния погодных условий). Приветствуется и щадящая стоимость такой машины – несколько десятков долларов. Моторы – коллекторные. Хорошо, если дрон обладает двойными расходами и в старшем режиме может выполнять воздушную акробатику. Это позволит не покупать новый дрон после приобретения пилотом начальных знаний. Полетной дальности в 30-50 метров вполне хватит. Аккумуляторная батарея должна обеспечивать 8-10 минут пребывания в воздухе. Мы посоветуем выбрать в качестве стартовой модели складной Eachine E58 или мини коптер – JJRC H8 Mini.

Любительские модели

В последние годы появилось огромное число полноценных летательных аппаратов любительского класса. Как правило, видеокамеры таких машин обладают разрешением не ниже 720P и хорошо стабилизированы. Предел трансляции живого видео и полетная дальность доходит до 1 км. Время пребывания летательного аппарата в воздухе составляет 20-25 минут. На такой квадрокоптер устанавливаются БК движки, способные разогнать машину до 50-70 км/ч, и даже модуль GPS. Стоимость одного комплекта (с ПДУ) – 150-300 долларов.

Профессиональные

Лучшие профессиональные дроны обладают массой полетных режимов. На помощь пилоту приходит и спутниковая навигация, определяющая положение коптера с сантиметровой точностью. ВМГ комплектуется БК электродвигателями и крупными пропеллерами. Съемка ведется полетной камерой формата 4K. Изображение записывается на карту памяти или в режиме FPV передается на несколько километров. Аппаратура управления поддерживает 2 частотных диапазона – 2,4 и 5,8 ГГц. Система безопасности представлена всеми типами датчиков – оптическими, инфракрасными и ультрафиолетовыми.

Гоночные коптеры

Завершим раздел кратким описанием гоночных моделей. Аккумулятор таких квадрокоптеров обладает высоким выходным напряжением. Это позволяет оперативно изменять скорость перемещения, делает поведение воздушного гонщика очень мобильным и динамичным. Дальность управляемого полета доходит до 500-1000 м, скоростной предел достигает 100-120 км/ч. Младшие полетные режимы предназначены для новичков, старшие – для продвинутых пилотов. Ситуации на маршруте отображается на экране или в линзах видеоочков.

Законодательство

Все полеты в РФ регулируются двумя документами – Воздушным кодексом и Федеральными правилами использования воздушного пространства. Законы говорят так:

  • для полетов над скоплениями людей требуется особое разрешение;
  • над закрытыми объектами летать запрещено;
  • нельзя подниматься выше 150 метров.

Если квадрокоптер весит 30 кг и более, он подлежит обязательной регистрации. БПЛА меньшего веса должны управляться лицензированными пилотами, получившими разрешение на полеты от местных органов власти. Это же касается и видеосъемок в населенных пунктах. В пограничных районах (полоса в 25 км) допуск выдается органами ФСБ.

Лихачи наказываются штрафом в несколько тысяч рублей. Если внешний пилот нанесет своим дроном существенный материальный ущерб или травмирует людей, то за такие действия он может сесть в тюрьму. Подробная статья, которую мы обновляем, о регистрации дронов в РФ .

Квадрокоптеры, обладают обширной историей и возможностями, и по нашему мнению, будут являться неотъемлемой частью жизни современного человека.

Что такое и зачем он нужен?

Квадрокоптер – англоязычный термин, дословно переводимый на русский, как «четырехвинтовой вертолет». Но что это означает на практике? По сути, это беспилотник (летательный аппарат на ДПУ), оснащенный четырьмя винтовыми пропеллерами. Управление осуществляется посредством специального RC-пульта с земли.

На большинстве современных моделей дронов установлены миниатюрные видеокамеры, обеспечивающие возможности съемки в фото- и видеоформате с воздуха.

Как только первые квадрики появились на прилавках магазинов беспилотной техники на радиоуправлении, их цена едва ли могла привлечь обывателя. Но со временем стоимость таких гаджетов продолжала стремительно падать (собственно, она продолжает падать со времен своего появления до сих пор, а ценовой диапазон – расширяться до бесконечных пределов). Сегодня они доступны многим людям со средним достатком.

Появились и квады с камерой, которые стали настоящим бумом среди широких масс любителей БПЛА. Таким образом, сфера их применения существенно развернулась по всем фронтам, привлекая внимания людей всех возрастов, от школьников и дошколят, до людей пенсионного возраста, любителей и профи в сфере беспилотных полетов, любителей спортивных состязаний на мультикоптерах, журналистов, блогеров, репортеров и даже представителей военно-разведывательных структур.

Современные технологии дроностроения шагнули далеко вперед в последние годы. Но в большинстве случаев на вопрос о том, что такое коптер и каково его предназначение, люди склонны отвечать – это гаджет для развлечения и захватывающих любительских съемок с высоты.

Кто придумал?

История создания/разработки таких БПЛА уходит корнями в первую половину прошлого века. Первый действующий прототип всех действующих ныне любительских и профессиональных дронов, а также вертолетов появился в 1922 году и получил название «вертолет Ботезата». В рамках первых тестовых полетов ему удалось не только успешно подняться в воздух, но и поднять с собой на высоту до четырех метров груз весом около 450 килограмм.

Георгий Александрович Ботезат – тот, кто придумал квадрон, был гражданином США российского происхождения, изобретателем, естествоиспытателем и профессором Петроградского института высоких технологий.

Разработки первого в мире квадрона под его началом велись при финансовой поддержке армии США. Военным требовался летательный аппарат, который сможет производить вертикальные взлеты и посадки. Со временем проект был прикрыт из-за определенных технических трудностей.

Основная проблема состояла в обязательном наличии попутного ветра для полетов. Ученый так и не успел довести разработку и оптимизацию схемы вращения двигателей до конца.

Почему именно 4 мотора?

Испытания вертолета с 4-мя винтами начались под руководством Ботезета в 22-м году. Устройство квадрокоптера на основе четырехвинтовой конструкции еще в те времена было признано наиболее устойчивым и оптимальным с точки зрения полетных характеристик.

Благодаря многовинтовому принципу работы, аппарат становился легко управляемым. Для поворота достаточно было изменить положение носовой части коптера.

В более поздние времена, когда начальные квады на радиоуправлении обзавелись полноприводной винтовой системой, они получили абсолютный баланс и максимальный полетный контроль, а все недостатки квадрокоптеров были минимизированы за счет внедрения новых технологий и электроники. По сей день 4-моторный коптер — лучший и самый надежный с точки зрения конструкции, летных и технических характеристик.

Мультикоптеры

Мультикоптер – это альтернативный, вариант квадронов, превосходящий их по количеству моторов. Его несущие винты вращаются диагонально и в противоположных по отношению друг к другу направлениях.

