Silniki do UAV: dobór KV, ciągu i masy do płatowca

Silnik do UAV ma robić dobrze jedną rzecz: obracać śmigło z wydajnością, która utrzyma konstrukcję w powietrzu przez czas wymagany misją. Wszystko inne w układzie napędowym – regulator ESC, skok śmigła, pakiet akumulatorów – dobiera się wokół niego, dlatego lista kandydatów zwykle zaczyna się od ciągu i masy, a następnie zawęża się według KV, konfiguracji stojana i rezystancji uzwojenia.

Ten przewodnik omawia, jak określa się parametry silników napędowych typu outrunner, które liczby rzeczywiście zmieniają decyzję projektową oraz jak wypada trzynaście z modeli aktualnie wymienionych w kategorii ToBMS Silniki UAV. Każda wartość poniżej pochodzi z danych produktowych ToBMS lub z opublikowanej specyfikacji producenta – żadna nie jest szacowana.

Szybka odpowiedź

Silnik napędowy do UAV to bezszczotkowy silnik z wirnikiem zewnętrznym, którego KV jest dopasowane do średnicy śmigła i napięcia akumulatora, którego konfiguracja stojana i rezystancja uzwojenia decydują, ile prądu można zamienić na ciąg bez przegrzewania, a którego wał i układ mocowania rozstrzygają, czy silnik pasuje do konstrukcji. Dobór biegnie zwykle w jednym kierunku: ustala się śmigło i napięcie pakietu, odczytuje ciąg oraz prąd z danych testowych producenta, a następnie wybiera silnik, którego KV, masa i moc maksymalna odpowiadają temu punktowi pracy. Masa liczy się w wielowirnikowcu podwójnie – to ładunek, którego nie można przeznaczyć na akumulatory ani czujniki.

Co tak naprawdę decyduje o silniku do UAV

Poniższe wiersze karty danych to te, które zmieniają wynik; reszta to konsekwencje.

KV i śmigło, które silnik musi obracać

KV to stała prędkości – w przybliżeniu określa, jak szybko obraca się silnik na każdy przyłożony wolt bez obciążenia. Nie jest to miara jakości i wyższe KV nie oznacza lepszego silnika. Określa natomiast zależność między napięciem, obciążeniem śmigła i poborem prądu: silnik o niskim KV i dużej liczbie ogniw wolno i wydajnie obraca duże śmigło, natomiast silnik o wysokim KV i małej liczbie ogniw szybko kręci małym śmigłem. Dopasowanie KV do konstrukcji oznacza zwykle wybór liczby ogniw i śmigła jako pierwszych, przy traktowaniu KV jako łącznika między nimi.

Konfiguracja stojana: 12N14P, 18N24P, 24N28P, 36N42P

Notacja stojana opisuje żłobki i bieguny – 12 żłobków z 14 magnesami, 36 z 42. Więcej żłobków i biegunów oznacza zwykle płynniejsze przekazywanie momentu obrotowego i mniejszy skok zapadkowy przy danym obrocie, co odpowiada większym, wolniejszym śmigłom i dolnemu końcowi zakresu KV. Wyższa liczba biegunów podnosi też częstotliwość elektryczną, przy której regulator ESC musi komutować przy danej prędkości mechanicznej, dlatego przy przejściu projektu w górę zakresu liczby biegunów trzeba sprawdzić wyprzedzenie czasowe ESC oraz maksymalną elektryczną prędkość obrotową.

Rezystancja wewnętrzna i wydajność

Rezystancja uzwojenia decyduje o tym, jaka część energii elektrycznej zamienia się w ciepło, a nie w ciąg. Jest to również wartość najbardziej wrażliwa na rozmiar: modele z tego zestawienia mają od 17 mΩ w U15 II i U15XL do 194 mΩ w najmniejszej jednostce Navigator. Gdy dwa silniki o zbliżonej masie różnią się o dziesiątki miliomów, ten o niższej rezystancji pracuje zwykle chłodniej przy tym samym prądzie – a to właśnie ten zapas rozstrzyga, czy długotrwała misja jest możliwa na danym pakiecie.

