Borstlösa motorer: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Denna instruerbara är en guide/översikt över motortekniken bakom moderna entusiastiska quadcoptermotorer. Bara för att visa vad quadcopters kan, se den här fantastiska videon. (Se volymen. Det blir väldigt högt) All kredit går till den ursprungliga utgivaren av videon.

Steg 1: Terminologi

De flesta borstlösa motorer beskrivs vanligtvis med två uppsättningar nummer; till exempel: Hyperlite 2207-1922KV. Den första uppsättningen nummer hänvisar till motorns statorstorlek i millimeter. Denna specifika motorstator är 22 mm bred och 7 mm hög. De gamla DJI Phantoms använde 2212 motorer. Statordimensionerna följer vanligtvis en trend:

Högre stator möjliggör högre toppresultat (högre varvtal)

Bredare stator möjliggör en starkare prestanda i lägre slut (lägre varvtal)

Den andra uppsättningen siffror är motorns KV -betyg. KV -värdet för motorn är hastighetskonstanten för den specifika motorn, vilket i grunden betyder att motorn kommer att skapa en bakre EMF på 1V när motorn snurras med det varvtalet eller kommer att snurra vid ett olastat varvtal för KV när 1V appliceras. Till exempel: Denna motor i kombination med en 4S lipo kommer att ha en teoretisk nominell varvtal på 1922x14,8 = 28, 446 varv / min

Faktum är att motorn kanske inte når denna teoretiska hastighet eftersom det finns olinjära mekaniska förluster och resistiva effektförluster.

Steg 2: Grunderna

En elmotor utvecklar vridmoment genom att alternera polariteten hos roterande elektromagneter som är fästa vid rotorn, den roterande delen av maskinen och stationära magneter på statorn som omger rotorn. En eller båda uppsättningarna magneter är elektromagneter, gjorda av en trådspole som lindas runt en ferromagnetisk kärna. Elektricitet som löper genom trådlindningen skapar magnetfältet och ger kraften som driver motorn.

Konfigurationsnumret anger hur många elektromagneter som finns på statorn och antalet permanenta magneter på rotorn. Siffran före bokstaven N visar antalet elektromagneter som finns i statorn. Siffran före P visar hur många permanentmagneter som finns i rotorn. De flesta borstlösa motorer utan löpare följer 12N14P-konfigurationen.

Steg 3: Elektronisk hastighetsregulator

En ESC är enheten som omvandlar likström från batteriet till AC. Det tar också in datainmatning från flygkontrollen för att modulera motorns hastighet och effekt. Det finns flera protokoll för denna kommunikation. De primära analoga är: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 och Multishot. Men dessa blev föråldrade för quadcopters när nya digitala protokoll kom som kallades Dshot. Det har ingen av kalibreringsproblemen med analoga protokoll. Eftersom det är digitala bitar som sänds som information, störs inte signalen av de förändrade magnetfälten och spänningspikarna i motsats till deras motsvarighet. Dhsot är egentligen inte märkbart snabbare än Multishot fram till DShot 1200 och 2400, som bara kan köras på några få ESC: er just nu. De verkliga fördelarna med Dshot är främst tvåvägskommunikationskapaciteten, särskilt möjligheten att skicka rumsdata tillbaka till FC för användning för att justera de dynamiska filtren och möjligheten att göra saker som sköldpaddsläge (tillfälligt vända ESC: erna för att vända fyrhjulingen över om det fastnar upp och ner). En ESC består främst av 6 mosfets, 2 för varje fas i motorn och en mikrokontroller. Mosfeten växlar i princip mellan att vända polariteten vid en viss frekvens för att reglera motorns varvtal. ESC: erna har en aktuell klassificering eftersom det är den maximala strömstyrkan som ESC kan upprätthålla under långa perioder.

Steg 4: Effektivitet

(Multisträng: Lila motor Enkelsträng: Orange motor)

Tråd:

Flertrådiga trådar kan packa mer volym koppar i ett visst område jämfört med en enda tjock tråd som lindas runt statorn så att magnetfältstyrkan är något starkare men motorns totala effektdragning är begränsad på grund av de tunna trådarna (med tanke på att flertrådig motor är konstruerad utan att ha någon överkorsning av trådarna vilket är mycket osannolikt på grund av tillverkningskvalitet). En tjockare tråd kan bära mer ström och upprätthålla en högre effekt jämfört med en lika konstruerad flertrådsmotor. Det är svårare att bygga en korrekt konstruerad flertrådig motor därför är de flesta kvalitetsmotorer byggda med en enda trådsträng (för varje fas). De små fördelarna med flersträngskablar trumferas enkelt av tillverkning och medelmåttig design, för att inte tala om att det finns mycket mer utrymme för olyckor om någon av de tunna trådarna överhettas eller kortslutas. Ensträngsladdning har inga av dessa problem eftersom den har en mycket högre strömgräns och minimala kortslutningspunkter. Så, för tillförlitlighet, konsistens och effektivitet, enkelsträngade lindningar är de bästa för quadcopter borstlösa motorer.

