Немного о пропеллерах и моторах для новичков. — Паркфлаер

Мотор

От того какие моторы вы будете использовать в своей сборке, будет зависеть, какую максимальную нагрузку сможет поднять дрон, а также сколько времени он сможет находиться в полёте. Силовая установка должна обязательно состоять из моторов одной марки и модели, такой подход обеспечит ей сбалансированную работу.

Brushed vs brushless

В коллекторных (Brushed) моторах ротор с обмоткой вращается внутри статора на котором магниты зафиксированы жёстко. В бесколлекторных (Brushless) моторах всё на оборот; обмотка крепится жёстко к внутренней части статора, а магниты установлены на валу и вращаются. В большинстве случаев вы будете рассматривать только бесколлекторные моторы (БК) постоянного тока. Моторы такого типа широко используются в индустрии радиолюбителей при сборке различных продуктов, начиная от вертолётов и самолётов и заканчивая системами привода в автомобилях и катерах.

Бесколлекторные моторы типа «Pancake» имеют больший диаметр, они более плоские и как правило имеют высокий крутящий момент и более низкое значение KV (детали ниже). В БПЛА небольших размеров (обычно размером с ладонь) чаще всего используют маленькие коллекторные моторы из-за более низкой цены и простого двухпроводного контроллера. Несмотря на то, что бесколлекторные моторы могут быть разных размеров и иметь разные характеристики, выбор меньшего размера совсем не означает, что будет дешевле.

Inrunner vs outrunner

Существует несколько типов бесколлекторных моторов постоянного тока:

• Inrunner – внутренний ротор. Обмотка зафиксирована на статоре, магниты установлены на валу ротора, который вращается (как правило используются на радиоуправляемых лодках, вертолётах и автомобилях из-за высокого KV).
• Outrunner – наружный ротор. Магниты зафиксированы на статоре, который вращается вокруг неподвижной обмотки. Нижняя часть мотора зафиксирована. (как правило, у моторов такого типа больше крутящего момента).
• Hybrid Outrunner – технически это «Outrunner», но реализованный в корпусе «Inrunner». Такой подход позволил объединить в одном типе крутящий момент «Outrunner» и отсутствие внешних вращающихся элементов как у моторов типа «Inrunner».

Kv

Рейтинг KV – макс. число оборотов, которое может развить мотор без потери в мощности при заданном напряжении. Для большинства многороторных БЛА актуально низкое значение KV (например, от 500 до 1000), поскольку это способствует обеспечению стабильности. В то время как для акробатического полёта будет актуальным значение KV между 1000 и 1500, в тандеме с несущими винтами (пропеллерами) меньшего диаметра. Допустим, значение KV для конкретного мотора составляет 650 об/вольт, то при напряжении в 11.1В мотор будет вращаться со скоростью: 11.1 × 650 = 7215 об/мин, а если вы будете использовать мотор при более низком напряжении (скажем, 7.4В), то частота вращения составит: 7.4 × 650 = 4810 об/мин. При этом важно отметить, что использование низкого напряжения, как правило означает, что потребление тока будет выше (Мощность = Ток × Напряжение).

Тяга

Некоторые производители бесколлекторных моторов могут указывать в спецификации информацию о максимально возможной тяге (Thrust) создаваемой мотором в купе с рекомендуемым несущим винтом. Единицей измерения тяги, как правило, являются килограмм (Кг/Kg), фунт (Lbs) или Ньютон (N). Например, если вы строите квадрокоптер и вам известно, значение тяги отдельно взятого мотора = до 0.5кг в купе с 11-дюймовым несущим винтом, то на выходе четыре таких мотора смогут поднять на максимальной тяге: 0.5кг × 4 = 2кг. Соответственно, если общий вес вашего квадрокоптера составляет чуть менее 2кг, то c такой силовой установкой он будет взлетать только на максимальных оборотах (макс. тяге). В данном случае будет актуальным, либо выбрать более мощную связку «мотор несущий винт», которые позволят обеспечить большую тягу, либо уменьшить общую массу беспилотника. При макс. тяге силовой установки = 2кг, вес дрона должен составлять не более половины этого значения (1кг, включая вес самих моторов). Аналогичный расчёт можно сделать для любой конфигурации. Предположим, что вес гексакоптера (включая раму, моторы, электронику, аксессуары и т.д.) составляет — 2.5кг. Значит каждый двигатель для такой сборки должен обеспечивать (2.5кг ÷ 6 моторов) × 2 = 0.83кг тяги (или более). Теперь вы знаете как рассчитать оптимальную тягу моторов исходя из общего веса, но прежде чем принимать решение, предлагаем ознакомиться с разделами ниже.

