Bürstenlose Motoren - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Dieses anweisbare ist ein Leitfaden / Überblick über die Motortechnologie hinter modernen Quadcopter-Motoren für Enthusiasten. Sehen Sie sich dieses erstaunliche Video an, um Ihnen zu zeigen, wozu Quadrocopter fähig sind. (Beobachten Sie die Lautstärke. Es wird sehr laut) Alle Credits gehen an den ursprünglichen Herausgeber des Videos.

Schritt 1: Terminologie

Die meisten bürstenlosen Motoren werden normalerweise durch zwei Zahlenreihen beschrieben; wie: Hyperlite 2207-1922KV. Der erste Zahlensatz bezieht sich auf die Statorgröße des Motors in Millimetern. Dieser spezielle Motorstator ist 22 mm breit und 7 mm hoch. Die alten DJI Phantoms verwendeten 2212 Motoren. Die Statorabmessungen folgen in der Regel einem Trend:

Höherer Stator ermöglicht eine höhere Spitzenleistung (höhere Drehzahlbereiche)

Breiterer Stator ermöglicht eine stärkere Leistung am unteren Ende (niedrigere Drehzahlbereiche)

Der zweite Zahlensatz ist die KV-Bewertung für den Motor. Die KV-Leistung des Motors ist die Geschwindigkeitskonstante dieses spezifischen Motors, was im Grunde bedeutet, dass der Motor eine Gegen-EMK von 1 V erzeugt, wenn der Motor mit dieser Drehzahl gedreht wird, oder mit einer unbelasteten KV-Drehzahl dreht, wenn 1 V angelegt wird. Zum Beispiel: Dieser Motor, gepaart mit einem 4S-Lipo, hat eine theoretische Nenndrehzahl von 1922x14,8 = 28.446 U/min

Tatsächlich erreicht der Motor diese theoretische Drehzahl möglicherweise nicht, da nichtlineare mechanische Verluste und ohmsche Leistungsverluste auftreten.

Schritt 2: Grundlagen

Ein Elektromotor entwickelt ein Drehmoment, indem er die Polarität von rotierenden Elektromagneten wechselt, die am Rotor, dem rotierenden Teil der Maschine und stationären Magneten am Stator befestigt sind, der den Rotor umgibt. Einer oder beide Magnetsätze sind Elektromagnete, die aus einer um einen ferromagnetischen Kern gewickelten Drahtspule bestehen. Strom, der durch die Drahtwicklung fließt, erzeugt das Magnetfeld und liefert die Leistung, die den Motor antreibt.

Die Konfigurationsnummer gibt an, wie viele Elektromagnete sich am Stator und wie viele Permanentmagnete am Rotor befinden. Die Zahl vor dem Buchstaben N gibt an, wie viele Elektromagnete im Stator vorhanden sind. Die Zahl vor dem P gibt an, wie viele Permanentmagnete sich im Rotor befinden. Die meisten bürstenlosen Außenläufermotoren folgen der 12N14P-Konfiguration.

Schritt 3: Elektronischer Geschwindigkeitsregler

Ein ESC ist das Gerät, das den Gleichstrom von der Batterie in Wechselstrom umwandelt. Es nimmt auch Dateneingaben vom Flugregler auf, um die Geschwindigkeit und Leistung des Motors zu modulieren. Für diese Kommunikation gibt es mehrere Protokolle. Die primären analogen sind: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 und Multishot. Aber diese wurden für Quadcopter obsolet, als neue digitale Protokolle namens Dshot aufkamen. Es hat keine der Kalibrierungsprobleme analoger Protokolle. Da als Information digitale Bits gesendet werden, wird das Signal im Gegensatz zu seinem Gegenstück nicht durch die wechselnden Magnetfelder und Spannungsspitzen gestört. Dhsot ist bis DShot 1200 und 2400 nicht wirklich merklich schneller als Multishot, die zu diesem Zeitpunkt nur auf wenigen ESCs laufen können. Die wirklichen Vorteile von Dshot sind in erster Linie die Zwei-Wege-Kommunikationskapazität, insbesondere die Möglichkeit, Raumdaten zur Verwendung beim Abstimmen der dynamischen Filter an den FC zurückzusenden, und die Möglichkeit, Dinge wie den Turtle-Modus zu tun (vorübergehend die ESCs umzukehren, um das Quad umzudrehen). über, wenn es verkehrt herum klemmt). Ein ESC besteht hauptsächlich aus 6 Mosfets, 2 für jede Phase des Motors und einem Mikrocontroller. Der Mosfet wechselt grundsätzlich zwischen der Umkehrung der Polarität bei einer bestimmten Frequenz, um die Drehzahl des Motors zu regulieren. Die ESCs haben eine aktuelle Nennleistung, da dies die maximale Stromaufnahme ist, die der ESC über lange Zeiträume aushalten kann.

