Borstelloze motoren: 7 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Deze instructable is een gids/overzicht van de motortechnologie achter moderne enthousiaste quadcoptermotoren. Bekijk deze geweldige video om je te laten zien waartoe quadcopters in staat zijn. (Bekijk het volume. Het wordt erg luid) Alle eer gaat naar de oorspronkelijke uitgever van de video.

Stap 1: Terminologie

De meeste borstelloze motoren worden meestal beschreven met twee reeksen cijfers; zoals: Hyperlite 2207-1922KV. De eerste reeks cijfers verwijst naar de statorgrootte van de motor in millimeters. Deze specifieke motorstator is 22 mm breed en 7 mm hoog. De oude DJI Phantoms gebruikten 2212 motoren. De statorafmetingen volgen meestal een trend:

Hogere stator zorgt voor hogere topprestaties (hogere RPM-bereiken)

Bredere stator zorgt voor sterkere lagere prestaties (lagere RPM-bereiken)

De tweede reeks cijfers is de KV-classificatie voor de motor. De KV-classificatie van de motor is de snelheidsconstante van die specifieke motor, wat in feite betekent dat de motor een tegen-EMF van 1V zal creëren wanneer de motor met dat toerental draait of zal draaien met een onbelast toerental van de KV wanneer 1V wordt toegepast. Bijvoorbeeld: deze motor in combinatie met een 4S-lipo heeft een theoretisch nominaal toerental van 1922x14,8 = 28, 446 tpm

Het is mogelijk dat de motor deze theoretische snelheid niet haalt omdat er niet-lineaire mechanische verliezen en weerstandsverliezen zijn.

Stap 2: Grondbeginselen

Een elektromotor ontwikkelt koppel door de polariteit van roterende elektromagneten die aan de rotor zijn bevestigd, het roterende deel van de machine en stationaire magneten op de stator die de rotor omringt, af te wisselen. Een of beide sets magneten zijn elektromagneten, gemaakt van een draadspoel die rond een ferromagnetische kern is gewikkeld. Elektriciteit die door de draadwikkeling loopt, creëert het magnetische veld en levert de kracht die de motor aandrijft.

Het configuratienummer geeft aan hoeveel elektromagneten er op de stator zitten en het aantal permanente magneten op de rotor. Het cijfer voor de letter N geeft het aantal elektromagneten aan dat zich in de stator bevindt. Het getal voor de P geeft aan hoeveel permanente magneten er in de rotor zitten. De meeste out-runner borstelloze motoren volgen de 12N14P-configuratie.

Stap 3: Elektronische snelheidsregelaar

Een ESC is het apparaat dat de gelijkstroom van de batterij omzet in wisselstroom. Het neemt ook gegevensinvoer van de vluchtcontroller op om de snelheid en het vermogen van de motor te moduleren. Er zijn meerdere protocollen voor deze communicatie. De primaire analoge zijn: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 en Multishot. Maar deze werden achterhaald voor quadcopters toen nieuwe digitale protocollen arriveerden, Dshot genaamd. Het heeft geen van de kalibratieproblemen van analoge protocollen. Omdat er digitale bits als informatie worden verzonden, wordt het signaal niet verstoord door de veranderende magnetische velden en spanningspieken in tegenstelling tot hun tegenhanger. Dhsot is niet echt merkbaar sneller dan Multishot tot DShot 1200 en 2400, die op dit moment slechts op een paar ESC's kunnen draaien. De echte voordelen van Dshot zijn voornamelijk de tweerichtingscommunicatiecapaciteit, met name de mogelijkheid om kamergegevens terug te sturen naar de FC voor gebruik bij het afstemmen van de dynamische filters en de mogelijkheid om dingen te doen zoals de turtle-modus (tijdelijk de ESC's omkeren om de quad om te draaien) over als het ondersteboven vastzit). Een ESC bestaat voornamelijk uit 6 mosfets, 2 voor elke fase van de motor en een microcontroller. De mosfet wisselt in principe af tussen het omkeren van de polariteit op een bepaalde frequentie om het toerental van de motor te regelen. De ESC's hebben een stroomsterkte, aangezien dat de maximale stroomsterkte is die de ESC gedurende lange tijd kan volhouden.