P. S. En av anledningarna till att flersträngade trådar är sämre för vissa specifika motorer beror på hudeffekt. Hudeffekt är tendensen hos en växelström att distribueras i en ledare så att strömtätheten är störst nära ledarens yta och minskar med större djup i ledaren. Djupet av hudeffekten varierar med frekvensen. Vid höga frekvenser blir huddjupet mycket mindre. (För industriella ändamål används litztråd för att motverka det ökade AC -motståndet på grund av hudeffekten och spara pengar) Denna flåningseffekt kan få elektroner att hoppa över trådarna i varje spolgrupp och effektivt kortsluta dem till varandra. Denna effekt sker vanligtvis när motorn är våt eller använder höga frekvenser på mer än 60Hz. Hudeffekten kan orsaka virvelströmmar som i sin tur skapar heta fläckar i lindningen. Det är därför det inte är idealiskt att använda mindre tråd.

Temperatur:

De permanenta neodymmagneterna som används för borstlösa motorer är ganska starka, de sträcker sig vanligtvis från N48-N52 när det gäller magnetstyrka (högre är starkare N52 är den starkaste vad jag vet). Neodymmagneter av typ N förlorar en del av sin magnetisering permanent vid en temperatur av 80 ° C. Magneter med N52 -magnetisering har en maximal arbetstemperatur på 65 ° C. En kraftig nedkylning skadar inte neodymmagneter. Det rekommenderas att du aldrig överhettar motorerna eftersom emaljisoleringsmaterialet på kopparlindningarna också har en temperaturgräns och om de smälter kan det orsaka kortslutning som bränner ut motorn eller ännu värre, din flygkontroll. En bra tumregel är att om du inte kan hålla kvar motorn under en mycket lång tid efter en kort 1 eller 2 minuters flygning, överhettas du förmodligen motorn och den inställningen kommer inte att vara livskraftig för längre användning.

Steg 5: Dra åt

Precis som det finns en motorhastighetskonstant finns det en vridmomentskonstant. Bilden ovan visar förhållandet mellan vridmomentskonstanten och hastighetskonstanten. För att hitta vridmoment multiplicerar du bara vridmomentskonstanten med ström. Det intressanta med vridmoment i borstlösa motorer är att på grund av de resistiva förlusterna i kretsen mellan batteriet och motorn är förhållandet mellan motorns vridmoment och KV inte så direkt relaterat som ekvationen antyder. Den bifogade bilden visar det faktiska förhållandet mellan vridmoment och KV vid olika varvtal. På grund av det extra motståndet för hela kretsen är % förändringen i motståndet inte ekvivalent med % förändringen i KV och därför har förhållandet en konstig kurva. Eftersom förändringarna inte är proportionella har den lägre KV -varianten av en motor alltid mer vridmoment tills ett visst högt varvtal där varvtalet för den höga KV -motorn tar över i styrka och ger mer vridmoment.

Baserat på ekvationen ändrar KV bara strömmen som krävs för att producera vridmomentet, eller omvänt, hur mycket vridmoment som produceras av en viss mängd ström. En motors förmåga att faktiskt producera vridmoment är en faktor för saker som magnetstyrka, luftgap, tvärsnittsarea av lindningarna. När varvtalen ökar stiger strömmen dramatiskt främst på grund av det olinjära förhållandet mellan energi och varvtal.

Steg 6: Ytterligare funktioner

Motorklockan är den del av motorn som kommer att ta mest skada i ett fartyg så det är absolut nödvändigt att den är gjord av det bästa materialet för ändamålet. De flesta billiga kinesiska motorer är gjorda av 6061 aluminium som lätt deformeras vid en hård krasch så håll dig borta från asfalt medan du flyger. Den mer premiumsidan av motorerna använder 7075 aluminium som erbjuder mycket större hållbarhet och längre livslängd.

Den senaste trenden inom quadcoptermotorer är att ha en ihålig titan- eller stålaxel eftersom den är lättare än en solid axel och har stor strukturell hållfasthet. I jämförelse med en solid axel är en ihålig axel av mindre vikt, för en given längd och diameter. Dessutom är det en bra idé att fortsätta med ihåliga axlar, om vi lägger tonvikten på viktminskning och kostnadsbesparingar. Ihåliga axlar är mycket bättre att ta vridningsbelastningar jämfört med fasta axlar. Dessutom kommer titanaxeln inte att ta bort lika lätt som stål- eller aluminiumaxeln. Härdat stål kan faktiskt vara bättre när det gäller funktionell hållfasthet än några av de titanlegeringar som vanligtvis används i dessa ihåliga axlar. Det beror verkligen på de specifika legeringarna som diskuteras och härdningstekniken som används. Förutsatt att det bästa fallet för båda materialen blir titan lättare, men något mer sprött, och härdat stål kommer att vara hårdare men något tyngre.

Steg 7: Referenser/ resurser

För extremt detaljerad testning och översikt över specifika quadcopter -motorer, kolla in EngineerX på YouTube. Han publicerar detaljerad statistik och bänktester motorerna med olika propellrar.

För intressanta teorier och annan extra information om FPV -racing/freestyle -världen, se KababFPV. Han är en av de största människorna att lyssna på för pedagogisk och intuitiv diskussion om quadcopter -teknik.

www.youtube.com/channel/UC4yjtLpqFmlVncUFE…

Njut av detta foto.

Tack för besöket.