В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Коллекторные двигатели имеют низкие КПД, удельную мощность и моторесурс. Но их конструкция проще, они дешевле и не требуют сложного регулятора для работы. В свою очередь бесколлекторные двигатели практически не изнашиваются, если не считать выхода из строя дешевых китайских подшипников. При помощи регулятора оборотов можно организовать различные режимы: плавный разгон, торможение, ограничение по току, защиту от включения заблокированного двигателя.

Относительно недавно главным недостатком бесколлекторных двигателей была высокая цена, на 40–70 % больше, чем у коллекторных двигателей аналогичной мощности, и моделисты были вынуждены изготавливать их самостоятельно, перематывая двигатели от приводов CD и видеомагнитофонов. Сейчас появились недорогие бесколлекторные двигатели в широчайшем ассортименте, поэтому выбор между коллекторными и бесколлекторными двигателями зависит от области применения.

Коллекторные двигатели по-прежнему широко применяются в миниатюрных моделях, в том числе и в квадрокоптерах "наладонного" размера. В ситуации, когда идет борьба за каждый грамм веса, в миниатюрных коллекторных двигателях используют бескаркасные ( coreless ) катушки ротора. Отсутствие отдельного регулятора оборотов также существенно снижает общий вес, поскольку для управления оборотами коллекторного двигателя достаточно одного транзистора, управляемого сигналом с полетного контроллера. Ограниченный ресурс примитивного коллекторно-щеточного узла компенсируется дешевизной двигателя. Бесколлекторные двигатели для миниатюрных квадрокоптеров существуют, но дефицитны и стоят очень дорого, поскольку столь ювелирную конструкцию сложно изготавливать серийно.

С увеличением мощности двигателя возрастают коммутируемые токи в обмотках. Например, для двигателя квадрокоптера пиковые рабочие токи величиной 20–40 А — это обычное явление. Щеточный узел для таких токов должен иметь графитовые щетки и мощный коллектор с большим пятном контакта, что существенно усложняет и утяжеляет конструкцию, сводя на нет выгоды бесколлекторного двигателя. Более того, сильнейшие помехи от искрящих щеточных узлов четырех моторов могут не только забить сигналы управления и GPS, но и вызвать сбои в работе бортовой электроники. Поэтому в квадрокоптерах, начиная с диагонали 160 мм, коллекторные двигатели обычно не применяются.

Важным параметром бесколлекторного двигателя является его паспортная скорость вращения, измеряемая в оборотах на вольт питающего напряжения (обозначается как kV). В квадрокоптерах применяются низкооборотистые, по модельным меркам, двигатели с kV = 400-1200. Здесь мы плавно переходим к разговору о воздушных винтах, потому что двигатель и винт образуют единую винтомоторную пару, и правильнее будет рассуждать об оптимальном сочетании двух составляющих этой пары.

Не углубляясь в основы аэродинамики, рассмотрим общие принципы подбора винтомоторной пары. Основными параметрами винта являются диаметр, шаг и количество лопастей. Диаметр измеряется, как диаметр круга, образуемого при вращении винта. Шаг винта — это расстояние, пройденное винтом за один оборот при "ввинчивании" в условную твердую среду. Увеличение шага винта повышает тягу при малых оборотах. Все винты, кроме совсем миниатюрных, имеют переменный шаг и профиль лопасти. Внимательно рассмотрев винт, вы увидите, что ближе к законцовке угол атаки лопасти уменьшается, а ее профиль становится более плоским.

Зачем так делают? При движении точек по окружности с одинаковой угловой скоростью, чем дальше от центра вращения, тем выше линейная скорость точки. Концевая часть лопасти движется со значительно большей линейной скоростью, чем корневая. Поэтому, чтобы сделать нагрузку на лопасть равномерной по всей длине (а точнее, дать больше нагрузки на прочную корневую часть), используют переменный профиль. В противном случае лопасти начнут выгибаться во время вращения даже при небольшой тяге, а также начнется срыв воздушного потока ближе к концам лопастей.

При вращении винт создает подвижный воздушный поток, движущийся в направлении, противоположном направлению вектора тяги. Поскольку квадрокоптеры очень медленно перемещаются по вертикали, обычно применяется сочетание двигателей с низкими оборотами и винтов с большим шагом.

Почему не рекомендуется использовать для квадрокоптеров моторы с высокими оборотами в паре с винтами малого шага? Для достижения максимального КПД скорость потока, создаваемого винтом, должна быть соотносима со скоростью перемещения модели. В статическом состоянии, когда квадрокоптер висит, мощность "быстрой" винтомоторной пары расходуется крайне непродуктивно по причине возникающих завихрений и срывов потока в плоскости вращения винта. Упрощенно говоря, при неподвижной или медленно движущейся модели "быстрый" винт вхолостую перемалывает воздух, находясь в неблагоприятной турбулентной среде. При этом резко возрастает потребляемый ток и возможен перегрев двигателя.

На начальном этапе надо запомнить два простых интуитивных правила:

• рабочие обороты двигателя и шаг винта находятся во взаимно обратной зависимости;

• чем больше диаметр винта, тем меньше должны быть рабочие обороты двигателя.

Второе правило также нетрудно обосновать практическими соображениями. Маленький винт даже при большом шаге не может создать достаточную удельную тягу, если обороты невелики. Если рассматривать квадрокоптер как единую массоэнергетическую систему, то чем крупнее квадрокоптер, тем выше КПД системы в целом. В маленьких "наладонниках" очень велика доля веса немасштабируемых или плохо масштабируемых элементов конструкции (микросхемы, провода, батарейка и т. д.) относительно развиваемой тяги. Кроме того, КПД малогабаритных винтов тоже невелик, т. к. плотность воздуха есть величина постоянная и при масштабировании винта не меняется. В силу этих причин наладонные нанокоптеры, как правило, могут нести в воздухе лишь самих себя, и то недолго. В то же время крупные коптеры могут летать существенно дольше и нести большую нагрузку.

Одной из основных характеристик бесколлекторного двигателя является количество оборотов на один вольт питающего напряжения (kV). Для квадрокоптеров с диагональю 450–600 мм, как правило, оптимальными являются двигатели с kV 800-1200 и винты размера 8-11" с шагом около 4,7". В каждом конкретном случае потребуется произвести экспериментальный подбор оптимальных винтов под двигатель и нагрузку, т. к. винты даже одного размера, но от разных производителей, могут существенно различаться по динамическим характеристикам. Кроме того, производители двигателей, особенно недорогих, зачастую грешат недостоверностью характеристик.