Stap 4: Efficiëntie

(Meerdere strengen: Paarse Motor Enkele streng: Oranje Motor)

Draad:

Meeraderige draden kunnen meer kopervolume in een bepaald gebied bevatten in vergelijking met een enkele dikke draad die rond de stator is gewikkeld, zodat de magnetische veldsterkte iets sterker is, maar het totale stroomverbruik van de motor is beperkt vanwege de dunne draden (aangezien de meeraderige motor is geconstrueerd zonder enige kruising van de draden, wat hoogst onwaarschijnlijk is vanwege de productiekwaliteit). Een dikkere draad kan meer stroom dragen en een hoger uitgangsvermogen aanhouden in vergelijking met een gelijk geconstrueerde meeraderige motor. Het is moeilijker om een goed geconstrueerde meeraderige motor te bouwen, daarom zijn de meeste kwaliteitsmotoren gebouwd met een enkele draad (voor elke fase). De kleine voordelen van meeraderige bedrading worden gemakkelijk overtroffen door de fabricage en het middelmatige ontwerp, om nog maar te zwijgen van het feit dat er veel meer ruimte is voor ongelukken als een van de dunne draden oververhit raakt of kortsluiting veroorzaakt. Enkelstrengige bedrading heeft geen van deze problemen, omdat deze een veel hogere stroomlimiet heeft en minimale kortsluitingspunten. Dus voor betrouwbaarheid, consistentie en efficiëntie zijn enkelstrengige wikkelingen het beste voor quadcopter borstelloze motoren.

PS Een van de redenen dat meeraderige draden slechter zijn voor sommige specifieke motoren, is het skin-effect. Huideffect is de neiging van een elektrische wisselstroom om binnen een geleider te worden verdeeld, zodat de stroomdichtheid het grootst is nabij het oppervlak van de geleider en afneemt met grotere diepten in de geleider. De diepte van het huideffect varieert met de frequentie. Bij hoge frequenties wordt de huiddiepte veel kleiner. (Voor industriële doeleinden wordt litzedraad gebruikt om de verhoogde AC-weerstand als gevolg van het skin-effect tegen te gaan en geld te besparen) Dit skinning-effect kan ervoor zorgen dat elektronen over de draden binnen elke spoelgroep springen, waardoor ze effectief met elkaar worden kortgesloten. Dit effect treedt meestal op wanneer de motor nat is of hoge frequenties van meer dan 60 Hz gebruikt. Het skinning-effect kan wervelstromen veroorzaken die op hun beurt hotspots in de wikkeling creëren. Dit is de reden waarom het gebruik van kleinere draad niet ideaal is.

Temperatuur:

De permanente neodymiummagneten die worden gebruikt voor borstelloze motoren zijn behoorlijk sterk, ze variëren meestal van N48-N52 in termen van magnetische sterkte (hoger is sterker N52 is de sterkste voor zover ik weet). Neodymiummagneten van het type N verliezen bij een temperatuur van 80 °C permanent een deel van hun magnetisatie. Magneten met de N52-magnetisatie hebben een maximale werktemperatuur van 65°C. Een krachtige afkoeling is niet schadelijk voor neodymiummagneten. Het wordt aanbevolen om de motoren nooit te oververhitten, omdat het emaille isolatiemateriaal op de koperen wikkelingen ook een temperatuurlimiet heeft en als ze smelten, kan dit een kortsluiting veroorzaken die de motor verbrandt of erger nog, je vluchtcontroller. Een goede vuistregel is dat als je de motor niet voor een zeer lange tijd vast kunt houden na een korte vlucht van 1 of 2 minuten, je waarschijnlijk de motor oververhit en die opstelling niet haalbaar is voor langdurig gebruik.