Различаются мультикоптеры между собой количеством моторов. В современной практике помимо трех- и четырехвинтовых моделей встречаются гексакоптеры и октокопторы с 6- и 8-ю пропеллерами, соответственно. Количество винтовых элементов по большому счету определяет возможности пиковых нагрузок аппарата по массе, то есть то, сколько веса он сможет взять с собой на борт.

Устройство и принцип работы

Принцип действия современных коптеров предельно прост. Каждый несущий винт приводится в движение электромотором. Одна часть двигателей вращается по часовой стрелке, а вторая – против. Это позволило исключить из конструкции квада хвостовой винт и сложный в плане конструктивной реализации автомат перекоса.

Рама

Как правило, каркасная рама любого квадрика имеет X-образную форму. На конце каждого из четырех лучей закреплена винтомоторная конструкция, обеспечивающая аппарату необходимую летную тягу.

Часто для придания оригинальности кваду раму украшают имитацией кабины пилота, различными принтами и светодиодными огнями. К слову LED-подсветка выполняет не только декоративную функцию – зачастую она помогает пилоту ориентироваться в управлении и позиционировании квадрика, а также необходима для пилотирования в темное время суток.

Платы управления и полетный контроллер

Контроллерная плата – мозг любого дрона. Она отвечает за все бортовые программные функции, включая контроль оборотов двигателей, съемку интегрированной камерой, позиционирование в пространстве на основе GPS-координат, работу светодиодов, выполнение виражей, прием различных сигналов с ДПУ и многое другое.

Мотор

Большая часть любительских мультикоптеров оснащена двумя типами электродвигателей – коллекторными и бесколлекторными. Как правило, вторые используются в бюджетных, любительских и наиболее простых вариантах. Их мощности вполне достаточно для поднятия в воздух мало и средне весовых квадронов любительского класса.

Коллекторные двигатели имеют другую, более совершенную конструкцию и несколько иной принцип работы. Они лишены коллекторов и щеток. Магнитные элементы расположены вокруг вала и выполняют непосредственно роторную функцию. Таким образом, двигатель работает с более плавным контролем оборотов у винтов и с большей отдачей, что обеспечивает лучшую тягу, энергорасход и производительность.

Трансмиттер и Пульт управления

Трансмиттер, то есть передатчик сигнала или пульт управления – это основной контрольный элемент любого квадрика. Контроль осуществляется посредством радиоволн, излучаемых аппаратурой на определенной частоте (как правило, это 2,4ГГц для радиосигнала и 5,8 для AV-видеосигнала с большим радиусом покрытия).

Регуляторы оборотов

Регуляторы оборотов или контроллеры скорости полета отвечают за контроль мощности двигателей. Суммарный рабочий ток этих элементов должен превышать по своим показателям максимальный ток электромоторов. Среди основных параметров, о которых нужно знать, подбирая оборотные регуляторы самостоятельно, стоит отметить максимальный рабочий ток и диапазон рабочих напряжений.

FPV

В данном контексте аббревиатура FPV подразумевает трансляцию видео с бортовой камеры агрегата на принимающее устройство в режиме реального времени от первого лица. В качестве приемника могут использоваться очки VR, а также пилотный шлем или монитор трансмиттера/смартфона. Иными словами, технология позволяет видеть пилоту то, что «видит» дрон в момент планирования.

Подвес с камерой

Это важная часть любых мультикоптеров с функцией съемки. Подвесное крепление служит для соединения видеокамеры с корпусом аппаратика. Она может иметь несколько осей (обычно две или три), позволяющих вращать камеру для захвата изображения в различных направлениях.

Нередко подвес оснащается специальными демпферными подушками, которые призваны гасить вибрации и обеспечить качественную стабилизацию видео на аппаратном уровне.

Батарея

АКБ – это сердце квадронов, обеспечивающее зарядом винтовые моторы. Они могут иметь моноблочную или многоблочную структуру, от чего во многом зависит их емкость. Аккумуляторные блоки подсоединяются в электроники посредством специальных клемм и устанавливаются на борт в специальных блоках. Для многих моделей предусмотрена возможность замены АКБ на аналогичные или с большей мощностью.

Чтобы понять, можно ли использовать другую батарею, необходимо внимательно почитать описание или инструкцию к агрегату.

Масса и тяга

Если вы только начинаете интересоваться мини квадрокоптерами и FPV, имеет смысл разобраться в том, как связаны между собой тяга двигателей и полётный вес вашего беспилотника. Это будет полезно для создания собственного дрона или при апгрейде уже готового. Более опытные пилоты могут спокойно пропустить этот раздел и сразу перейти к выбору размера двигателя.

Общий вес

В первую очередь определите вес вашего будущего беспилотника. Не нужно расстраиваться, если не удастся сделать этого точно и сразу — для начала достаточно приблизительной оценки. Она должна учитывать включать все, что будет на борту: сама рама (frame), полётный контроллер (FC), силовые провода питания (PDB), двигатели, пропеллеры, регуляторы оборотов (ESC), один или несколько LiPo аккумуляторов, полезная грузоподъёмность — например, камера HD, передатчик для неё и все остальное.

Размер рамы

Второе, что нужно знать, это размер рамы будущего квадрокоптера. Из него можно определить, какие пропеллеры будут использоваться.

Необходимая тяга двигателей

После того как определена полная масса и планируемый размер рамы квадрокоптера, можно примерно рассчитать параметры двигателей, которое необходимо установить на беспилотник, чтобы поднять его в воздух с пропеллерами определённого размера.

Соотношение тяги и веса беспилотника

Основное правило заключается в том, что выбранные для квадрокоптера двигатели должны обеспечивать вдвое большую тягу, чем собственный вес аппарата. Это необходимый минимум мощности, без которого невозможно обеспечить стабильность полёта и контролировать зависание. Если тяга двигателей меньше этого предела, аппарат не сможет правильно выполнять команды пилота или даже не взлетит вовсе.

Например, если вы хотите построить квадрокоптер весом 1 кг, общая тяга, создаваемая его двигателями при полной мощности, должна составлять, по крайней мере, 2 кг или 500 грамм на каждый мотор. Но в реальности, для нормального полёта неплохо иметь ещё больше тяги.

Для того чтобы летать быстрее, особенно для гоночных дронов, планируйте коэффициент тяги выше стандартного. Довольно часто при создании мини квадрокоптера в проект закладывается соотношения 8 к 1 или даже 10 к 1. Это добавит динамики полёту, ваш аппарат станет более манёвренным и будет разгоняться быстрее. Но слишком большое отношение тяги к весу осложнит управление — беспилотник будет пулей срываться с места при малейшем прикосновении к регулятору газа.

Даже если вы планируете использовать квадрокоптер для аэрофотосъёмки и летать медленно, можно рекомендовать соотношение тяги к массе от 3 к 1 до 4 к 1. Это не только даст дополнительный запас манёвренности и улучшит управление, но и добавит запас грузоподъёмности. Полезной нагрузкой может стать более тяжёлая камера или дополнительные батареи для увеличения времени полёта. Но если вы хотите участвовать в гонках, не следует ограничивать тягу вообще. Летайте настолько быстро, насколько это возможно.