Moc maksymalna i okno 180 s

Wartości mocy maksymalnej w tej kategorii podawane są dla okna 180 sekund. To wartość krótkotrwała, a nie ciągła, i istnieje dlatego, że praca wielowirnikowca zdominowana jest przez zawis: silnik spędza większość lotu na częściowym otwarciu przepustnicy i osiąga swoją granicę tylko podczas wznoszenia, walki z wiatrem lub gwałtownego wyprowadzania. Dobieranie konstrukcji wyłącznie według mocy maksymalnej, bez sprawdzenia prądu w rzeczywistym punkcie zawisu, to najczęstszy sposób na rozgrzany silnik i krótki lot. Tam, gdzie publikowana jest wartość prądu ciągłego, została ona podana osobno w poniższym porównaniu.

Wał, mocowanie i przewody

Średnica wału i układ mocowania to parametry, które przy przeoczeniu zamieniają dobry silnik w bezużyteczny. Rolnicze i ciężkie modele z tego zestawienia wykorzystują mocowanie wału na kołek lub z dużym otworem pod adaptery śmigieł przenoszące wysoki moment obrotowy; mniejsze jednostki do fotografii lotniczej mają wały 4 mm ze standardowymi mocowaniami śmigieł. Długość i przekrój przewodów mają znaczenie w konstrukcjach, w których regulator ESC znajduje się na ramieniu, a nie w piaście – kilka modeli podano z długością przewodów od 80 do 600 mm oraz z odrębną masą bez przewodów, którą warto stosować przy porównaniu z bilansem masy konstrukcji.

Ciąg i punkt pracy

Ciąg nie jest samodzielną właściwością silnika; to właściwość silnika, śmigła i napięcia razem. Dlatego tabele testowe producenta są użyteczniejsze niż jakakolwiek pojedyncza liczba z karty specyfikacji. W opisach w ToBMS zapisano publikowany ciąg tam, gdzie jest dostępny, a wartości te są poniżej cytowane model po modelu, a nie podsumowane jednym zakresem.

Porównanie trzynastu silników do UAV

Tabela obejmuje trzynaście z silników napędowych aktualnie wymienionych w kategorii Silniki UAV, uszeregowane od najlżejszego do najcięższego. Moc maksymalna to wartość producenta dla 180 sekund; rezystancja wewnętrzna to publikowana wartość fazowa.

Konfiguracja stojana, moc maksymalna dla 180 sekund, rezystancja wewnętrzna, średnica wału i masa zgodnie z publikacją producenta. Średnice wałów oznaczono jako „Nie podano”, gdy rekord ToBMS nie zawiera wartości, zamiast wywnioskować ją z rysunku.

Widoczne są dwa skupienia. Poniżej 300 g silniki to jednostki 12N14P do 24N28P do fotografii lotniczej i ogólnego przeznaczenia, o rezystancji od 50 do 194 mΩ i masie poniżej 200 g. Powyżej 600 g wszystkie mają konfigurację 36N42P – tę samą, skalowaną w górę – z dużo niższą rezystancją i mocą sięgającą kilowatów. Skokowa zmiana konfiguracji stojana między tymi grupami nie jest przypadkiem: to ona pozwala wolno obracać duże śmigło przy akceptowalnym tętnieniu momentu obrotowego.

Stosunek mocy szczytowej do masy nie jest tu użytecznym wskaźnikiem; liczą się stosunek rezystancji do masy oraz publikowane wartości ciągu. U3 KV700 na przykład podano z ciągiem do 1.8 kg przy masie 128 g na 3-4S, natomiast MN3110 KV470 osiąga 1.2 kg przy 98 g, a MN3510 KV360 dochodzi do 1.9 kg przy 117 g. Odczytywanie tych trzech wartości razem zamienia bilans masy w decyzję napędową, a żadnej z nich nie można uszeregować bez śmigła i liczby ogniw, przy których została zmierzona.

