Бесщеточные двигатели: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Это руководство представляет собой руководство / обзор моторной технологии, лежащей в основе современных моторов квадрокоптеров для энтузиастов. Просто чтобы показать вам, на что способны квадрокоптеры, посмотрите это потрясающее видео. (Следите за громкостью. Он становится очень громким) Вся заслуга принадлежит первоначальному издателю видео.

Шаг 1. Терминология

Большинство бесщеточных двигателей обычно обозначается двумя наборами чисел; например: Hyperlite 2207-1922KV. Первый набор цифр относится к размеру статора двигателя в миллиметрах. Статор этого двигателя имеет ширину 22 мм и высоту 7 мм. Старые фантомы DJI использовали 2212 моторов. Размеры статора обычно следуют тенденции:

Более высокий статор обеспечивает более высокую производительность (более высокие диапазоны оборотов)

Более широкий статор обеспечивает более высокую производительность на нижнем конце (более низкие диапазоны оборотов)

Второй набор цифр - это номинальная мощность двигателя в киловольтном пространстве. Номинальное значение KV двигателя - это константа скорости этого конкретного двигателя, что в основном означает, что двигатель будет создавать обратную ЭДС 1 В, когда двигатель вращается с этой частотой вращения, или будет вращаться при ненагруженной частоте вращения KV, когда приложено 1 В.. Например: этот двигатель в паре с липо 4S будет иметь номинальную номинальную скорость вращения 1922x14,8 = 28, 446 об / мин.

На самом деле двигатель может не достичь этой теоретической скорости из-за нелинейных механических потерь и резистивных потерь мощности.

Шаг 2. Основы

Электродвигатель развивает крутящий момент за счет чередования полярности вращающихся электромагнитов, прикрепленных к ротору, вращающейся части машины и неподвижных магнитов на статоре, который окружает ротор. Один или оба набора магнитов представляют собой электромагниты, состоящие из катушки с проволокой, намотанной на ферромагнитный сердечник. Электричество, проходящее через проволочную обмотку, создает магнитное поле, обеспечивающее питание двигателя.

Номер конфигурации сообщает вам, сколько электромагнитов на статоре и количество постоянных магнитов на роторе. Число перед буквой N показывает количество электромагнитов в статоре. Число перед буквой P показывает, сколько постоянных магнитов находится в роторе. Большинство бесколлекторных двигателей Out-Runner соответствуют конфигурации 12N14P.

Шаг 3: Электронный регулятор скорости

ESC - это устройство, которое преобразует электричество постоянного тока от батареи в переменный ток. Он также принимает данные, вводимые полетным контроллером, для регулирования скорости и мощности двигателя. Для этого обмена данными существует несколько протоколов. Первичные аналоговые: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 и Multishot. Но они стали устаревшими для квадрокоптеров, когда появились новые цифровые протоколы под названием Dshot. У него нет проблем с калибровкой аналоговых протоколов. Поскольку в качестве информации передаются цифровые биты, сигнал не прерывается изменяющимися магнитными полями и скачками напряжения, в отличие от их аналогов. Dhsot на самом деле не намного быстрее Multishot до DShot 1200 и 2400, которые на данный момент могут работать только на нескольких ESC. Реальные преимущества Dshot заключаются, прежде всего, в возможности двусторонней связи, в частности, в способности отправлять данные комнаты обратно в FC для использования при настройке динамических фильтров и в возможности делать такие вещи, как режим черепахи (временно перевернуть ESC, чтобы перевернуть четырехугольник). если он застрял в перевернутом виде). ESC в основном состоит из 6 МОП-транзисторов, по 2 на каждую фазу двигателя и микроконтроллера. МОП-транзистор в основном меняет полярность на определенную частоту, чтобы регулировать частоту вращения двигателя. У ESC есть номинальный ток, так как это максимальная сила тока, которую ESC может выдерживать в течение длительных периодов времени.

Шаг 4: эффективность

(Многопроволочный: Фиолетовый мотор Однониточный: Оранжевый мотор)

Проволока:

Многожильные провода могут вместить больше меди в заданной области по сравнению с одним толстым проводом, намотанным вокруг статора, поэтому напряженность магнитного поля немного выше, но общая потребляемая мощность двигателя ограничена из-за тонких проводов (учитывая, что многожильный двигатель сконструирован без пересечения проводов, что маловероятно из-за качества изготовления). Более толстый провод может пропускать больший ток и обеспечивать более высокую выходную мощность по сравнению с многожильным двигателем такой же конструкции. Сложнее построить правильно сконструированный многожильный двигатель, поэтому большинство качественных двигателей построены с использованием одножильного провода (для каждой фазы). Небольшие преимущества многопроволочной разводки легко превосходит качество изготовления и посредственный дизайн, не говоря уже о том, что существует гораздо больше возможностей для неудач, если какой-либо из тонких проводов перегреется или короткое замыкание. Однопроволочная проводка не имеет этих проблем, поскольку имеет гораздо более высокий предел тока и минимальное количество точек короткого замыкания. Таким образом, с точки зрения надежности, стабильности и эффективности одножильные обмотки лучше всего подходят для бесколлекторных двигателей квадрокоптеров.