Размер двигателя

Размер бесколлекторных двигателей, применяемых в квадрокоптерах и радиоуправляемых моделях, обычно обозначается 4-значным числом вида AABB. Первые две цифры AA — это ширина (диаметр) статора, а две последующие BB — его высота, приведённые в миллиметрах. В большинстве случаев, чем выше статор, тем большую мощность он имеет при максимальных оборотах, а статор большего диаметра обладает лучшим крутящим момента, но обороты такого двигателя ниже.

Как устроен типичный статор бесщеточного электромотора? Он представляет собой находящийся внутри двигателя неподвижный пакет, изготовленный из множества слоёв тонких металлических пластин, ламинированных ещё более тонкими слоями изоляционного материала. Вокруг статора расположены обмотки из медного провода, по которым проходит электричество. Такая сложная многослойная конструкция необходима для того, чтобы в статоре не возникали токи Фуко, приводящие к чрезмерному нагреву.

Размер пропеллера, совместимого с конкретным двигателем, определяет диаметр его вращающегося вала. Моторы для 4″, 5″ и 6″ лопастей обычно комплектуются валом с резьбой M5. Большинство современных электромоторов являются outrunner и сконструированы так, что их вал запрессован во внешний колокол двигателя с постоянными магнитами, вращающийся вокруг неподвижного статора. Более старые модели могут иметь дополнительный адаптер для установки пропеллера.

Величина kV для бесщеточного двигателя

KV — это константа скорости. Она является важным параметром бесщеточных двигателей и показывает, на сколько оборотов в минуту может возрасти скорость вращения вала двигателя, если напряжение на обмотках поднимается на 1 вольт. Это теоретическая расчётная величина, которая не учитывает нагрузку от пропеллера. Например, при подключении двигателя 2300 kv к батарее питания 3S LiPo напряжением 12,6 В, его вал может раскрутиться примерно до 29 тыс. оборотов в минуту или 2300 * 12,6. Это оценочное округлённое значение, которое указывает изготовитель мотора.

На практике обороты будут значительно отличаться. Дело в том, что после установки пропеллера, величина RPM всегда уменьшается из-за сопротивления воздуха. Моторы с более высоким значением константы kV будут быстрее вращать пропеллер, но двигатели c более низким kV обычно способны создать значительный крутящий момент. По этой причине на крупные квадрокоптеры обычно устанавливают двигатели с низкими kV, и для более лёгких и скоростных беспилотников больше подходят моторы с большим значением kV.

Значение kV двигателя всегда определяется количеством витков провода в медной обмотке статора и используемыми постоянными магнитами. Как правило, увеличение числа витков обмотки снижает kV, а уменьшение приводит к его росту. В современных электромоторах для квадрокоптеров применяются самые сильные магниты из сплавов редкоземельных металлов, таких как неодим, самарий и кобальт.

Если на двигатель с большим значением kV установить чрезмерно большой пропеллер, создающий высокое сопротивление, мотор будет стремиться быстро вращать его. Но при этом потребуется большая сила тока, как при меньших значениях kV и будет выделяться слишком много тепла на обмотках. В конечном счёте это может привести к повреждению из-за перегрева и коротким замыканиям в катушках статора.

Размеры рамы, пропеллеров и двигателей

В большинстве случаев, зная размер рамы квадрокоптера, мы можем оценить, двигатель какого размера нужно использовать. Дело в том, что рама ограничивает допустимые диаметры пропеллеров, для каждого каждого из которых нужно другое число оборотов, создающих эффективную тягу.

Здесь большую роль играет величина kV выбранного электромотора. Необходимо убедиться в том, что достаточно крутящего момента, чтобы вращать пропеллер. Это напрямую зависит от размеров статора. Точные математические формулы, используемые для определения kV и геометрии статора, довольно сложны. Но для большинства пилотов совершенно нет необходимости беспокоиться об этом, чтобы применять расчёты на практике.

Чтобы упростить методику выбора, можно оценить необходимую тягу и убедиться, что текущая нагрузка не превышает допустимый уровень безопасности. Для этой цели можно воспользоваться несложной таблицей. В ней приведены значения для стандартных 4S LiPo батарей. Допустимо использовать более низкие или более высокие значения kV, но придерживаться при этом разумных ограничений.

Размер рамы Пропеллеры Размер двигателей Значение KV
150 мм и менее 3” 1105-1305 и меньше 3000 kV и более
180 мм 4” 1806 2600 – 3000 kV
210 мм 5” 2204-2208, 2306 2300 – 2600 kV
250 мм 6” 2204-2208, 2306 2000 – 2300 kV
350 мм 7” 2208 1600 kV
450 мм и более 8”,9”,10” и более 2212 и более 1000 kV и менее

Основные параметры электромотора

Как только вы определитесь с размером двигателя, нужно продолжить выбор из нескольких вариантов. Несмотря на одинаковые габариты, изделия разных производителей могут отличаться друг от друга по многим другим параметрам. Чтобы найти подходящий вариант в первую очередь, оцените следующие факторы:

  • максимальную тягу двигателя (Max Trust);
  • рабочую силу тока (Current Draw);
  • КПД или коэффициент полезного действия (Efficiency);
  • вес электромотора (Weight).

Не забывайте, что выбор будет зависеть от личных предпочтений и цели, для которой создаётся ваш новый квадрокоптер.

Тяга и мощность

Тяга, вероятно, первое, на что смотрят при выборе двигателя. Чем выше скорость, тем подвижнее и манёвреннее будет ваш беспилотник. Но не нужно забывать об энергоэффективности и всегда следить за тем, чтобы мощность не превышала допустимые для вашего оборудования параметры.

Основное правило заключается в том, чтобы не злоупотреблять напряжением батарей и расходом энергии. Если квадрокоптер потребляет очень большой ток при максимальной скорости полёта, время разряда аккумуляторов должно соответствовать такому потреблению без перегрева батарей. Они должны сохранять нормальную работоспособность в течение разумного времени.

Тяга двигателя и его мощность — важнейшие параметры, забывать о которых нельзя. Но это не единственные вещи, определяющие правильный выбор.

Вес двигателя

Собственный вес электродвигателя — фактор, о котором нередко забывают. Он особенно важен для гоночных дронов и аппаратов для занятий фристайлом.

Поскольку моторы размещены в углах рамы, далеко от центра масс, они оказывают большое влияние на манёвренность квадрокоптера. Тяжёлые двигатели увеличивают момент инерции, что затрудняет изменение угловой скорости. На практике, когда беспилотник начинает делать сальто и бочку, нужно некоторое время, чтобы набрать необходимое угловое ускорение и перейти в нужное положение. Чем тяжелее двигатель, тем больший крутящий момент требуется для разворота.