Дополнительные соображения

• Разъёмы: у коллекторных моторов постоянного тока доступно два разъёма « » и «-». Смена проводов местами меняет направление вращения мотора.
• Разъёмы: бесколлекторные моторы постоянного тока имеют три разъёма. Чтобы узнать как их подключить, а также как изменить направление вращения, обратитесь к разделу «ESC» ниже.
• Обмотки: обмотки влияют на KV моторов. Если вам необходимо наиболее низкое значение KV, но при этом в приоритете крутящий момент, будет лучшим обратить своё внимание на бесколлекторные моторы постоянного тока типа «Pancake».
• Монтаж: у большинства производителей есть общая схема монтажа для БК моторов постоянного тока, которая позволяет компаниям, производящим рамы не прибегать к изготовлению так называемых адаптеров. Шаблон как правило метрический, с двумя отверстиями разнесёнными на 16мм друг от друга, и ещё двумя отверстиями, разнесёнными на 19мм (под углом 90° к первому).
• Резьба: монтажная резьба, используемая для крепления бесколлекторного мотора к раме, может варьироваться. Обычные метрические размеры винтов М1, М2 и М3, имперские размеры могут быть 2-56 и 4-40.

Несущие винты (Пропеллеры)

Несущие винты (пропеллеры, сокр. пропы) для многороторных БЛА берут своё начало от винтов радиоуправляемых самолётов. Многие спросят: почему бы не использовать лопасти вертолёта? Несмотря на то, что это уже было сделано, представьте себе размеры гексакоптера с лопастями от вертолёта. Также стоит отметить, что вертолётная система требует изменения шага лопастей, а это существенно усложняет конструкцию.

Вы также можете спросить, почему бы не использовать турбореактивный двигатель, турбовентиляторный двигатель, турбовинтовой двигатель и т.д? Безусловно они невероятно хороши для обеспечения большой тяги, но при этом требуют большое количество энергии.

Лопасти и диаметр

Несущие винты большинства мультироторных БЛА имеют две, либо три лопасти. Наибольшее применение получили винты с двумя лопастями. Не думайте, что добавление большего количества лопастей автоматически приведёт к увеличению тяги; каждая лопасть работает в потоке, возмущенном предыдущей лопастью, снижая КПД пропеллера. Несущий винт малого диаметра имеет меньшую инерцию и следовательно его легче ускорять и замедлять, что актуально при акробатическом полёте.

Шаг/угол атаки/эффективность/тяга

Тяга, создаваемая несущим винтом, зависит от плотности воздуха, числа оборотов винта, его диаметра, формы и площади лопастей, а также от его шага. Эффективность винта связана с углом атаки, который определяется как шаг лопасти минус угол спирали (угол между результирующей относительной скоростью и направлением вращения лопасти). Сама эффективность — это отношение выходной мощности к входной. Большинство хорошо спроектированных винтов имеют КПД более 80%. На угол атаки влияет относительная скорость, поэтому пропеллер будет иметь разную эффективность при разных скоростях мотора. На эффективность также сильно влияет передний край лопасти несущего винта, и очень важно, чтобы он был максимально гладким. Несмотря на то, что конструкция с переменным шагом была бы наилучшей, дополнительная сложность, необходимая по сравнению с присущей многороторной простотой, означает, что пропеллер с переменным шагом почти никогда не используется.

