Будова квадрокоптера. Безколекторні мотори

outrunner-motor

Продовжуємо цикл постів із серії “Квадрокоптер для чайників”. Сьогодні мова про мотори. В попередній публікації я трішки вже про них написав, сьогодні опишу це все детальніше.

Безколекторні двигуни зробили революцію в багатьох сферах їх застосування – починаючи з гібридних автомобілів і закінчуючи радіокерованими квадрокоптерами. Безколекторні двигуни мають ККД (коефіцієнт корисної дії) близько 93% і розвивають шалену потужність. Давайте спробуємо вникнути у фізичні аспекти безколекторних двигунів і зрозуміти, як вони працюють.

motor1

Електромотори. Все про магніти

Електромотори працюють завдяки магнітному полю. У електромоторах використовуються два типи магнітів, званих постійними і електромагнітами, які притягуються і відштовхуються від один одного. Постійний магніт, як випливає з його назви, утворює магнітне поле постійно.  Електромагніт створює магнітне поле тільки при подачі електричного струму на його обмотки. У кожного магніту є два полюси: південний (позитивний) і північний (негативний). Протилежні полюси притягуються один до одного, однойменні – відштовхуються.

Магніти в моторі розташовані таким чином, що б завдяки притягуванню і відштовхуванню одного магніту від іншого приводився до руху вал двигуна. Для підтримки обертання магнітне поле принаймні однієї групи магнітів має обертатися разом з мотором. Обертання магнітного поля – це основа. Існує два способи створення обертового магнітного поля в електричних моторах: електронний (безколекторні двигуни) або механічний (колекторні двигуни). У колекторних двигунах магнітне поле змінюється механічно за допомогою якоря і щіток, що ковзають по колектору. При цьому відбувається циклічна зміна струму, що протікає через електромагнітні кільця, зі зворотного на прямий і навпаки, завдяки чому напрямок магнітного поля змінюється кожного разу при зміні напрямку струму.

brush-motor-scheme

 

Основна перевага колекторних моторів – можливість контролю швидкості обертання за допомогою найпростішого змінного резистора. Недоліками колекторних моторів є відносно низький ККД і необхідність регулярного обслуговування через тертя і знос щіток.

У безколекторних двигунах зміна магнітного поля відбувається за допомогою регулятора ходу (ESC). Постійний магніт, закріплений на обертовому роторі (in-runner), або на обертовому дзвоні (out-runner), притягує кожну фазу, що забезпечує його обертання разом з його магнітним полем.

outrunner-motor-1

Для того, щоб обертове магнітне поле було у фазі з коректним магнітом на роторі, ESC повинен визначити положення та швидкість обертання ротора. Найбільш поширеними є два методи отримання цих даних.

Перший – ґрунтується на використанні оптичних або магнітних датчиків (датчики Холла), на зразок тих, які використовуються в нітродвигунах (гувурнерах).

Другий метод (без використання сенсорів) – для визнвчення положення ротора і швидкості його обертання передбачає виконання реєстрації зворотніх електромагнітних полів (back electromagnetic field pulses – EMF), що генеруються під час кожної з трьох фаз.

Обидва методи мають свої переваги і недоліки, але нас цікавить другий, оскільки саме він є найбільш поширеним в коптеробудуванні :)

uav-brushless-motor-mt2212-1100kv

 

Зворотні електромагнітні поля. Відмінності між моторами і генераторами не існує.

Перед поясненням принципу роботи безколекторних моторів без датчиків, нам необхідно обговорити зворотні електромагнітні поля. Під час обертання ротора, якорі з обмотками проходять поряд з магнітами, що призводить до появи електричного струму в обмотках, на зразок роботи електрогенератора. Насправді, електромотори – це ті ж генератори, тільки навпаки. У обмотках без напруги, що обертаються поруч з постійними магнітами, генерується електричний струм. ESC реєструє напругу,  що подається на обмотку і зворотні електромагнітні імпульси, які виникають в процесі обертання.

Контролери швидкості без датчиків працюють на основі розрахунку часу в кожній фазі між імпульсом напруги живлення і імпульсу зворотного електромагнітного поля. «Нульовий відлік» – це точка початку відліку і визначається, як відсутність напруги (0 В) на обмотці. Це середня точка між подачею імпульсу напруги живлення і імпульсом зворотного електромагнітного поля. У цій точці ESC точно знає положення кожного магніту і використовує цю інформацію для визначення фази та подачі наступного імпульсу напруги харчування.

motors-controlling

Якщо необхідно збільшити швидкість руху магнітів, то потрібно просто збільшити силу магнітного поля. При збільшенні тривалості кожного імпульсу (широтно-імпульсна модуляція), магнітне поле стає сильнішим, збільшуючи обертальний момент, створюваний між магнітами ротора і обмотками статора.

Ротор починає швидше обертатися через збільшення обертального моменту і збільшення частоти генерується електронним контролером швидкості, яка збільшується для підтримки більш швидкого обертання. Тобто ESC контролює напругу живлення, а частота регулюється як наслідок.

eng5

Kv і максимальна швидкість

Причиною, з якої частота обертання обмежена, є зворотне електромагнітне поле. При роботі мотора частота обертання ротора сповільнюється через силу, яка необхідна для генерації зворотного електромагнітного поля. Чим більша швидкість обертання (до 100% від можливостей електронного контролера швидкості), тим сильніше зворотне електромагнітне поле, і при максимальній швидкості сила обертання урівноважена зворотним електромагнітним полем. Kv визначається як відношення частоти обертання (об/хв) до напруги (В). Причина, з якої Kv є функцією від напруги є те, що максимальний крутний момент, а отже і швидкість, фіксуються при роботі без навантаження при певній напрузі живлення.

Висновки )

Робота безколекторних двигунів заснована на обертовому магнітному полі, керованому електронним контролером швидкості. Це електромагнітне поле, яке обертається, притягує або відштовхує постійні магніти, закріплені на роторі. Мотор приводиться в обертання електричним струмом, однак при обертанні мотор генерує електричний струм або зворотне електромагнітне поле. Максимальна швидкість обертання ротора, вимірювана в Kv, лімітована напругою і створюваним зворотним електромагнітним полем. І єдине, що можна зламати в такій конструкції – це магніт.

Для побудови квадрокоптера необхідно використовувати серійні безколекторні двигуни, такі-ж, які використовуються моделістами при будівництві радіокерованих літаків і вертольотів.

Таких двигунів потрібно 4 штучки :)

При виборі двигунів потрібно керуватися наступними критеріями:

  • споживана потужність, максимальний і робочий струм не повинні перевищувати значення, допустимі для контролерів безколекторних двигунів;
  • двигун повинен мати максимальну ефективність;
  • двигун повинен підходити до параметрів пропелерів, які планується використовувати ;
  • двигун повинен мати малу вагу;
  • передбачене конструкцією двигуна кріплення двигуна повинне підходити до конструкції рами ;
  • оптимальне співвідношення ціни та якості;
  • рекомендації спільноти радіомоделістів

На цьому дозвольте відкланятись. Намагатимусь наступні публікації про будову квадрокоптера постити оперативніше, бо мої запчастини вже фактично всі приїхали і скоро буду починати власне побудову )

До зустрічі!

1 comment

  1. Pingback: kobi's FPV – Будова квадрокоптера. Схема

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>