Κινητήρες χωρίς ψήκτρες: 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Αυτό το διδακτικό είναι ένας οδηγός/επισκόπηση της τεχνολογίας του κινητήρα πίσω από τους σύγχρονους ενθουσιώδεις κινητήρες τετραπτέρων. Απλώς για να σας δείξουμε τι μπορούν να κάνουν τα τετρακόπτερα, δείτε αυτό το καταπληκτικό βίντεο. (Παρακολουθήστε την ένταση. Γίνεται πολύ δυνατή) Όλα τα εύσημα ανήκουν στον αρχικό εκδότη του βίντεο.

Βήμα 1: Ορολογία

Οι περισσότεροι κινητήρες χωρίς ψήκτρες περιγράφονται συνήθως με δύο σύνολα αριθμών. όπως: Υπερλίτης 2207-1922KV. Το πρώτο σύνολο αριθμών αναφέρεται στο μέγεθος στάτορα του κινητήρα σε χιλιοστά. Αυτός ο συγκεκριμένος στάτης κινητήρα έχει πλάτος 22mm και ύψος 7mm. Το παλιό DJI Phantoms χρησιμοποιούσε 2212 κινητήρες. Οι διαστάσεις του στάτη ακολουθούν συνήθως μια τάση:

Ο ψηλότερος στάτης επιτρέπει υψηλότερη απόδοση στο τέλος (Υψηλότερα εύρη στροφών ανά λεπτό)

Ο ευρύτερος στάτης επιτρέπει χαμηλότερη απόδοση στο χαμηλότερο επίπεδο (χαμηλότερα εύρη στροφών ανά λεπτό)

Το δεύτερο σύνολο αριθμών είναι η βαθμολογία KV για τον κινητήρα. Η βαθμολογία KV του κινητήρα είναι η σταθερά ταχύτητας του συγκεκριμένου κινητήρα, πράγμα που σημαίνει ότι ο κινητήρας θα δημιουργήσει ένα πίσω EMF 1V όταν ο κινητήρας περιστρέφεται σε αυτές τις στροφές ή θα περιστρέφεται σε μη φορτωμένο RPM του KV όταν εφαρμόζεται 1V Το Για παράδειγμα: Αυτός ο κινητήρας σε συνδυασμό με ένα λιπό 4S θα έχει θεωρητικό ονομαστικό RPM 1922x14,8 = 28, 446 RPM

Στην πραγματικότητα, ο κινητήρας μπορεί να μην φτάσει αυτή τη θεωρητική ταχύτητα επειδή υπάρχουν μη γραμμικές μηχανικές απώλειες και απώλειες αντίστασης ισχύος.

Βήμα 2: Βασικά

Ένας ηλεκτροκινητήρας αναπτύσσει τη ροπή εναλλάσσοντας την πολικότητα των περιστρεφόμενων ηλεκτρομαγνητών που είναι προσαρτημένοι στον ρότορα, το περιστρεφόμενο τμήμα του μηχανήματος και σταθερούς μαγνήτες στον στάτορα που περιβάλλει τον ρότορα. Ένα ή και τα δύο σετ μαγνητών είναι ηλεκτρομαγνήτες, κατασκευασμένοι από ένα πηνίο σύρματος τυλιγμένο γύρω από έναν σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Η ηλεκτρική ενέργεια που περνά μέσα από την περιέλιξη σύρματος δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο, παρέχοντας την ισχύ που λειτουργεί στον κινητήρα.

Ο αριθμός διαμόρφωσης σας λέει πόσοι ηλεκτρομαγνήτες υπάρχουν στον στάτορα και τον αριθμό των μόνιμων μαγνητών που υπάρχουν στον ρότορα. Ο αριθμός πριν από το γράμμα Ν δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρομαγνητών που υπάρχουν στον στάτορα. Ο αριθμός πριν από το Ρ δείχνει πόσους μόνιμους μαγνήτες υπάρχουν στον ρότορα. Οι περισσότεροι κινητήρες χωρίς ψήκτρες εκτός λειτουργίας ακολουθούν τη διαμόρφωση 12N14P.