Schritt 4: Effizienz

(Mehrstrang: Lila Motor Einzelstrang: Orange Motor)

Kabel:

Mehrdrähtige Drähte können in einem bestimmten Bereich mehr Kupfervolumen packen als ein einzelner dicker Draht, der um den Stator gewickelt ist, sodass die magnetische Feldstärke etwas stärker ist, aber die Gesamtleistungsaufnahme des Motors aufgrund der dünnen Drähte begrenzt ist (Angesichts der mehradriger Motor ist ohne Überkreuzung der Drähte konstruiert, was aufgrund der Fertigungsqualität sehr unwahrscheinlich ist). Ein dickerer Draht kann im Vergleich zu einem gleich aufgebauten mehradrigen Motor mehr Strom führen und eine höhere Leistungsabgabe aufrechterhalten. Es ist schwieriger, einen richtig konstruierten mehradrigen Motor zu bauen, daher werden die meisten Qualitätsmotoren mit einem einzelnen Drahtstrang (für jede Phase) gebaut. Die kleinen Vorteile der mehradrigen Verdrahtung werden durch die Herstellung und das mittelmäßige Design leicht übertrumpft, ganz zu schweigen davon, dass viel mehr Raum für Missgeschicke besteht, wenn einer der dünnen Drähte überhitzt oder kurzgeschlossen wird. Bei der Einzellitzenverkabelung gibt es keine dieser Probleme, da sie eine viel höhere Stromgrenze und minimale Kurzschlusspunkte aufweist. In Bezug auf Zuverlässigkeit, Konsistenz und Effizienz sind Einzelstrangwicklungen die besten für bürstenlose Quadcopter-Motoren.

PS Einer der Gründe, warum mehrdrähtige Drähte für einige spezifische Motoren schlechter sind, ist der Skin-Effekt. Der Skin-Effekt ist die Tendenz eines elektrischen Wechselstroms, sich innerhalb eines Leiters so zu verteilen, dass die Stromdichte nahe der Oberfläche des Leiters am größten ist und mit größerer Tiefe im Leiter abnimmt. Die Tiefe des Skin-Effekts variiert mit der Frequenz. Bei hohen Frequenzen wird die Skin-Tiefe viel kleiner. (Für industrielle Zwecke wird Litze verwendet, um dem erhöhten Wechselstromwiderstand aufgrund des Skin-Effekts entgegenzuwirken und Geld zu sparen) Dieser Skinning-Effekt kann dazu führen, dass Elektronen über die Drähte innerhalb jeder Spulengruppe springen und diese effektiv miteinander kurzschließen. Dieser Effekt tritt normalerweise auf, wenn der Motor nass ist oder hohe Frequenzen von mehr als 60 Hz verwendet. Der Skinning-Effekt kann Wirbelströme verursachen, die wiederum heiße Stellen innerhalb der Wicklung erzeugen. Aus diesem Grund ist die Verwendung von kleineren Drähten nicht ideal.

Temperatur:

Die Permanent-Neodym-Magnete, die für bürstenlose Motoren verwendet werden, sind ziemlich stark, sie reichen normalerweise von N48-N52 in Bezug auf die magnetische Stärke (höher ist stärker, N52 ist meines Wissens am stärksten). Neodym-Magnete vom Typ N verlieren bei einer Temperatur von 80 °C dauerhaft einen Teil ihrer Magnetisierung. Magnete mit der Magnetisierung N52 haben eine maximale Arbeitstemperatur von 65°C. Eine kräftige Abkühlung schadet Neodym-Magneten nicht. Es wird empfohlen, die Motoren niemals zu überhitzen, da auch das Emaille-Isoliermaterial der Kupferwicklungen eine Temperaturgrenze hat und wenn sie schmelzen, kann es zu einem Kurzschluss des Motors oder noch schlimmer des Flugreglers kommen. Eine gute Faustregel ist, dass Sie den Motor wahrscheinlich überhitzen, wenn Sie den Motor nach einem kurzen Flug von 1 oder 2 Minuten nicht über einen sehr langen Zeitraum festhalten können, und dieser Aufbau ist für eine längere Nutzung nicht geeignet.

