Silniki bezszczotkowe: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Ta instrukcja jest przewodnikiem / przeglądem technologii silników stojących za nowoczesnymi silnikami do quadkopterów dla entuzjastów. Aby pokazać, do czego zdolne są quadkoptery, obejrzyj ten niesamowity film. (Obejrzyj głośność. Robi się bardzo głośno) Wszystkie zasługi należą się oryginalnemu wydawcy filmu.

Krok 1: Terminologia

Większość silników bezszczotkowych jest zwykle opisywana dwoma zestawami liczb; takich jak: Hyperlite 2207-1922KV. Pierwszy zestaw liczb odnosi się do wielkości stojana silnika w milimetrach. Ten konkretny stojan silnika ma 22 mm szerokości i 7 mm wysokości. Stare DJI Phantom wykorzystywały 2212 silników. Wymiary stojana zwykle podążają za trendem:

Wyższy stojan pozwala na wyższą najwyższą wydajność (wyższe zakresy obrotów)

Szerszy stojan pozwala na lepszą wydajność dolnego końca (niższe zakresy obrotów)

Drugi zestaw liczb to wartość KV silnika. Wartość KV silnika jest stałą prędkości tego konkretnego silnika, co w zasadzie oznacza, że silnik wytworzy tylną siłę elektromotoryczną o wartości 1 V, gdy silnik będzie wirował z tą prędkością lub będzie się obracał z nieobciążoną prędkością obrotową KV po przyłożeniu 1 V. Na przykład: Ten silnik w połączeniu z 4S lipo będzie miał teoretyczną nominalną prędkość obrotową 1922x14,8 = 28, 446 obr./min

W rzeczywistości silnik może nie osiągnąć tej teoretycznej prędkości, ponieważ występują nieliniowe straty mechaniczne i rezystancyjne straty mocy.

Krok 2: Podstawy

Silnik elektryczny wytwarza moment obrotowy, zmieniając biegunowość obracających się elektromagnesów przymocowanych do wirnika, obracającej się części maszyny i nieruchomych magnesów na stojanie, który otacza wirnik. Jeden lub oba zestawy magnesów to elektromagnesy, wykonane z cewki drutu owiniętego wokół rdzenia ferromagnetycznego. Elektryczność przepływająca przez uzwojenie drutu wytwarza pole magnetyczne, dostarczając moc napędzającą silnik.

Numer konfiguracji informuje, ile elektromagnesów znajduje się na stojanie, a liczba magnesów trwałych znajduje się na wirniku. Liczba przed literą N pokazuje liczbę elektromagnesów znajdujących się w stojanie. Liczba przed literą P pokazuje, ile magnesów trwałych znajduje się w wirniku. Większość silników bezszczotkowych outrunner jest zgodna z konfiguracją 12N14P.

Krok 3: Elektroniczny regulator prędkości

ESC to urządzenie, które przekształca prąd stały z akumulatora na prąd zmienny. Pobiera również dane wejściowe z kontrolera lotu, aby modulować prędkość i moc silnika. Istnieje wiele protokołów do tej komunikacji. Podstawowe analogowe to: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 i Multishot. Ale stały się one przestarzałe dla quadkopterów, gdy pojawiły się nowe protokoły cyfrowe o nazwie Dshot. Nie ma żadnych problemów z kalibracją protokołów analogowych. Ponieważ jako informacje przesyłane są bity cyfrowe, sygnał nie jest zakłócany przez zmieniające się pola magnetyczne i skoki napięcia, w przeciwieństwie do ich odpowiednika. Dhsot nie jest tak naprawdę znacznie szybszy niż Multishot aż do DShot 1200 i 2400, które w tym momencie mogą działać tylko na kilku ESC. Prawdziwe zalety Dshot to przede wszystkim dwustronna przepustowość komunikacji, w szczególności możliwość wysyłania danych z pokoju z powrotem do FC w celu dostrojenia filtrów dynamicznych oraz możliwość wykonywania takich czynności jak tryb żółwia (tymczasowe odwrócenie ESC w celu odwrócenia quada). się, jeśli utknął do góry nogami). ESC składa się głównie z 6 mosfetów, po 2 na każdą fazę silnika i mikrokontrolera. Mosfet zasadniczo zmienia polaryzację z określoną częstotliwością, aby regulować obroty silnika. ESC mają aktualną ocenę, ponieważ jest to maksymalny pobór prądu, jaki ESC może wytrzymać przez długi czas.