Двигатель имеет собственный момент инерции. Чем тяжелее мотор, тем больше крутящего момента нужно для вращения его вала. Поэтому требуется больше времени для изменения частоты вращения. Это влияет на отзывчивость двигателя и манёвренность квадрокоптера в целом. Аппарат с более тяжёлыми двигателями требует значительных поправок от PID регулятора.

Вес двигателя имеет гораздо большее значение для тех, кто увлекается акробатикой и гонками, чем для любителей пейзажной съёмки с воздуха.

Энергоэффективность

Эффективность двигателя — это отношение тяги к мощности, которую обычно измеряется в единицах грамм/ватт. Важно обращать внимание на характеристики во всём диапазоне оборотов вала (дроссельной заслонки), а не только на верхней границе. Бывает так, что мотор эффективен на низких оборотах и развивает отличную тягу, но теряет свои характеристики при больших токах, по мере приближения пиковой мощности.

Менее эффективный двигатель не только расходует много энергии и снижает скорость полёта. Проблема в том, что батареи страдают от сильных перепадов тока. Это может привести к их быстрому выходу из строя. Важно знать, что неэффективные двигатели либо генерируют слишком мало тяги, либо требуют слишком большого тока для нормальной работы. Поэтому ещё одним вариантом оценки является отношение тяги к силе тока, выраженное в граммах на ампер.

Более тонкие характеристики

Важные характеристики бесколлекторных электромоторов для квадрокоптеров не упоминаются производителями в заводской спецификации и могут быть получены только при самостоятельном тестировании. Вот основные из них:

  • крутящий момент;
  • время отклика;
  • температура нагрева при работе;
  • уровень вибраций и баланс.

Крутящий момент

Крутящий момент определяет, как быстро двигатель может увеличить скорость вращения. Это влияет на отзывчивость, точность управления и поведение квадрокоптера в полете. Мотор с высоким крутящим моментом лучше реагирует на команды, потому что изменение числа оборотов двигателя происходит быстрее. Задержи управления будут очень малы или совсем незаметны.

Высокий крутящий момент позволяет использовать более мощные пропеллеры при одинаковой силе тока. Если вы установите слишком мощные винты на двигатели с малым крутящим моментом, они просто не смогут привести пропеллеры в движение или не наберут достаточных оборотов. Это неизбежно приведёт к снижению тяги и потере мощности.

Но у двигателей с высоким крутящим моментом есть и существенный недостаток. Это колебания в полете, которые бывает трудно устранить настройками. Дело в том, что такие моторы очень быстро реагируют на повышение тока в системе ESC и меняют скорость вращения. Это часто приводит к ошибкам системы управления и может вызывать колебания в полете, особенно по оси рысканья.

Время отклика

Время отклика — это производная величина от крутящего момента. Высокий крутящий момент обычно означает быстрое время отклика. Самый простой способ измерить время отклика — посмотреть, сколько времени потребуется двигателю для перехода от нулевой до полной скорости вращения вала. Не забывайте, что для разных пропеллеров время отклика мотора также будет отличаться.

Температура нагрева при работе

Повышение температуры электродвигателя во время работы приводит к тому, что постоянные магниты постепенно размагничиваются и теряют часть своей силы. При этом, естественно, снижается и производительность мотора. К сожалению, этот процесс необратим и постепенно приводит к разрушению двигателя. Поэтому более холодный двигатель, с меньшим уровнем нагрева, всегда означает более длительный срок службы.

Уровень вибраций и балансировка

Если двигатель плохо сбалансирован или имеет низкое качество сборки, вы можете столкнуться с вибрацией, которая будет влиять на квадрокоптер и может серьёзно осложнить настройку ПИД-регулятора.

В некоторых случаях использование мягких монтажных крепления для двигателей или полётного контроллера может снизить вибрацию и привести к положительному эффекту. Но такое решение нельзя назвать полностью универсальным. Гораздо правильнее использовать качественные моторы, даже если они немного дороже.

Следует помнить, что комбинированные или просто несбалансированные пропеллеры также могут вызывать вибрации на двигателе, которые очень сложно устранить.

Особенности моторов для квадрокоптеров

Есть много конструктивных особенностей, которые могут влиять на производительность конкретного двигателя, причём в значительной степени. Например, электромоторы с одинаковыми размерами статора и значениями kV, могут выдавать при работе совершенно различную тягу и потребление тока из-за отличий в конструкции. Это могут быть используемые магниты, воздушный зазор, полый вал и многое другое.

Вот факторы, которые способствуют повышению производительности и могут серьёзно изменить характеристики двигателя:

  • полый вал;
  • тип магнитов;
  • толщина ламината статора;
  • толщина воздушного зазора;
  • сечение проводов обмотки;
  • дуговые магниты;
  • защёлки фиксации вала и шплинты.

Полый вал

Наличие высверленной полости позволяет использовать более твёрдый и тяжёлый металл для более прочных валов большего диаметра. При этом вес мотора остаётся неизменным или даже способствует созданию более лёгких агрегатов.

Тип магнитов

В современных бесщеточных моторах применяются неодимовые магниты, такие как N52, N54 и подобные им. Цифровое обозначение после буквы N являются характеристикой силы магнита — напряжённостью создаваемого им магнитного поля. Чем больше это число, тем сильнее магнит и тем выше создаваемый им крутящий момент и более быстрый отклик двигателя.

Толщина ламината статора

Если не вдаваться в тонкости конструкции, чем тоньше, тем лучше. Это увеличивает мощность, снижает нагрев и ведёт к повышению эффективности.

Меньший воздушный зазор

Толщина воздушного зазора указывает, насколько далеки магниты от статора. Чем ближе они расположены, тем энергоэффективное и мощнее сам двигатель, а также лучше показатель крутящего момента и ниже время отклика.

Сечение провода в обмотке

Более толстая проволока увеличивает максимально допустимую силу тока, но она будет и более тяжёлой. Слишком большое сечение может потребовать использования более мощных регуляторов ESC.

Дуговые магниты

Использование дуговых или изогнутых магнитов — это метод большего приближения магнитов к статору. Он обеспечивает более непрерывный и меньший воздушный зазор, что улучшает общую эффективность двигателя.

Шплинты и пружинные шайбы типа C-Clip или E-Clip

Чтобы зафиксировать внешний колокол двигателя на валу, производители обычно используют один из методов:

  • C-образный зажим;
  • E-образный зажим;
  • обыкновенный шплинт.

Каждый из этих способов имеет свои плюсы и минусы и трудно сказать, какой из них лучше. Считается, что шплинты легче в использовании, так как их легче удалить винт, чем C-образный или E-образный зажим. Но они подвержены риску чрезмерного затягивания или блокировке вала, которые увеличиваю силу трения и препятствует вращению.