Schritt 5: Drehmoment

Genauso wie es eine Motorgeschwindigkeitskonstante gibt, gibt es eine Drehmomentkonstante. Das obige Bild zeigt Ihnen den Zusammenhang zwischen der Drehmomentkonstante und der Geschwindigkeitskonstante. Um das Drehmoment zu finden, multiplizieren Sie einfach die Drehmomentkonstante mit dem Strom. Das Interessante am Drehmoment bei bürstenlosen Motoren ist, dass aufgrund der Widerstandsverluste der Schaltung zwischen Batterie und Motor die Beziehung zwischen Drehmoment und KV des Motors nicht so direkt zusammenhängt, wie die Gleichung vermuten lässt. Das angehängte Bild zeigt die tatsächliche Beziehung zwischen Drehmoment und KV bei verschiedenen Drehzahlen. Aufgrund des zusätzlichen Widerstands der gesamten Schaltung entspricht die prozentuale Widerstandsänderung nicht der prozentualen KV-Änderung und daher hat die Beziehung eine seltsame Kurve. Da die Änderungen nicht proportional sind, hat die niedrigere KV-Variante eines Motors immer mehr Drehmoment bis zu einer bestimmten hohen Drehzahl, wo der Drehzahl-Spielraum des hohen KV-Motors an Kraft übernimmt und mehr Drehmoment erzeugt.

Basierend auf der Gleichung ändert KV nur den Strom, der benötigt wird, um das Drehmoment zu erzeugen, oder umgekehrt, wie viel Drehmoment durch eine bestimmte Strommenge erzeugt wird. Die Fähigkeit eines Motors, tatsächlich Drehmoment zu erzeugen, hängt von Faktoren wie Magnetstärke, Luftspalt und Querschnittsfläche der Wicklungen ab. Wenn die Drehzahlen ansteigen, steigt der Strom hauptsächlich aufgrund der nichtlinearen Beziehung zwischen Energie und Drehzahl dramatisch an.

Schritt 6: Zusätzliche Funktionen

Die Motorglocke ist der Teil des Motors, der in einem Boot den meisten Schaden erleidet, daher ist es unbedingt erforderlich, dass sie aus dem besten Material für diesen Zweck besteht. Die meisten billigen chinesischen Motoren bestehen aus 6061-Aluminium, das sich bei einem harten Aufprall leicht verformt. Halten Sie sich also beim Fliegen vom Asphalt fern. Die hochwertigere Seite der Motoren verwendet 7075 Aluminium, das eine viel längere Haltbarkeit und längere Lebensdauer bietet.

Der jüngste Trend bei Quadrocopter-Motoren besteht darin, eine hohle Welle aus Titan oder Stahl zu haben, da sie leichter als eine Vollwelle ist und eine große strukturelle Festigkeit aufweist. Im Vergleich zu einer Vollwelle hat eine Hohlwelle bei gegebener Länge und Durchmesser weniger Gewicht. Darüber hinaus ist es eine gute Idee, auf Hohlwellen zu setzen, wenn wir unseren Schwerpunkt auf Gewichtsreduzierung und Kosteneinsparungen legen. Hohlwellen nehmen Torsionsbelastungen viel besser auf als Vollwellen. Außerdem lässt sich der Titanschaft nicht so leicht abstreifen wie der Stahl- oder Aluminiumschaft. Gehärteter Stahl kann in Bezug auf die Funktionsfestigkeit sogar besser sein als einige der üblicherweise in diesen Hohlwellen verwendeten Titanlegierungen. Es hängt wirklich von den spezifischen Legierungen ab, die diskutiert werden und von der verwendeten Härtetechnik. Unter der Annahme des besten Falles für beide Materialien ist Titan leichter, aber etwas spröder, und gehärteter Stahl ist zäher, aber etwas schwerer.

Schritt 7: Referenzen/Ressourcen

Für extrem detaillierte Tests und einen Überblick über bestimmte Quadrocopter-Motoren besuchen Sie EngineerX auf YouTube. Er veröffentlicht detaillierte Statistiken und testet die Motoren mit verschiedenen Propellern auf dem Prüfstand.

Für interessante Theorien und andere zusätzliche Informationen über die FPV-Renn-/Freestyle-Welt, schauen Sie sich KababFPV an. Er ist einer der besten Leute für lehrreiche und intuitive Diskussionen über die Quadrocopter-Technologie.

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