P. S. Одна из причин того, что многожильные провода хуже подходят для некоторых конкретных двигателей, заключается в скин-эффекте. Скин-эффект - это тенденция переменного электрического тока к распределению внутри проводника, так что плотность тока максимальна у поверхности проводника и уменьшается с увеличением глубины проводника. Глубина скин-эффекта зависит от частоты. На высоких частотах глубина скин-слоя становится намного меньше. (В промышленных целях литц-проволока используется для противодействия повышенному сопротивлению переменному току из-за скин-эффекта и экономии денег). Этот скиннинг-эффект может заставить электроны прыгать по проводам внутри каждой группы катушек, эффективно замыкая их друг на друга. Этот эффект обычно возникает, когда двигатель влажный или работает на высоких частотах более 60 Гц. Эффект скиннинга может вызвать вихревые токи, которые, в свою очередь, создают горячие точки внутри обмотки. Вот почему использование провода меньшего диаметра не идеально.

Температура:

Постоянные неодимовые магниты, используемые для бесщеточных двигателей, довольно сильные, они обычно варьируются от N48 до N52 с точки зрения магнитной силы (чем выше, тем сильнее N52, насколько мне известно). Неодимовые магниты типа N постоянно теряют часть своей намагниченности при температуре 80 ° C. Магниты с намагниченностью N52 имеют максимальную рабочую температуру 65 ° C. Интенсивное охлаждение не вредит неодимовым магнитам. Рекомендуется никогда не перегревать двигатели, так как эмалевый изоляционный материал на медных обмотках также имеет температурный предел, и если они расплавятся, это может вызвать короткое замыкание, сгорающее двигатель или, что еще хуже, ваш полетный контроллер. Хорошее практическое правило заключается в том, что если вы не можете удерживать двигатель в течение очень длительного периода времени после короткого полета в течение 1-2 минут, вы, вероятно, перегреваете двигатель, и эта настройка не будет жизнеспособной для длительного использования.

Шаг 5: Затяните

Так же, как есть постоянная скорость двигателя, есть постоянный крутящий момент. На изображении выше показана взаимосвязь между постоянной крутящего момента и постоянной скорости. Чтобы найти крутящий момент, вы просто умножаете постоянную крутящего момента на ток. Интересная особенность крутящего момента в бесщеточных двигателях заключается в том, что из-за резистивных потерь в цепи между батареей и двигателем соотношение между крутящим моментом и KV двигателя не так напрямую связано, как предполагает уравнение. На прилагаемом изображении показано фактическое соотношение между крутящим моментом и KV при различных оборотах. Из-за добавленного сопротивления всей цепи% изменение сопротивления не эквивалентно% изменения KV, и поэтому зависимость имеет странную кривую. Поскольку изменения не пропорциональны, вариант двигателя с более низким KV всегда имеет больший крутящий момент до тех пор, пока не будет достигнута определенная высокая частота вращения, когда запас по частоте вращения двигателя с высоким KV берет верх и создает больший крутящий момент.

Основываясь на уравнении, KV изменяет только ток, необходимый для создания крутящего момента, или, наоборот, количество крутящего момента, создаваемого определенной величиной тока. Способность двигателя создавать крутящий момент зависит от таких факторов, как сила магнита, воздушный зазор, площадь поперечного сечения обмоток. По мере увеличения числа оборотов в минуту резко возрастает ток, в первую очередь из-за нелинейной зависимости между энергией и числом оборотов в минуту.

Шаг 6: Дополнительные функции

Моторный колокол - это часть мотора, которая получит наибольшее количество повреждений в судне, поэтому обязательно, чтобы он был сделан из лучшего материала для этой цели. Самые дешевые китайские моторы сделаны из алюминия 6061, который легко деформируется при сильной аварии, поэтому во время полета держитесь подальше от асфальта. В более премиальной стороне двигателей используется алюминий 7075, который обеспечивает гораздо большую прочность и более длительный срок службы.

Недавняя тенденция в двигателях квадрокоптеров - иметь полый титановый или стальной вал, поскольку он легче сплошного вала и имеет большую конструктивную прочность. По сравнению со сплошным валом полый вал имеет меньший вес при данной длине и диаметре. Кроме того, рекомендуется использовать полые валы, если мы делаем упор на снижение веса и сокращение затрат. Полые валы намного лучше воспринимают скручивающие нагрузки по сравнению со сплошными валами. Кроме того, титановый вал не снимается так же легко, как стальной или алюминиевый вал. Закаленная сталь может быть лучше с точки зрения функциональной прочности, чем некоторые из титановых сплавов, обычно используемых в этих полых валах. Это действительно зависит от конкретных обсуждаемых сплавов и используемой техники закалки. Если принять во внимание наилучшие условия для обоих материалов, титан будет легче, но немного более хрупким, а закаленная сталь будет прочнее, но немного тяжелее.

Шаг 7: ссылки / ресурсы

Для чрезвычайно подробного тестирования и обзора конкретных двигателей квадрокоптеров посетите EngineerX на YouTube. Он публикует подробную статистику и стендовые испытания моторов с различными гребными винтами.

Для получения интересных теорий и другой дополнительной информации о мире FPV-гонок / фристайла смотрите KababFPV. Он один из величайших людей, которых нужно слушать для образовательных и интуитивных дискуссий о технологии квадрокоптеров.

www.youtube.com/channel/UC4yjtLpqFmlVncUFE…

Наслаждайтесь этим фото.

Спасибо за посещение.