Есть данные, что С-образные зажимы иногда выскакивают во время полёта, из-за чего кожух двигателя может просто слететь. Вероятно, такое может случиться, но и шплинты не застрахован от подобной проблемы.

Балансировка двигателей квадрокоптера

После того как двигатели выбраны и приобретены, первое, что нужно сделать, это сбалансировать их. Процедура несложна и проводится при помощи пластмассовых грузиков из самозатягивающихся хомутов или кусочков скотча. Это необязательно, но вреда не принесёт и может быть очень полезно, особенно при использовании размером 2212 или крупнее. Для миниатюрных силовых агрегатов 2208 или меньше, как правило, балансировка не требуется, потому что качество сборки в целом очень хорошее.

С чего начать поиск подходящих моторов

Вариантов очень много. Чтобы сберечь временя, мы подготовили небольшой список из 5 лучших моторов, на которые следует обратить внимание в первую очередь. Вот наши рекомендации по выбору двигателей для квадрокоптеров:

  1. Двигатель STAR POWER R2204-2460KV.
  2. Двигатель для мультикоптеров массой 5-10кг модель HL W48-30 420KV
  3. Двигатель для мультироторных систем Т-MOTOR MT3506 650KV
  4. Двигатель с внешним ротором для мини мультикоптеров DYS BE1806 / 2300KV 2-3S
  5. Двигатель SunnySky X2204SII CW KV2300

В этом руководстве вы найдете основную информацию о видах моторов для коптеров, особенностях их конструкции; описание всего того, что влияет на летные характеристики и эффективность. Это поможет вам выбрать оптимальные моторы для следующего коптера.

Оригинал: How to choose Motor for Racing Drone & Quadcopter

Ищите моторы? С чего начать?

Не важно какого размера будет у вас коптер, перед выбором моторов нужно определиться с рамой и знать примерный вес коптера. Однако, если вы планируете собирать 5″ коптер, тогда можете смело переходить к разделу «размер мотора».

Если вы новичок, тогда рекомендую начать со статьи про то, что такое FPV гонки.

Есть два вида моторов: коллекторные и бесколлекторные. Как правило бесколлекторные используются на более крупных моделях, а коллекторные только на очень мелких. Позже я опубликую статью с более подробным описанием их отличий.

Размер рамы и вес

Общий вес коптера — это вес всех комплектующих, которые планируется поставить на модель: рама, полётные контроллер (ПК), плата распределения питания (PDB), приёмник, видеопередатчик, антенна, моторы, пропеллеры, регуляторы скорости, LiPo аккумулятор, дополнительная нагрузка типа GoPro и т.д.

Скорее всего вы не получите точный вес, лучше его переоценить и иметь запас по мощности, чем недооценить и получить нелетающий коптер. Не забудьте добавить 10-20 грамм для учета веса проводов, пищалки, нейлоновых стяжек и т.д.

Зная размер рамы, мы получаем максимально допустимый диаметр пропеллеров. Как только вы узнаете вес коптера, то сможете оценить необходимую тягу, и комбинацию мотор-проп (винтомоторная группа).

Дополнительная информация: как выбрать пропеллер для коптера (англ).

Соотношение тяги и веса коптера

Общее правило такое: макс. тяга должна быть как минимум в 2 раза больше веса коптера. Запомните, это действительно минимум необходимый для того, чтобы коптером можно было легко управлять во время висения. Если тяга слишком маленькая, тогда коптер будет плохо слушаться управления, и, возможно, будет довольно сложно взлететь.

Например, если вес коптера 1 кг, тогда тяга всех моторов при 100% газе, должна быть как минимум 2 кг (500 г на мотор). Конечно, хорошо, если тяга ещё выше…

Чтобы летать быстро, у гоночных коптеров соотношение тяги к весу значительно больше. Нет ничего необычного в том, что у кого-то миникоптер имеет это соотношение 10:1 или даже 13:1. В общем и целом, для акробатики я рекомендую иметь соотношение как минимум 5 к 1.

Чем больше это число, тем лучше управляется и ускоряется коптер. Однако, если оно слишком большое, тогда коптером становится сложно управлять. Небольшого движения стика газа будет достаточно чтобы «выстрелить коптером на орбиту, как ракетой». 🙂 Конечно, всё очень сильно зависит от навыков пилота.

Даже если вы планируете заниматься только медленной аэрофотосъемкой, нужно рассчитывать на 3:1 или 4:1. Это даст вам не только надежное управление, но и позволит в будущем увеличить полезную нагрузку. Например, более тяжелую камеру или дополнительные аккумуляторы для увеличения длительности полёта. Если вы хотите заняться гонками, то ограничений на это соотношение нет 🙂 выбирайте на столько большое значение, на сколько вам будет удобно управлять!

Размеры моторов

Размер бесколлекторного моторы обычно обозначается 4 цифрами: AABB, где «АА» — это диаметр статора (stator width / stator diameter), а «BB» — высота статора (stator height), оба значения в миллиметрах.

Что такое статор (stator) у бесколлекторного мотора? Статор — это стационарная (неподвижная) часть мотора, у нее есть полюса (poles), на которые намотан медный провод (обмотка). «Полюса» (по сути, сердечник) сделаны из тонких металлических пластин собранных в стопку, между ними тонкий слой диэлектрика.

  • Чем «выше» статор, тем больше мощность на больших оборотах
  • Чем «шире» статор, тем больше крутящий момент при низких оборотах

Увеличение диаметра и высоты мотора требует увеличения как обмоток (электромагнитов), так и постоянных магнитов. Разница в том, что при увеличении высоты статора размеры постоянных магнитов увеличиваются сильнее, чем катушки; а при увеличении диаметра статора обмотки увеличиваются сильнее, чем магниты.

Размеры пропеллеров совместимых с мотором определяются диаметром вала. Валы моторов для 3″, 4″, 5″ и 6″ пропов имеют резьбу M5 (т.е. диаметр 5 мм). У современных моторов вал встроен в сам колокол, для более ранних моторов нужно было использовать адаптер (англ).

На 5″ коптерах чаще всего применяются моторы размера 2204, 2205, 2206, 2207, 2305, 2306, 2307, 2407.

Высокий или широкий статор?

У более высокого статора больше «площадь поверхности» (обращенной к магнитам) следовательно через него проходит «больше» магнитных полей. Большая площадь также способствует хорошему охлаждению. Высокие моторы дают большую мощность и имеют высокие обороты.

Чем больше диаметр статора, тем больший объем железа и меди в нём, в результате мы получаем мотор с большим крутящим моментом, а также более эффективный мотор.

KV

«KV» — это количество оборотов в минуту (RPM) на единицу напряжения (более правильное определение KV, англ).