Seria Navigator: MN3110, MN3510, MN4006, MN4014 i MN5008

Linia Navigator to fotografia lotnicza i lekki przemysł w tej kategorii, a zarazem grupa z największą liczbą opublikowanych danych o ciągu w ToBMS.

MN3110 KV470 i MN3510 KV360

Silnik MN3110 KV470 to jednostka o masie 98 g i konfiguracji 12N14P, podana z ciągiem do 1.2 kg oraz mocą maksymalną 330 W na 3-6S, wałem 4 mm i przewodem 600 mm – z odrębną wartością 80 g bez przewodów, której należy użyć w bilansie masy. Model MN3510 KV360 przechodzi do 117 g i 330 W, z wyższym publikowanym ciągiem 1.9 kg na 3-6S. Ta para pokazuje, dlaczego KV nie da się porównywać między śmigłami: silnik o niższym KV i większej średnicy przenosi cięższą konstrukcję.

MN4006 KV380, MN4014 KV400 i MN5008 KV340

Silnik MN4006 KV380 jest najlżejszym silnikiem w tej kategorii – 68 g, moc maksymalna 380 W i prąd szczytowy 16 A na 4-6S. Średnicę wału należy sprawdzić na rysunku producenta przed zamówieniem adaptera śmigła, ponieważ pojedynczy błędnie odczytany wymiar może zatrzymać budowę. Model MN4014 KV400 to środek rodziny: 171 g, 900 W i ciąg do 3.3 kg na 4-8S, natomiast MN5008 KV340 wykorzystuje stojan 24N28P i wał 6 mm, z mocą 760 W i prądem szczytowym 35 A na 6S. Konfiguracja 24N28P w konstrukcji, która będzie głównie wisieć, jest wyborem świadomym: więcej biegunów oznacza zwykle płynniejszy moment obrotowy i mniejsze zapadkowanie przy niskich prędkościach, przy których silnik spędza swój lot.

Seria U: U3 KV700 i U5 KV400

Silniki z serii U to jednostki wielowirnikowe ogólnego przeznaczenia, obie w konfiguracji 12N14P.

U3 KV700: lekkie konstrukcje, wysokie KV

Silnik U3 KV700 o masie 128 g podano z ciągiem do 1.8 kg i mocą maksymalną 500 W na 3-4S, z wartością prądu ciągłego 25 A i przewodem 600 mm. W opisie w ToBMS przedstawiono go jako jednostkę ze stojanem 12N14P i wydajnym chłodzeniem, przeznaczoną do konstrukcji przemysłowych i rolniczych – choć przy tym KV i tej masie jest to w istocie silnik do małych i średnich wielowirnikowców, a dobór należy prowadzić według wartości prądu ciągłego, ponieważ 500 W to wartość dla 180 sekund.

U5 KV400: szersze okno napięć

Model U5 KV400 jest bardziej elastyczny z tej dwójki: 195 g, moc maksymalna 850 W, zakres 3-8S, wał 5 mm i 116 mΩ rezystancji wewnętrznej. Wartość prądu ciągłego 30 A oraz okno 3-8S czynią go kandydatem do konstrukcji latających na więcej niż jednej konfiguracji pakietu – to częste wymaganie, gdy prototyp startuje najpierw na małym akumulatorze, a potem przechodzi na pakiet produkcyjny.

Duże udźwigi i klasa załogowa: U8 Lite L, U15 II, U15XL i U15XXL

Powyżej 280 g kategoria zmienia charakter: to silniki 36N42P zbudowane do wysokiego ciągu przy niskim KV, z wałami mierzonymi w dziesiątkach milimetrów i wartościami prądu, które dominują w projekcie rozdzielenia zasilania.