Βήμα 3: Ηλεκτρονικός ελεγκτής ταχύτητας

Ένα ESC είναι η συσκευή που μετατρέπει το ρεύμα DC από την μπαταρία σε AC. Λαμβάνει επίσης εισαγωγή δεδομένων από το χειριστήριο πτήσης για να διαμορφώσει την ταχύτητα και την ισχύ του κινητήρα. Υπάρχουν πολλά πρωτόκολλα για αυτήν την επικοινωνία. Τα κύρια αναλογικά είναι: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 και Multishot. Αλλά αυτά έγιναν παρωχημένα για τετρακόπτερα καθώς έφτασαν νέα ψηφιακά πρωτόκολλα που ονομάζονταν Dshot. Δεν έχει κανένα από τα ζητήματα βαθμονόμησης των αναλογικών πρωτοκόλλων. Δεδομένου ότι τα ψηφιακά δυαδικά ψηφία αποστέλλονται ως πληροφορίες, το σήμα δεν διαταράσσεται από τα μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία και αιχμές τάσης σε αντίθεση με το αντίστοιχό τους. Το Dhsot δεν είναι πραγματικά πολύ πιο γρήγορο από το Multishot μέχρι το DShot 1200 και 2400, το οποίο μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε μερικά ESC σε αυτό το σημείο. Τα πραγματικά οφέλη του Dshot είναι κυρίως η αμφίδρομη ικανότητα επικοινωνίας, ιδιαίτερα η δυνατότητα αποστολής δεδομένων δωματίου πίσω στο FC για χρήση στον συντονισμό των δυναμικών φίλτρων και η δυνατότητα να κάνετε πράγματα όπως η λειτουργία χελώνας (αντιστρέψτε προσωρινά τα ESC για να αναστρέψετε το τετράγωνο αν έχει κολλήσει ανάποδα). Ένα ESC αποτελείται κυρίως από 6 mosfets, 2 για κάθε φάση του κινητήρα και έναν μικροελεγκτή. Το mosfet βασικά εναλλάσσεται μεταξύ της αναστροφής της πολικότητας σε μια συγκεκριμένη συχνότητα για τη ρύθμιση των στροφών του κινητήρα. Τα ESC έχουν τρέχουσα βαθμολογία καθώς αυτό είναι το μέγιστο τροφοδοτικό ρεύματος που μπορεί να διατηρήσει το ESC για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

Βήμα 4: Αποτελεσματικότητα

(Πολλαπλό σκέλος: Μωβ μοτέρ Μονόκλωνο: Πορτοκαλί μοτέρ)

Σύρμα:

Τα πολύκλωνα σύρματα μπορούν να συσκευάσουν περισσότερο όγκο χαλκού σε μια δεδομένη περιοχή σε σύγκριση με ένα μονό χοντρό σύρμα που τυλίγεται γύρω από τον στάτορα, οπότε η ισχύς του μαγνητικού πεδίου είναι ελαφρώς ισχυρότερη, αλλά η συνολική ισχύς του κινητήρα είναι περιορισμένη λόγω των λεπτών καλωδίων (δεδομένου ότι ο πολύκλωνος κινητήρας είναι κατασκευασμένος χωρίς να υπάρχει διασταύρωση των καλωδίων, κάτι που είναι πολύ απίθανο λόγω ποιότητας κατασκευής). Ένα παχύτερο σύρμα μπορεί να μεταφέρει περισσότερο ρεύμα και να διατηρήσει υψηλότερη ισχύ εξόδου σε σύγκριση με έναν εξίσου κατασκευασμένο πολυκλωνικό κινητήρα. Είναι πιο δύσκολο να κατασκευαστεί ένας σωστά κατασκευασμένος πολύκλωνος κινητήρας, επομένως οι περισσότεροι ποιοτικοί κινητήρες κατασκευάζονται με ένα μονό κλώνο σύρματος (για κάθε φάση). Τα μικρά πλεονεκτήματα της καλωδίωσης πολλαπλών καλωδίων υπονομεύονται εύκολα από τον κατασκευαστικό και μέτριο σχεδιασμό, για να μην αναφέρουμε ότι υπάρχει πολύ περισσότερος χώρος για ατύχημα εάν κάποιο από τα λεπτά καλώδια υπερθερμανθεί ή βραχυκύκλωμα. Η καλωδίωση μονής αλυσίδας δεν έχει κανένα από αυτά τα προβλήματα καθώς έχει πολύ υψηλότερο όριο ρεύματος και ελάχιστα σημεία βραχυκυκλώματος. Έτσι, για αξιοπιστία, συνέπεια και αποδοτικότητα, οι περιελίξεις μονής αλυσίδας είναι οι καλύτερες για κινητήρες χωρίς ψήκτρες τετραπλάνου.

ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ. Ένας από τους λόγους που τα καλώδια πολλών κλώνων είναι χειρότερα για ορισμένους συγκεκριμένους κινητήρες είναι η επίδραση του δέρματος. Το φαινόμενο του δέρματος είναι η τάση εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος να κατανέμεται μέσα σε έναν αγωγό έτσι ώστε η πυκνότητα ρεύματος να είναι μεγαλύτερη κοντά στην επιφάνεια του αγωγού και να μειώνεται με μεγαλύτερα βάθη στον αγωγό. Η επίδραση του βάθους του δέρματος ποικίλλει ανάλογα με τη συχνότητα. Σε υψηλές συχνότητες το βάθος του δέρματος γίνεται πολύ μικρότερο. (Για βιομηχανικούς σκοπούς, το καλώδιο litz χρησιμοποιείται για να αντισταθμίσει την αυξημένη αντίσταση AC λόγω του φαινομένου του δέρματος και να εξοικονομήσει χρήματα) Αυτό το φαινόμενο απολέπισης μπορεί να προκαλέσει τα ηλεκτρόνια να περάσουν από τα καλώδια σε κάθε ομάδα πηνίων που βραχυκυκλώνουν αποτελεσματικά το ένα το άλλο. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει συνήθως όταν ο κινητήρας είναι υγρός ή χρησιμοποιεί υψηλές συχνότητες άνω των 60Hz. Η επίδραση απολέπισης μπορεί να προκαλέσει στροβιλιστικά ρεύματα που με τη σειρά τους δημιουργούν καυτά σημεία μέσα στο τύλιγμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η χρήση μικρότερων καλωδίων δεν είναι ιδανική.

Θερμοκρασία:

Οι μόνιμοι μαγνήτες νεοδυμίου που χρησιμοποιούνται για κινητήρες χωρίς ψήκτρες είναι αρκετά ισχυροί, συνήθως κυμαίνονται από N48-N52 ως προς τη μαγνητική ισχύ (υψηλότερο είναι το ισχυρότερο N52 είναι το ισχυρότερο από ό, τι γνωρίζω). Οι μαγνήτες νεοδυμίου του τύπου Ν χάνουν μέρος της μαγνήτισής τους μόνιμα σε θερμοκρασία 80 ° C. Οι μαγνήτες με μαγνήτιση N52 έχουν μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 65 ° C. Μια έντονη ψύξη δεν βλάπτει τους μαγνήτες νεοδυμίου. Συνιστάται να μην υπερθερμαίνετε ποτέ τους κινητήρες καθώς το μονωτικό υλικό σμάλτου στις περιελίξεις χαλκού έχει επίσης όριο θερμοκρασίας και εάν λιώσει, μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα που καίει τον κινητήρα ή ακόμα χειρότερα, ελεγκτή πτήσης. Ένας καλός βασικός κανόνας είναι ότι εάν δεν μπορείτε να κρατήσετε τον κινητήρα για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα μετά από μια σύντομη πτήση 1 ή 2 λεπτών, πιθανότατα υπερθερμαίνετε τον κινητήρα και αυτή η ρύθμιση δεν θα είναι βιώσιμη για παρατεταμένη χρήση.

Βήμα 5: Ροπή

Όπως υπάρχει σταθερά ταχύτητας κινητήρα, υπάρχει σταθερά ροπής. Η παραπάνω εικόνα σας δείχνει τη σχέση μεταξύ της σταθεράς ροπής και της σταθεράς ταχύτητας. Για να βρείτε τη ροπή, απλά πολλαπλασιάστε τη σταθερά ροπής με ρεύμα. Το ενδιαφέρον με τη ροπή στους κινητήρες χωρίς ψήκτρες είναι ότι λόγω των απωλειών αντίστασης του κυκλώματος μεταξύ της μπαταρίας και του κινητήρα, η σχέση μεταξύ της ροπής και της KV του κινητήρα δεν σχετίζεται τόσο άμεσα όσο υποδηλώνει η εξίσωση. Η συνημμένη εικόνα δείχνει την πραγματική σχέση μεταξύ ροπής και KV σε διάφορες στροφές. Λόγω της πρόσθετης αντίστασης ολόκληρου του κυκλώματος, η % μεταβολή της αντίστασης δεν ισοδυναμεί με την % μεταβολή στο KV και επομένως η σχέση έχει μια περίεργη καμπύλη. Δεδομένου ότι οι αλλαγές δεν είναι ανάλογες, η παραλλαγή χαμηλότερης KV ενός κινητήρα έχει πάντα περισσότερη ροπή έως ότου ορισμένες υψηλές στροφές ανά λεπτό, όπου το περιθώριο κεφαλής RPM του κινητήρα υψηλής KV αναλαμβάνει δύναμη και παράγει περισσότερη ροπή.