Это очень важный параметр бесколлекторных моторов, он показывает на сколько увеличатся обороты мотора (RPM) при увеличении напряжения на 1 вольт, при отсутствии нагрузки на валу (без пропа). Например, если подключить мотор 2300 KV к аккумулятору 3S LiPo (12,6 вольт), тогда без пропеллера он будет вращаться со скоростью 28980 оборотов в минуту (2300 * 12,6). Обычно это примерное значение, указываемое производителем.

Как только вы поставите пропеллер, обороты снизятся из-за сопротивления воздуха. Моторы с более высоким KV будут стараться раскрутить проп быстрее, но могут потреблять большой ток. Именно поэтому мы обычно ставим большие пропы на моторы с небольшим KV, а мелкие и легкие пропы отлично подходят для моторов с высоким значением KV.

Значение KV определяется числом витков обмоток статора. Обычно увеличение числа витков уменьшает KV мотора, а уменьшение числа витков — увеличивает KV.

Сила магнитов тоже влияет на KV, чем они сильнее, тем больше KV

Если установить очень большой пропеллер на мотор с большим KV, тогда он попробует раскручивать его также быстро, как будто это маленький проп, но для этого требуется гораздо большее усилие. А чтобы получить требуемое усилие, мотор начнет потреблять гораздо больший ток, а следовательно выделять больше тепла. Что ведет к его перегреву, и может повредить мотор. При перегреве мотора изоляция в обмотках сгорает и получается короткое замыкание.

Общее правило: чем тяжелее коптер, тем ниже KV его моторов, на мелких коптерах обычно используются моторы с очень большим KV

Крутящий момент

Иногда говорят, что у моторов с небольшим KV высокий крутящий момент, а если у мотора высокое значение оборотов на вольт, то крутящий момент небольшой. Хотя это и возможно, но не всегда правда. KV почти ничего не говорит о крутящем моменте, а влияет на максимальный потребляемый ток и макс. допустимое напряжение.

Как уже указывалось выше, у моторов с высоким KV обмотки короче, а значит и ниже сопротивление. Это снижает макс. допустимое напряжение и увеличивает потребляемый ток (при прочих равных характеристиках, при том же пропеллере).

Крутящий момент в основном определяется:

  • размером статора, чем он больше, тем выше момент
  • материалами: тип магнитов, качество медной обмотки
  • конструкцией мотора: расстояние между ротором и статором, числом полюсов и т.д.

Если всё одинаково, тогда два мотора с разным KV будут иметь одинаковый крутящий момент. Небольшое значение KV просто означает, что вам нужно более высокое напряжение чтобы получить те же обороты. На самом деле все несколько сложнее, но это довольно простое и точное описание.

Причина, по которой пилотам кажется, что у моторов с небольшим KV большой момент, в том, что падение напряжения у таких моторов ниже, чем у моторов с высоким KV, именно это падение напряжения и снижает крутящий момент. Теоретически, момент должен быть одинаков, но на практике такого не бывает.

Крутящий момент — это палка о двух концах.

Моторы с большим крутящим моментом позволяют менять обороты быстрее, благодаря этому будет меньше паразитных вибраций, а реакция на стики — мгновенной. Коптер с такими моторами будет очень резким, а его движения будут менее естественными, более похожими на дерганые движения роботов. В противном случае коптер ощущается более плавным. Выбор зависит от вашего стиля, личных предпочтений, высокий крутящий момент — это не всегда хорошо.

В наши дни всё больше и больше пилотов сталкивается с паразитными вибрациями, и корнем проблемы могут быть как раз современные, сверхмощные моторы. Они настолько мощные, что могут создавать петли обратной связи, от которых очень трудно избавиться. Демпфирование полетного контроллера может помочь, но лучше искать настоящую причину вибраций и не использовать чрезмерно мощные моторы.

Обмотка

Число витков в обмотках статора влияет на то, какой максимальный ток будет потреблять мотор, а толщина провода определяет максимально допустимый ток, который не вызовет перегрев мотора.

Меньше витков = меньше сопротивление = выше kv. Недостаток — магнитное поле статора будет слабее, а усилие на валу — меньше.

Все происходит наоборот при увеличении числа витков. Чем больше витков, тем сильнее магнитное поле статора и больше усилие. Но из-за более длинных проводов увеличивается сопротивление и KV мотора уменьшается.

Чтобы получить большую мощность моторов, производители часто увеличивают число полюсов и при этом используют более толстый провод. Благодаря этому сопротивление обмоток уменьшается, а мощность увеличивается (не жертвуя при этом эффективностью и крутящим моментом). Такой мотор без перегрева может потреблять довольно большой ток.

Однако более толстый провод и увеличение числа обмоток приводят к увеличению массы мотора, а обмотки занимают больше места, что требует увеличения статора. Поэтому и появляются всё более крупные моторы, и по вышеуказанным причинам они мощнее.

Одножильные и многожильные обмотки

Одножильная обмотка делается толстым проводом и способна хорошо рассеивать тепло, больше подходит для моторов с большим напряжением питания, типа 5S или 6S. Но, из-за значительных пустот между толстыми витками, плотность обмотки довольно низкая.

Для замены одного толстого провода, в многожильной намотке обычно используют по три более тонких. Т.к. провода тоньше, то теплоотвод хуже, и физически их легче повредить.

Обычно у моторов с многожильной намоткой характеристики лучше, чем с одножильной, это связано с тем, что такая намотка получается плотнее, что дает более сильное магнитное поле (т.е. получается более мощный и эффективный мотор).

Замечу, что ещё очень важна аккуратность намотки, не только в эстетическом плане, но и в электромагнитном. Если провод уложен как попало, есть куча пересечений, тогда провода не будут перпендикулярны статору и магнитное поле будет менее эффективным.

Какого размера нужен мотор?

Выбирать комплектующие для коптера можно в таком порядке: размер рамы, размер пропов, размер мотора.

Зная размер рамы, мы можем оценить требуемые размеры моторов. Рама ограничивает нас макс. допустимым диаметром пропов, а от характеристик пропеллера зависят характеристики моторов (чтобы эффективность их работы была максимальной), именно тут мы и определяемся с KV моторов.

Также необходимо убедиться, что у моторов достаточная мощность для вращения выбранных пропов, тут уже играет важную роль размер статора. Обычно чем больше статор, и выше KV, тем больший ток потребляет мотор.

В таблице вы найдёте общие рекомендации, это не жесткие правила, одни используют более оборотистые моторы, чем указано; другие, наоборот, менее оборотистые.

Данные предполагают, что на квадрике будет стоять 4S LiPo аккумулятор, а размер рамы — это расстояние между диагонально расположенными моторами ().