U8 Lite L KV110

Model U8 Lite L KV110 waży 282 g i zapewnia publikowany ciąg 11.2 kg przy mocy maksymalnej 2140 W na szynie 12S, pobierając do 45.8 A w szczycie przy 105 mΩ rezystancji wewnętrznej. W opisie w ToBMS podano 1000 godzin okresu eksploatacji, co jest innym rodzajem parametru niż pozostałe w tej tabeli i zasługuje na uwagę: w konstrukcji inspekcyjnej lub pomiarowej interwał serwisowy jest osobną pozycją w planowaniu eksploatacji, a nie przypisem. Wał 15 mm przy tej masie sygnalizuje również, jakie obciążenia od śmigła ma przenosić mocowanie.

U15 II KV80, U15XL KV38 i U15XXL KV29

Te trzy modele mają wspólny stojan klasy 151 mm i konfigurację 36N42P, a różnią się głównie KV, masą i prądem. Najlżejszy jest U15 II KV80 – 1740 g, moc maksymalna 8580 W na 12-24S i publikowany ciąg 36.5 kg. Model U15XL KV38 przechodzi do 4408 g i wartości prądu szczytowego 180 A, z ciągiem do 81 kg na 24S, a U15XXL KV29 osiąga 5130 g i 210 A w szczycie przy publikowanym ciągu 100 kg.

Przy takich prądach silnik przestaje być ograniczającym elementem projektu: trzeba go dobierać razem z obciążalnością złączy, przekrojem przewodów i współczynnikiem C akumulatora. Wartości rezystancji – 17 i 20 mΩ – pokazują, jak ciasno nawinięto uzwojenia, aby utrzymać straty na akceptowalnym poziomie przy 200 A, i dlatego tych silników nie można po prostu zastąpić modelem o niższym prądzie bez ponownego doboru regulatora ESC.

Rolnictwo i duże ładunki: P60 Pin i P80 III Pin

Seria P to część oferty przeznaczona do dronów opryskowych, gdzie silnik musi utrzymywać ciężki, słabo wyważony ładunek podczas ciągłego manewrowania.

P60 Pin KV170

Model P60 Pin KV170 to silnik o masie 375 g i konfiguracji 24N28P, z mocą maksymalną 1800 W w zakresie 6-14S, rezystancją wewnętrzną 80 mΩ i prądem ciągłym 38 A. W opisie w ToBMS wskazano zastosowanie w rolniczych wielowirnikowcach obracających duże śmigła, a mocowanie na kołek pozwala zamontować adapter śmigła przenoszący wysoki moment obrotowy bez opierania się na małym gwintowanym wale.

P80 III Pin KV100

Model P80 III Pin KV100 to największa jednostka serii P – 649 g, stojan 36N42P i moc maksymalna 2700 W. Ma najwyższą wartość prądu szczytowego w grupie rolniczej, 60 A, oraz rezystancję uzwojenia 45 mΩ – niską jak na swoją masę, co pozwala utrzymać okno 2700 W bez wymykania się temperatury uzwojenia. W opisie w ToBMS przedstawiono go jako napęd dużych śmigieł do ciężkich ładunków opryskowych, czyli w pracy łączącej ciągłe obciążenie z nieustanną korektą położenia.

Który silnik do której konstrukcji

W ToBMS silniki te są pogrupowane według spójnego zestawu zastosowań, a to zastosowanie decyduje o tym, który parametr dominuje.

Fotografia, inspekcja i wielowirnikowce przemysłowe

Fotografia lotnicza, inspekcja, zastosowania przemysłowe i długotrwałe loty – takie konstrukcje są reprezentowane w tej kategorii. Dominują tu wydajność i niskie drgania, ponieważ gimbal musi stabilizować obraz wbrew temu, co układ napędowy przekazuje na ramę; rezystancja wewnętrzna i konfiguracja stojana liczą się bardziej niż ciąg szczytowy.