Με βάση την εξίσωση, η KV αλλάζει μόνο το ρεύμα που χρειάζεται για να παραχθεί η ροπή, ή αντίστροφα, πόση ροπή παράγεται από συγκεκριμένη ποσότητα ρεύματος. Η ικανότητα ενός κινητήρα να παράγει πραγματικά ροπή είναι ένας παράγοντας όπως η δύναμη του μαγνήτη, το διάκενο αέρα, η περιοχή διατομής των περιελίξεων. Καθώς τα RPM αυξάνονται, το ρεύμα αυξάνεται δραματικά κυρίως λόγω της μη γραμμικής σχέσης μεταξύ ενέργειας και RPM.

Βήμα 6: Πρόσθετα χαρακτηριστικά

Το κουδούνι του κινητήρα είναι το μέρος του κινητήρα που θα υποστεί τη μεγαλύτερη ζημιά σε ένα σκάφος, επομένως είναι επιτακτικό να είναι κατασκευασμένο από το καλύτερο υλικό για το σκοπό αυτό. Τα περισσότερα φθηνά κινέζικα μοτέρ είναι κατασκευασμένα από αλουμίνιο 6061 που παραμορφώνεται εύκολα σε μια σκληρή σύγκρουση, οπότε μείνετε μακριά από την άσφαλτο ενώ πετάτε. Η πιο premium πλευρά των κινητήρων χρησιμοποιεί αλουμίνιο 7075 που προσφέρει πολύ μεγαλύτερη ανθεκτικότητα και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Η πρόσφατη τάση στους κινητήρες quadcopter είναι να έχουν έναν κοίλο άξονα τιτανίου ή χάλυβα καθώς είναι ελαφρύτερος από έναν συμπαγή άξονα και έχει μεγάλη δομική αντοχή. Σε σύγκριση με έναν συμπαγή άξονα, ένας κοίλος άξονας είναι μικρότερου βάρους, για ένα δεδομένο μήκος και διάμετρο. Επιπλέον, είναι καλή ιδέα να προχωρήσουμε με κοίλους άξονες, εάν δίνουμε έμφαση στη μείωση του βάρους και τη μείωση του κόστους. Οι κοίλοι άξονες είναι πολύ καλύτερα να δέχονται στρεπτικά φορτία σε σύγκριση με τους στερεούς άξονες. Επιπλέον, ο άξονας τιτανίου δεν θα λύνει τόσο εύκολα όσο ο άξονας από χάλυβα ή αλουμίνιο. Ο σκληρυμένος χάλυβας μπορεί στην πραγματικότητα να είναι καλύτερος από άποψη λειτουργικής αντοχής από μερικά από τα κράματα τιτανίου που χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτούς τους κοίλους άξονες. Εξαρτάται πραγματικά από τα συγκεκριμένα κράματα που συζητούνται και την τεχνική σκλήρυνσης που χρησιμοποιείται. Αν υποθέσουμε ότι είναι η καλύτερη περίπτωση και για τα δύο υλικά, το τιτάνιο θα είναι ελαφρύτερο, αλλά ελαφρώς πιο εύθραυστο και ο σκληρυμένος χάλυβας θα είναι πιο σκληρός αλλά ελαφρώς βαρύτερος.

Βήμα 7: Αναφορές/ Πόροι

Για εξαιρετικά λεπτομερείς δοκιμές και επισκόπηση συγκεκριμένων κινητήρων quadcopter, ανατρέξτε στο EngineerX στο YouTube. Δημοσιεύει λεπτομερή στατιστικά και δοκιμάζει τους κινητήρες με διάφορους έλικες.

Για ενδιαφέρουσες θεωρίες και άλλες επιπλέον πληροφορίες για τον κόσμο των αγώνων FPV/freestyle, παρακολουθήστε το KababFPV. Είναι ένας από τους σπουδαιότερους ανθρώπους που άκουσε για εκπαιδευτική και διαισθητική συζήτηση σχετικά με την τεχνολογία τετραπτέρων.

www.youtube.com/channel/UC4yjtLpqFmlVncUFE…

Απολαύστε αυτή τη φωτογραφία.

Ευχαριστούμε για την επίσκεψη.