Krok 4: Wydajność

(Wielożyłowy: Fioletowy Silnik Pojedynczy Nici: Pomarańczowy Silnik)

Drut:

Przewody wielożyłowe mogą pomieścić większą objętość miedzi w danym obszarze w porównaniu z pojedynczym grubym drutem owiniętym wokół stojana, więc siła pola magnetycznego jest nieco silniejsza, ale całkowity pobór mocy silnika jest ograniczony ze względu na cienkie przewody (biorąc pod uwagę, że wielożyłowy silnik jest skonstruowany bez skrzyżowania przewodów, co jest wysoce nieprawdopodobne ze względu na jakość wykonania). Grubszy drut może przenosić większy prąd i utrzymywać wyższą moc wyjściową w porównaniu z równie skonstruowanym silnikiem wielożyłowym. Trudniej jest zbudować prawidłowo skonstruowany silnik wielożyłowy, dlatego większość silników wysokiej jakości jest zbudowanych z jednej żyły drutu (dla każdej fazy). Niewielkie zalety okablowania wielożyłowego są łatwo przebijane przez produkcję i przeciętne projektowanie, nie wspominając o tym, że istnieje o wiele więcej miejsca na niefortunny wypadek, jeśli którykolwiek z cienkich przewodów przegrzeje się lub zwrze. Okablowanie jednożyłowe nie ma żadnego z tych problemów, ponieważ ma znacznie wyższy limit prądu i minimalne punkty zwarcia. Tak więc, ze względu na niezawodność, spójność i wydajność, uzwojenia jednożyłowe są najlepsze dla bezszczotkowych silników quadkoptera.

PS Jednym z powodów, dla których przewody wielożyłowe są gorsze w przypadku niektórych określonych silników, jest efekt naskórkowości. Efekt naskórkowy to tendencja zmiennego prądu elektrycznego do rozprowadzania się w przewodniku tak, że gęstość prądu jest największa w pobliżu powierzchni przewodnika i zmniejsza się wraz z większą głębokością przewodnika. Głębokość efektu skóry zmienia się wraz z częstotliwością. Przy wysokich częstotliwościach głębokość skóry staje się znacznie mniejsza. (Dla celów przemysłowych drut licowy służy do przeciwdziałania zwiększonej rezystancji prądu przemiennego spowodowanej efektem naskórkowości i oszczędzania pieniędzy) Ten efekt naskórkowania może powodować przeskakiwanie elektronów przez przewody w każdej grupie cewek, skutecznie zwierając je ze sobą. Ten efekt zwykle występuje, gdy silnik jest mokry lub wykorzystuje wysokie częstotliwości powyżej 60 Hz. Efekt skórowania może powodować prądy wirowe, które z kolei tworzą gorące punkty w uzwojeniu. Dlatego używanie mniejszego drutu nie jest idealne.

Temperatura:

Trwałe magnesy neodymowe stosowane w silnikach bezszczotkowych są dość silne, zwykle wahają się od N48-N52 pod względem siły magnetycznej (im wyższy tym silniejszy, N52 jest najsilniejszy z mojej wiedzy). Magnesy neodymowe typu N tracą część swojego namagnesowania trwale w temperaturze 80 °C. Magnesy z namagnesowaniem N52 mają maksymalną temperaturę pracy 65°C. Energiczne schładzanie nie szkodzi magnesom neodymowym. Zaleca się, aby nigdy nie przegrzewać silników, ponieważ emaliowany materiał izolacyjny na uzwojeniach miedzianych również ma ograniczenie temperatury i jeśli się stopią, może to spowodować zwarcie, przepalenie silnika lub, co gorsza, kontroler lotu. Dobrą praktyczną zasadą jest to, że jeśli nie możesz trzymać silnika przez bardzo długi czas po krótkim 1 lub 2 minutowym locie, prawdopodobnie przegrzewasz silnik i taka konfiguracja nie będzie możliwa do długotrwałego użytkowania.