Размер рамы Диаметр пропеллера Размер мотора KV
150 или меньше 3″ или меньше 1105 -1306 или меньше 3000KV или больше
180 мм 4″ 1806 2600KV – 3000KV
210 мм 5″ 2204-2208, 2306 2300KV-2600KV
250 мм 6″ 2204-2208, 2306 2000KV-2300KV
350 мм 7″ 2208 1600KV
450 мм 8″, 9″, 10″ или крупнее 2212 или больше 1000KV и ниже

Напряжение и потребляемый ток

Важно понять, что напряжение питания тоже влияет на выбор моторов и винтов. При увеличении напряжения мотор будет пытаться вращать винт быстрее, и поэтому будет потреблять большой ток. Убедитесь, что знаете, какой будет потребляемый ток и какая получится тяга.

После того, как вы определите макс. потребляемый ток, пора переходить к выбору регуляторов скорости.

Основные факторы влияющие на летные характеристики

Определившись с размером мотора, вы увидите, что подходящих моделей очень много. Чтобы выбрать наилучший вариант, нужно учесть несколько моментов:

  • Тяга
  • Эффективность и потребляемый ток
  • Вес

Выбор того или иного мотора очень сильно зависит от целей применения коптера, стиля полета и желаемого поведения.

Тяга

Пожалуй, это первое, на что обращают внимание при выборе мотора.

Чем выше тяга, тем больше будет ускорение, но при этом может заметно увеличиться потребляемый ток или упасть энергоэффективность. Не перенагружайте аккумуляторы сильно жрущими винтомоторными группами.

Если коптер потребляет очень большой ток при максимальном газе, тогда у аккумулятора должен быть соответствующий допустимый разрядный ток (англ). Не забывайте и про емкость аккумулятора, она должна быть достаточной чтобы летать продолжительное время.

Тяга — важный, но не единственный критерий выбора мотора.

Вес мотора

При выборе мотора часто упускают из вида его вес, хотя это очень важный критерий для фристайла и дронрейсинга.

Поскольку моторы расположены по углам рамы, их вес заметно влияет на отзывчивость управления коптером. Более тяжелые моторы увеличивают угловой момент инерции коптера, т.е. чтобы поменять положение коптера потребуется большее усилие.

На практике это означает, что при выполнении флипов и ролов требуется время чтобы коптер набрал необходимую скорость вращения, а затем время, чтобы снизить эту скорость. Более тяжелые моторы требуют больше времени на изменение скорости. Поэтому коптер с тяжелыми моторами будет менее отзывчивым.

Эффективность и потребляемый ток

Эффективность мотора обычно вычисляется делением тяги (при 100% газе) на потребляемую мощность и измеряется в граммах на ватт (г/Вт). Чем больше число, тем эффективнее мотор.

При выборе мотора нужно смотреть на его эффективность во всем диапазоне мощностей, не только на максимуме. Некоторые моторы лучше всего работают при небольшом газе, и могут терять эффективность при его увеличении.

Ещё один способ оценки эффективности — «грамм на ампер» (тяга/ток).

Обычно, чем больше тяга, тем больше потребляемый ток, поэтому нужно отдавать предпочтение моторам с макс. тягой при минимальном токе. Неэффективные моторы либо дают небольшую тягу, либо потребляют очень много.

Эффективность зависит и от винтов, главное найти компромисс между тягой и эффективностью.

Прочие факторы влияющие на летные характеристики

Производители не указывают многие характеристики, но их можно найти, почитав обзоры и тесты.

  • Крутящий момент
  • Время реакции
  • Температура
  • Уровень вибраций и качество балансировки

Это сила, которая вращает пропеллер, она определяет скорость, с которой мотор может изменить обороты (RPM). Другими словами, на сколько просто мотору проворачивать массу ротора, винта и, что более важно, воздуха.

Крутящий момент влияет на характеристики коптера, особенно на точность и отзывчивость управления. У мотора с большим крутящим моментом более быстрая реакция, т.к. он может быстрее поменять скорость вращения (RPM). Возможно даже будет меньше проявляться пропвош (propwash — тряска коптера, когда он движется в турбулентном потоке, например при флипах, резких разворотах и т.д.).

Большой крутящий момент позволит использовать более тяжелые винты (ценой увеличения потребляемого тока). Если на мотор с небольшим крутящим моментом поставить слишком тяжелый проп, тогда ему не хватит «сил» вращать его с нормальной скоростью, в результате будет низкая эффективность работы и перегрев мотора.

Недостаток моторов с высоким крутящим моментом — колебания/вибрации. Такой мотор может менять обороты очень быстро, в результате ошибка в PID регуляторе может усиливаться и накапливаться (англ), что вызовет колебания всего коптера, от которых будет сложно избавиться настройкой ПИД коэффициентов, особенно по курсу.

Время реакции

Это время зависит от крутящего момента, чем он выше, тем быстрее реакция. Простой способ измерения — засечь за какое время мотор наберёт макс. обороты.

Время реакции сильно зависит от веса и шага выбранного пропеллера. Помните, атмосфера тут тоже имеет влияние. На уровне моря давление выше, воздух плотнее, т.е. больше молекул воздуха, которые перемещаются винтом для создания тяги. На большой высоте винты будут вращаться быстрее и время реакции на стики будет ниже, но общая тяга тоже снизится (т.к. плотность воздуха ниже).

Температура

Она тоже влияет на моторы, т.к. при большой температуре снижается сила магнитного поля постоянных магнитов ротора, а при очень большой температуре они быстро размагничиваются, что снижает срок службы моторов.

Использование слишком тяжелых пропов и постоянная эксплуатация на больших оборотах может привести к перегреву. Постоянный перегрев ухудшит характеристики магнитов и поэтому конструкция моторов, обеспечивающая хорошее охлаждение, также гарантирует большой срок эксплуатации (конечно если вы не будете падать и ломать моторы).

Уровень вибраций и качество балансировки

Вибрации моторов могут вызвать кучу разных нежелательных побочных эффектов, и скажутся на летных характеристиках коптера.

Если мотор плохо отбалансирован, тогда вибрации могут влиять на PID-контроллер. Такой коптер будет довольно сложно настроить, т.к. частота вибраций зависит от газа.

Плохо отбалансированный мотор генерирует гораздо больше электрического шума, по сравнению с плавно вращающимся. Такие помехи тоже влияют на гироскопы, что снижает возможности коптера ещё больше, а также создают шумы на видео (если FPV оборудование питается от того же аккумулятора, что и моторы, а так бывает в 99% случаев, прим. перев).

Многие пилоты используют демпферы и антивибрационное крепление моторов и полётного контроллера, это позволяет снизить уровень вибраций и дает неплохие результаты.

Помните, что поврежденный, погнутый или несбалансированный пропеллер также создает нежелательные вибрации.

Особенности моторов для квадрокоптеров

Очень много параметров влияют на характеристики мотора, они могут быть очень сложными и противоречивыми. Например, моторы с одинаковым размером статора и KV, могут давать совершенно разную тягу, потреблять разный ток и по-разному реагировать на стики, всё это даже при использовании одинаковых пропеллеров. Отличия в дизайне, материалах, это тоже важно.

Ниже я покажу вам разные конструктивные особенности, которые влияют на основные характеристики моторов.