Stap 5: Koppel

Net zoals er een motorsnelheidsconstante is, is er een koppelconstante. De afbeelding hierboven toont u de relatie tussen de koppelconstante en de snelheidsconstante. Om koppel te vinden, vermenigvuldigt u gewoon de koppelconstante met stroom. Het interessante aan koppel in borstelloze motoren is dat vanwege de weerstandsverliezen van het circuit tussen de batterij en de motor, de relatie tussen het koppel en de KV van de motor niet zo direct gerelateerd is als de vergelijking suggereert. De bijgevoegde afbeelding toont de werkelijke relatie tussen koppel en KV bij verschillende RPM's. Door de toegevoegde weerstand van het hele circuit is de % verandering in de weerstand niet gelijk aan de % verandering in de KV en daarom heeft de relatie een rare curve. Omdat de veranderingen niet proportioneel zijn, heeft de lagere KV-variant van een motor altijd meer koppel tot een bepaald hoog toerental waarbij de toerentalhoogte van de hoge KV-motor het overneemt in kracht en meer koppel produceert.

Op basis van de vergelijking verandert KV alleen de stroom die nodig is om het koppel te produceren, of omgekeerd, hoeveel koppel wordt geproduceerd door een bepaalde hoeveelheid stroom. Het vermogen van een motor om daadwerkelijk koppel te produceren, is een factor van zaken als magneetsterkte, luchtspleet, dwarsdoorsnede van de wikkelingen. Naarmate de RPM's toenemen, stijgt de stroom dramatisch, voornamelijk vanwege de niet-lineaire relatie tussen energie en RPM's.

Stap 6: Extra functies

De motorbel is het deel van de motor dat de meeste schade oploopt in een vaartuig, dus het is absoluut noodzakelijk dat deze van het beste materiaal voor het doel is gemaakt. De meeste goedkope Chinese motoren zijn gemaakt van 6061 aluminium dat gemakkelijk vervormt bij een harde crash, dus blijf tijdens het vliegen uit de buurt van asfalt. De meer premium kant van de motoren gebruikt 7075 aluminium dat een veel grotere duurzaamheid en een langere levensduur biedt.

De recente trend in quadcoptermotoren is om een holle titanium of stalen as te hebben, omdat deze lichter is dan een massieve as en een grote structurele sterkte heeft. In vergelijking met een massieve as is een holle as bij een gegeven lengte en diameter minder zwaar. Bovendien is het een goed idee om door te gaan met holle assen, als we onze nadruk leggen op gewichtsvermindering en kostenbesparing. Holle assen zijn veel beter bestand tegen torsiebelastingen dan massieve assen. Bovendien zal de titanium as niet zo gemakkelijk strippen als de stalen of aluminium as. Gehard staal kan qua functionele sterkte zelfs beter zijn dan sommige van de titaniumlegeringen die gewoonlijk in deze holle assen worden gebruikt. Het hangt echt af van de specifieke legeringen die worden besproken en de gebruikte hardingstechniek. Uitgaande van het beste geval voor beide materialen, zal titanium lichter zijn, maar iets brozer, en gehard staal zal taaier zijn, maar licht en zwaarder.

Stap 7: Referenties/bronnen

Voor extreem gedetailleerde tests en een overzicht van specifieke quadcoptermotoren, bekijk EngineerX op YouTube. Hij plaatst gedetailleerde statistieken en test de motoren met verschillende propellers.

Voor interessante theorieën en andere extra informatie over de FPV race/freestyle wereld, bekijk KababFPV. Hij is een van de beste mensen om naar te luisteren voor een leerzame en intuïtieve discussie over quadcoptertechnologie.

www.youtube.com/channel/UC4yjtLpqFmlVncUFE…

Geniet van deze foto.

Bedankt voor het bezoeken.