Krok 5: Moment obrotowy

Tak jak istnieje stała prędkość silnika, istnieje stała momentu obrotowego. Powyższy obrazek pokazuje zależność między stałą momentu obrotowego a stałą prędkości. Aby znaleźć moment obrotowy, wystarczy pomnożyć stałą momentu obrotowego przez prąd. Interesującą rzeczą dotyczącą momentu obrotowego w silnikach bezszczotkowych jest to, że ze względu na straty rezystancyjne obwodu między akumulatorem a silnikiem związek między momentem obrotowym a KV silnika nie jest tak bezpośrednio powiązany, jak sugeruje równanie. Załączony rysunek pokazuje rzeczywisty związek między momentem obrotowym a KV przy różnych obrotach. Z powodu dodanej rezystancji całego obwodu, procentowa zmiana rezystancji nie jest równoważna % zmiany KV, a zatem zależność ma dziwną krzywą. Ponieważ zmiany nie są proporcjonalne, wariant silnika o niższym współczynniku KV zawsze ma większy moment obrotowy, aż do określonej wysokiej prędkości obrotowej, w której prześwit silnika o wysokim współczynniku KV przejmuje siłę i wytwarza większy moment obrotowy.

W oparciu o równanie KV zmienia tylko prąd potrzebny do wytworzenia momentu obrotowego lub odwrotnie, ile momentu obrotowego wytwarza określona ilość prądu. Zdolność silnika do faktycznego wytwarzania momentu obrotowego jest czynnikiem, takim jak siła magnesu, szczelina powietrzna, pole przekroju uzwojeń. Wraz ze wzrostem obrotów prąd gwałtownie wzrasta, głównie ze względu na nieliniową zależność między energią a obrotami.

Krok 6: Dodatkowe funkcje

Dzwon silnika jest częścią silnika, która odniesie najwięcej uszkodzeń w jednostce, dlatego konieczne jest, aby był wykonany z najlepszego materiału do tego celu. Większość tanich chińskich silników jest wykonana z aluminium 6061, które łatwo odkształca się podczas silnego zderzenia, więc podczas lotu trzymaj się z dala od asfaltu. Strona bardziej premium silników wykorzystuje aluminium 7075, które zapewnia znacznie większą trwałość i dłuższą żywotność.

Najnowszym trendem w silnikach do quadkopterów jest posiadanie wydrążonego wału tytanowego lub stalowego, ponieważ jest on lżejszy niż wał pełny i ma dużą wytrzymałość konstrukcyjną. W porównaniu z wałem pełnym, wał drążony ma mniejszą wagę przy danej długości i średnicy. Ponadto dobrym pomysłem jest stosowanie wałów drążonych, jeśli kładziemy nacisk na redukcję wagi i redukcję kosztów. Wały drążone znacznie lepiej przenoszą obciążenia skręcające niż wały pełne. Dodatkowo, tytanowy trzonek nie będzie się rozdzierał tak łatwo, jak trzonek stalowy lub aluminiowy. Stal hartowana może w rzeczywistości być lepsza pod względem wytrzymałości funkcjonalnej niż niektóre stopy tytanu powszechnie stosowane w tych drążonych wałach. To naprawdę zależy od konkretnych omawianych stopów i zastosowanej techniki hartowania. Zakładając najlepszy przypadek dla obu materiałów, tytan będzie lżejszy, ale nieco bardziej kruchy, a hartowana stal będzie twardsza, ale nieco cięższa.

Krok 7: Referencje / Zasoby

Aby uzyskać niezwykle szczegółowe testy i przegląd konkretnych silników quadkoptera, sprawdź EngineerX na YouTube. Zamieszcza szczegółowe statystyki i testy laboratoryjne silników z różnymi śmigłami.

Aby uzyskać ciekawe teorie i inne dodatkowe informacje na temat świata wyścigów FPV/freestyle, obejrzyj KababFPV. Jest jednym z najwspanialszych ludzi, których można słuchać w edukacyjnej i intuicyjnej dyskusji na temat technologii quadkopterów.

www.youtube.com/channel/UC4yjtLpqFmlVncUFE…

Ciesz się tym zdjęciem.

Dziękujemy za wizytę.