Как выбрать двигатели для квадрокоптера

Цель этой статьи — помочь в выборе подходящих двигателей для самостоятельной постройки квадрокоптера или модификации. Независимо от того, нужен ли вам скоростной дрон для гонок, и занятий FPV фристайлом, стабильный в полете для проведения аэросъёмок или хочется просто занять ребёнка на выходные недорогой игрушкой, знание основных параметров и характеристик электромоторов не помешает в любом случае.

Вот о чём пойдёт речь:

• Введение. Масса квадрокоптера и тяга моторов.
• Размеры двигателя.
• Несколько слов о kV.
• Значения N и P.
• Соотношение размеров рамы, пропеллеров и мощности двигателя
• Как расшифровать спецификацию мотора
• Основные показатели работы двигателей
• Дополнительные параметры эффективности
• Особенности двигателей для мини квадрокоптеров
• Моторы CW и CCW
• Балансировка двигателей квадрокоптера
• С чего начать, если ищете подходящие моторы для квадрокоптера.

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.

Цифры N и P в обозначениях двигателей

Возможно, вы уже видели нечто наподобие «12N14P», напечатанное на корпусе бесщеточного двигателя для квадрокоптера. Код легко расшифровывается: число перед буквой N означает количество электромагнитов в статоре, а число между N и P — это количество используемых постоянных магнитов.

Большинство моторов для беспилотников имеют стандартную конфигурацию 12N14P. Некоторые двигатели с более низким kV оснащены большим числом электромагнитов и постоянных магнитов, чтобы повысить крутящий момент. Обычно они стоят немного дороже. В любом случае не следует придавать большого значения цифрам N и P. Полезно знать, что это такое, но при выборе подходящего двигателя, особенно для мини квадрокоптеров, это не самая важная информация.

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.

Напряжение и ток

Важно понимать, как именно напряжение питания влияет на ваш выбор мотора и пропеллера. Чем больше напряжение, тем быстрее будет вращаться вал и намного выше сила тока. Необходимо тщательно сопоставить эти два параметра для получения необходимой тяги.

Когда вы хорошо представляете себе, какие именно двигатели нужны и каково будет значение тяги, будет несложно подобрать соответствующие им регуляторы оборотов ESC.

Как читать характеристики двигателя

У каждого двигателя есть спецификация, которую предоставляет продавец или изготовитель. Для правильного выбора нужно уметь найти среди большого количества параметров информацию о мощности, тяге, оборотах и весе мотора, которые имеют первостепенное значение. Например, технические данные популярной модели моторов Sunny Sky могут выглядеть так:

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.

Другие особенности конструкции

Такие детали конструкции двигателя, как контакты для пайки, встроенный регулятор ESC или специальный охлаждающий кожух-радиатор делают современные силовые агрегаты для квадрокоптеров более мощными и надёжными, но при этом могут увеличить размер и вес.

Уменьшение воздушного зазора и применение более сильных магнито также может иметь негатвные последствия. Из-за этого нельзя использовать высокое напряжение питания, такое как 5S или 6S, не рискуя сжечь ваш беспилотник, потому что сила тока будет просто запредельной и провода начнут плавиться.

Значительный рост потребляемой мощности также будет заметен в результате использовании более тяжёлых пропеллеров, повышении общей полётной массы и потребности в более мощных регуляторах ESC.

CW и CCW – вращение по часовой и против часовой стрелки

В маркировке двигателей или спецификации часто применяют сокращения CW и CCW. Они обозначают «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки».

Это не означает, что они могут вращаться только в одном направлении. По сути, они являются одинаковыми и могут работать в обоих направлениях. Единственная разница в двигателе CW и CCW — это направление, в котором крутится вал пропеллера. Идея заключается в том, чтобы всегда использовать два двигателя CW и два CCW. При вращении все четыре опорные гайки затягиваются, а не ослабляются.

Чтобы определить, соответствует ли резьба вашего двигателя пропеллеру, слегка наденьте его на вал, а затем рукой проверните мотор в направлении рабочего вращения. Если гайка затягивается, значит, все получилось правильно.

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