Rolnictwo, duże udźwigi i platformy załogowe

Drony rolnicze, Dron o dużym udźwigu oraz Napęd samolotów załogowych wysuwają na pierwszy plan ciąg i niezawodność. Na tym końcu rzeczywiste ograniczenie wyznaczają prąd ciągły, wał i interfejs mocowania oraz zachowanie termiczne przy powtarzanych lotach – a publikowaną moc dla 180 sekund trzeba odczytywać jako wartość przejściową, a nie jako parametr roboczy. Trzy silniki obsługujące ostatnią z tych grup – U15 II, U15XL i U15XXL – są porównywane bezpośrednio, wraz z kompromisami, które wnosi platforma załogowa, w Napęd samolotów załogowych: trzy silniki T-Motor U15 w doborze.

Lista kontrolna doboru

Silniki napędowe trudno zmienić na późnym etapie programu konstrukcji, dlatego te kontrole warto przeprowadzić, zanim zostanie określona geometria ramion i regulator ESC.

Konstrukcja i punkt pracy

1. Ustal najpierw śmigło i liczbę ogniw, a następnie odczytaj z tabeli producenta ciąg i prąd w punkcie zawisu, a nie przy pełnym otwarciu przepustnicy.
2. Potwierdź prąd zawisu względem wartości prądu ciągłego i traktuj wartości mocy maksymalnej jako okna 180 sekund.
3. Oblicz łączną masę układu napędowego wraz z przewodami i porównaj ją z masą ładunku oraz akumulatorów, jaką może unieść konstrukcja.
4. Sprawdź zapas ciągu potrzebny do walki z wiatrem i kontrolowanego zniżania, a nie tylko do zawisu.

Integracja elektryczna i mechaniczna

1. Dopasuj KV, liczbę biegunów i prędkość maksymalną do limitu komutacji i wymagań czasowych regulatora ESC.
2. Zweryfikuj rezystancję uzwojenia i prąd maksymalny względem pakietu, złączy i przekroju przewodów.
3. Potwierdź średnicę wału, układ mocowania i zgodność adaptera przed zamówieniem śmigieł.
4. Sprawdź długość i prowadzenie przewodów względem miejsca montażu regulatora ESC na ramieniu oraz użyj wartości masy bez przewodów tam, gdzie jest publikowana.

Najczęściej zadawane pytania

Zasoby oficjalne

T-Motor publikuje pełny katalog produktów obejmujący serie U, MN, P i AT, a każdy model ma oficjalną stronę produktu z pełną specyfikacją, tabelami ciągu i rysunkami – na przykład oficjalna strona T-Motor. Producent pozostaje źródłem wiarygodnych danych w zakresie ciągu, specyfikacji uzwojeń i zaleceń dotyczących śmigieł; ToBMS utrzymuje warstwę odkrywania i porównywania w formie przeszukiwalnej.

Co dalej

Jeżeli celem jest utworzenie listy kandydatów, a nie rozpoznanie rynku, trzy narzędzia platformy wykonują tę pracę po kolei. Pełna kategoria Silniki UAV pozwala zobaczyć każdy model i specyfikację obok siebie oraz filtrować kandydatów według KV, masy i mocy w narzędziu Dobór, a następnie zestawić ich ze sobą w narzędziu Porównanie produktów. W przypadku konstrukcji projektowanych wokół wyścigów lub lotu stałopłatowego, a nie napędu do wytwarzania siły nośnej, zakres ten obejmuje osobno kategoria Silniki do dronów.

Krótka wersja: ustalić śmigło i napięcie pakietu, odczytać ciąg i prąd w punkcie zawisu, dobierać według prądu ciągłego, a nie szczytowego dla 180 sekund, a następnie potwierdzić masę, wał i mocowanie względem konstrukcji. Wszystko inne – długość przewodów, typ adaptera, wyprzedzenie czasowe ESC – wynika z tych czterech decyzji.