Вращение

Несущие винты рассчитаны на вращение по часовой стрелке (CW), либо против часовой стрелки (CCW). На направление вращения указывает наклон лопасти (смотреть на пропеллер с торца). Если правая кромка лопасти выше — CCW, если левая кромка — CW. Если конструкция вашего беспилотника подразумевает перевёрнутое расположение моторов (как в случае с конфигурациями Vtail, Y6, X8) обязательно измените направление вращения несущих винтов, чтобы тяга была направлена вниз. Лицевая сторона несущего винта всегда должна быть обращена к небу. Документация которая идёт с контроллером полёта как правило содержит информацию о направлении вращения каждого винта, для каждой поддерживаемой контроллером многомоторной конфигурации.

Материалы исполнения

Материал(ы), используемые для изготовления несущих винтов (пропеллеров), могут оказывать умеренное влияние на лётные характеристики, но безопасность должна быть главным приоритетом, особенно, если вы новичок и не опытны.

• Пластмасса (ABS/Нейлон и т.д.) — является самым популярным выбором, когда речь заходит о многомоторных БЛА. Во многом это связано с низкой стоимостью, достойными лётными характеристиками и показательной долговечностью. Как правило в случае краша, по крайней мере, один пропеллер оказывается сломанным, и пока вы осваиваете дрон и учитесь летать, у вас всегда будет много сломанных пропов. Жёсткость и ударопрочность пластикового винта может быть улучшена посредством усиления углеродным волокном (карбон), такой подход макс. результативен и не так дорог по сравнению с винтом полноценно исполненным и карбона.

• Фиброармированный полимер (углеродное волокно, нейлон усиленный карбоном и т.д.) — является «передовой» технологией во многих отношениях. Детали из углеродного волокна всё ещё не очень просты в изготовлении, и поэтому вы платите за них больше, чем за обычный пластиковый винт с аналогичными параметрами. Пропеллер изготовленный из углеродного волокна сложнее сломать или согнуть, и, следовательно, при краше, он нанесёт больший ущерб всему, с чем соприкоснётся. Одновременно с этим, карбоновые винты, как правило, хорошо сделаны, более жёсткие (обеспечивают минимальные потери в эффективности), редко требуют балансировки и имеют более лёгкий вес по сравнению с любыми другими материалами исполнения. Такие винты рекомендуется рассматривать только после того, как уровень пилотирования пользователя станет комфортным.

• Дерево — редко используемый материал для производства несущих винтов многороторных БЛА, поскольку для их изготовления требуется механическая обработка, которая в последствии делает деревянные пропеллеры дороже пластиковых. При этом дерево вполне прочное и никогда не гнётся. Отметим, что деревянные пропеллеры всё ещё применяют на радиоуправляемых самолётах.

Складные

Складные пропы имеют центральную часть, которая соединяется с двумя поворотными лопастями. Когда центр (который соединен с выходным валом мотора) вращается, центробежные силы действуют на лопасти, выталкивая их наружу и по существу делая пропеллер «жёстким», с тем же эффектом, что и классический не складываемый винт. Из-за низкого спроса и большого количества требуемых деталей, складные пропеллеры встречаются реже. Основное преимущество складных пропов это компактность, а в сочетании со складной рамой, транспортировочные размеры дрона могут быть значительно меньше полётных. Сопутствующим преимуществом складного механизма является отсутствие необходимости, при краше, менять винт целиком, достаточно будет заменить только повреждённую лопасть.

Установка

Как и БЛА, несущие винты могут имеют широкий диапазон размеров. Таким образом, в этой отрасли существует целый ряд «стандартных» диаметров вала двигателя. В связи с чем несущие винты часто поставляются с небольшим набором переходных колец (выглядят как шайбы с отверстиями разного диаметра в центре), которые устанавливают в центральное посадочное отверстие пропа, в случае если диаметр отверстия несущего винта оказался больше диаметра вала используемого мотора. Так как не все разработчики комплектуют пропы набором таких переходных колец, рекомендуется заблаговременно сверять диаметр отверстия приобретаемых пропов с диаметров вала вашего мотора.