Вал

Конструкция вала постоянно меняется. Раньше это был алюминиевый пруток, затем производители стали делать вал полым, а вместо алюминия стал использоваться титан. Вес примерно такой же, но вал получился жёстче и прочнее. Однако, сверление отверстия строго по центру титанового вала заметно увеличило стоимость производства.

В последнее время всё чаще используется другой вариант: стальной штырь внутри трубки.

Магниты в бесколлекторных моторах

Магниты различаются по силе магнитного поля, например: N52, N54 и т.д. Чем больше число, тем сильнее магнит.

Более сильные магниты теоретически дадут больший крутящий момент и высокую эффективность.

При повороте мотора руками вы почувствуете «щелчки» или «шаги», чем отчетливее они ощущаются, тем хуже, т.к. это показывает силу магнитного поля и то, на сколько она слабая между магнитами, т.к. поле очень неравномерно. Если «щелчки» более слабые, то мотор будет вращаться плавнее.

При определенной температуре магниты ослабевают, N52H нужны чтобы справиться с высокой температурой. Буква H в конце, означает высокую рабочую температуру. Говорят, что N52SH в этом плане ещё лучше, но в настоящее время не известно на сколько N52SH лучше N52H и N52.

Есть вероятность, что при аварии или от вибрации магниты вообще оторвутся. Их можно приклеить обратно клеем Loctit 438.

Толщина пластин статора (lamination)

Статор собирается из отдельных пластин, чем меньше толщина пластины, тем больше их требуется для сборки статора.

Если кратко, то чем тоньше пластины, тем лучше. Сборный статор позволяет снизить вихревые токи (токи Фуко), из-за которых меняется магнитное поле и выделяется лишнее тепло. Тем тоньше пластины, тем меньше энергии тратится на вихревые токи (из-за которых появляются нежелательные магнитные поля), а мотор получается более эффективным и мощным.

Воздушный зазор (air gap)

Воздушный зазор между ротором и статором. С увеличением расстояния магнитное поле ослабевает нелинейно, так что уменьшение этого зазора заметно увеличивает мощность мотора.

Небольшой зазор не только делает мотор более мощным, но и увеличивает крутящий момент и уменьшает время реакции. Недостаток небольшого зазора: увеличение потребляемого тока и уменьшение эффективности. Ну и появляются опасения на счет долговечности, т.к. при ударе по колоколу, может сместится ротор, который заденет статор, в результате чего магниты могут отвалиться или вообще разрушиться.

Форма магнитов — изогнутые магниты

Использование изогнутых магнитов, позволяет уменьшить расстояние до статора, т.к. зазор становится одинаковым по всей длине магнитов.

Фактически это означает, что точка с самым сильным магнитным полем теперь находится не на поверхности магнита (как у прямоугольных).

«Эпицентр» магнитного поля с внешней стороны будет ниже поверхности, а с внутренней стороны — над поверхностью. Т,е. получается что магнитные поля постоянных магнитов и электромагнитов сближаются без уменьшения воздушного зазора.

Помимо формы магнитов, некоторые производители экспериментируют с их толщиной, иногда более тонкие магниты (с более слабым магнитным полем) дают лучший результат.

Стопорное кольца / стопорный винт

Чтобы зафиксировать вал на основании мотора, производители используют либо стопорное кольцо, либо винт. У каждого способа есть как достоинства, так и недостатки, сложно сказать, что лучше.

Крепление вала стопорным кольцом и винтом

В общем и целом, использование винтика упрощает обслуживание мотора, т.к. его легче открутить, чем снять и поставить стопорное кольцо. При использовании винта есть риск перетянуть его и тогда вал будет вращаться с доп. усилием.

Были и случаи отстрела стопорных колец прямо во время полета, при этом колокол сразу улетает в сторону, а коптер падает. Однако, и с винтами такое тоже случается.

Открытый или закрытый низ мотора?

Нижняя часть мотора (основание) может быть сделана в «традиционном», закрытом стиле или в более новом, открытом. У обоих вариантов есть и плюсы, и минусы.

Открытый низ мотора

Закрытый низ мотора

У моторов с закрытым низом более прочное основание, однако если низ открытый, то и вес меньше, разница около 2 грамм.

В мотор с закрытым низом реже попадает грязь, но открытые моторы легче чистить.

Если низ открытый, то хорошо видны крепежные винты, поэтому шанс закоротить обмотки ниже (чаще всего коротят обмотки новички, если у моторов закрытый низ).

В мотор с открытым низом легко попадает грязь, но такие моторы легче чистить

Однако, закрытый низ лучше защищает обмотки от повреждения.

Форма кольца для фиксации магнитов

Внутри колокола есть кольцо для фиксации магнитов. Сам колокол обычно изготавливают из алюминия, а кольцо — из стали, т.к. оно должно взаимодействовать с магнитным полем.

В современных моторах это не просто кольцо, его форма специально разрабатывается для оптимизации магнитного поля и увеличения крутящего момента.

«PoPo» — способ крепления пропеллеров

«Pop on Pop off» (PoPo) — это вал, в котором есть подпружиненные шарики для быстрой установки пропеллера. Более подробно (англ).

Прочие фишки

  • Контактные площадки для пайки
  • Интегрированные регуляторы скорости
  • Дизайн системы охлаждения

Производители моторов постоянно экспериментируют как с дизайном, так и с интеграцией с другим железом, это ведет к улучшению системы охлаждения и даже интеграции регуляторов в моторы. Лично я считаю, что контактные площадки для пайки проводов питания довольно удобны, они позволят вам использовать более тонкий провод там, где не нужны большие токи, а значит сэкономят вес. В случае обрыва провода ремонт тоже упрощается.

Моторы прямого и обратного вращения (CW и CCW)

Иногда можно встретить маркировку «CW» и «CCW», что расшифровывается как “ClockWise” (по часовой стрелке) и “Counter-ClockWise” (против часовой стрелки).

Направление вращения важно для коллекторных моторов, т.к. щетки очень быстро стираются при вращении в обратную сторону, у бесколлекторных моторов такой проблемы нет.

CW и CCW бесколлекторные моторы это как правило полностью одинаковые моторы, единственное их отличие — направление резьбы на валу (англ).

Моторы на квадрокоптере вращаются в разных направлениях, важно то, что при их вращении все 4 гайки удерживающие винты сами затягиваются.

Как проверить, что вы поставили мотор с нужной резьбой? Просто держитесь за гайку на валу, и начните вращать мотор в том направлении, в котором он должен вращаться на коптере. Если гайка затягивается, тогда вы правильно выбрали направление резьбы 🙂

Лично я предпочитаю использовать одинаковую резьбу на всех моторах, так что никогда не запутаюсь с гайками. Когда придется искать дополнительные гайки в магазинах, вы поймете, как сложно найти гайки с левой резьбой.