Фиксироваться винт на моторе может исходя из того, какой из способов крепления поддерживает ваш мотор. Если вал мотора не подразумевает никаких вариантов крепежа (резьб. соединение, различные приспособления для крепления и т.д.), в таком случае применяются специальные адаптеры, такие как пропсейверы и цанговые зажимы.

Бесколлекторные моторы с наружным ротором (типа «Outrunner») как правило, в верхней его части, имеют несколько резьбовых отверстий рассчитанных под установку различных адаптеров и креплений. Не менее популярным вариантом крепления пропеллера на валу БК мотора является самозатягивающая гайка. Вал такого мотора на конце имеет резьбу, направление которой противоположно направлению вращения ротора. Такой подход исключает самопроизвольное откручивание фиксирующей гайки, обеспечивая безопасную и надежную эксплуатацию дрона.

Защита несущих винтов

Защита несущих винтов – призвана исключить прямой контакт силовой установки БЛА с встречным объектом, сохранив тем самым её целостность и работоспособность, а также не допустить получение травм о быстро вращающиеся пропеллеры в результате столкновения с людьми и животными. Защита пропеллеров крепится к основной раме. В зависимости от варианта исполнения может как частично перекрывать рабочую зону силовой установки, так и полностью (кольцевая защита). Защита винтов чаще всего применяется на небольших (игрушечных) БЛА. Применение в сборке элементов защиты несёт и ряд компромиссов, среди которых:

• Может вызывать избыточную вибрацию.
• Как правило выдерживает не сильные удары.
• Может понизить тягу, если под пропеллером размещено слишком много крепёжных опор.

Балансировка

Неудовлетворительная балансировка имеет место быть у большинства недорогих пропеллеров. Чтобы в этом убедиться, далеко ходить не надо, достаточно вставить в центральное посадочное отверстие винта карандаш (как правило при дисбалансе одна сторона будет тяжелее другой). В связи с чем настоятельно рекомендуется проводить балансировку своих пропов, перед тем как устанавливать их на моторы. Несбалансированный пропеллер будет вызывать избыточные вибрации, которые в свою очередь отрицательно влияют на работу полётного контролера (проявляется в некорректном поведении дрона в полёте), не говоря уже об увеличении шумности, повышенном износе элементов силовой установки и ухудшении качества съёмки подвешенной камеры.

Пропеллер может быть уравновешен разными способами, но если вы строите беспилотник с нуля, то в арсенале инструментов обязательно должен быть недорогой балансир пропеллеров, позволяющий легко и просто определять дисбаланс веса в винте. Для выравнивания веса, вы можете либо отшлифовать наиболее тяжёлую часть пропа (равномерно шлифуется центральная часть лопасти, и не в коем случае не отрезайте часть пропеллера), также можно балансировать путём наклеивания отрезка скотча (тонкий) на более лёгкую лопасть (добавляете отрезки равномерно до тех пор пока не будет достигнут баланс). Обратите внимание, что чем дальше от центра вы делаете балансировочную модернизацию (шлифование или добавление ленты) пропеллера, тем больше будет эффект, основанный на принципе крутящего момента.

Аккумулятор

Химия

Батареи, используемые в беспилотных летательных аппаратах, в настоящее время исключительно литий-полимерный (LiPo), причем состав некоторых из них бывает достаточно экзотичным — литий-марганцевые или другие варианты лития. Свинцовая кислота просто не подходит, а NiMh/NiCd все еще слишком тяжелы для своей ёмкости и часто не могут обеспечить требуемые высокие скорости разряда. LiPo предлагает высокую производительность и скорость разряда при небольшом весе. Недостатками являются их сравнительно высокая стоимость и постоянные проблемы с безопасностью (пожароопасны).

Напряжение

На практике вам потребуется только один аккумулятор для вашего БПЛА. Напряжение этой батареи должно соответствовать выбранным вами БК моторам. Почти все АКБ, используемые в наши дни, основаны на литии и содержат несколько элементов (банок) по 3.7В каждая, где 3.7В = 1S (т.е однобаночная АКБ; 2S – двух баночная и т.д.). Поэтому батарея с маркировкой 4S, вероятно, будет иметь номинальное значение: 4 × 3.7В = 14.8В. Также количество банок поможет вам определить, какое зарядное устройство необходимо использовать. Отметим, что однобаночная батарея большой ёмкости физически может выглядеть как многобаночная батарея низкой ёмкости.

Ёмкость

Ёмкость аккумуляторной батареи измеряется в ампер-часах (Ач). Аккумуляторы небольших размеров могут иметь ёмкость от 0.1Ач (100 мАч), ёмкость АКБ для беспилотных летательных аппаратов среднего размера может варьироваться от 2-3Ач (2000 мАч — 3000 мАч). Чем выше ёмкость, тем дольше время полёта, и соответственно тяжелей АКБ. Время полёта обычного БПЛА может находится в интервале 10-20 минут, что может показаться недолгим, но вы должны понимать, что беспилотник в процессе полёта постоянно борется с гравитацией, и в отличие от самолёта, он не имеет поверхностей (крыльев) обеспечивающих помощь в виде оптимальной подъёмной силы.

Скорость разряда

Скорость разряда от литиевой батареи измеряется в «C», где 1C — ёмкость батареи (обычно в ампер-часах, если вы не рассматриваете дрон размером с ладонь). Скорость разряда большинства LiPo батарей составляет не менее 5C (в пять раз больше ёмкости), но, так как большинство моторов, используемых в мультироторных БЛА, потребляют большой ток, батарея должна иметь возможность разряжаться при невероятно высоком значении тока, который, как правило, составляет порядка 30А или более.

Безопасность

LiPo АКБ не совсем безопасны, так как они содержат газообразный водород под давлением и имеют тенденцию гореть и/или взрываться, когда что-то не так. Таким образом, если у вас есть какие-либо сомнения относительно работоспособности аккумулятора, не в коем случае, не подключайте его к беспилотнику или даже к зарядному устройству — считайте его «списанным» и утилизируйте его надлежащим образом. Контрольные признаки того, что с аккумулятором что-то не так это вмятины или вздутие (т.е. утечка газа). При зарядке LiPo батареи лучше всего использовать безопасные LiPo ящики (Battery safe box). Хранение батареи также лучше осуществляться в этих ящиках. В случае краша, первое, что вам нужно сделать, это отключить и проверить аккумулятор. Батарея исполненная в боксе может увеличить вес, но при этом реально поможет защитить АКБ при краше. Некоторые производители продают аккумуляторы с жестким чехлом и без него.

Зарядка

Большинство LiPo аккумуляторов имеют два разъема: один предназначен для использования в качестве основных «разрядных» проводов, способных выдерживать большой ток, а другой, обычно меньшего размера и короче, является разъёмом для зарядки (как правило белый JST разъём), в котором один контакт соответствует заземлению, а остальные, количеству банок АКБ. Его вы подключаете к зарядному устройству, посредством которого осуществляется зарядка (и балансировка) каждой банки батареи. Зарядное устройство обязательно должно сообщать, когда зарядка завершена, и, учитывать проблемы безопасности связанные с литий-полимерными батареями. После окончания процесса зарядки, лучше всего сразу отсоединять аккумулятор от зарядного устройства.

Монтаж

Аккумуляторная батарея является самым тяжелым элементом беспилотника, поэтому её следует устанавливать в центральной мёртвой точке, чтобы обеспечить одинаковую нагрузку на моторы. Аккумуляторная батарея не подразумевает какого-либо специального монтажа (особенно саморезы, которые могут повредить LiPo и вызвать возгорание), поэтому некоторые используемые сегодня методы монтажа включают в себя ремни на липучке, резиновые, пластиковые отсеки и другие. Самым распространённым вариантом монтажа АКБ является подвешивание батареи под рамой с помощью ремня с липучкой.

Немного о пропеллерах и моторах для новичков.