Моторы для БПЛА: подбор KV, тяги и массы под аппарат

От UAV-мотора требуется одно: вращать пропеллер с той эффективностью, которая удерживает аппарат в воздухе столько, сколько требует задача. Всё остальное в силовой установке — ESC, шаг пропеллера, батарейный блок — выбирается вокруг него, поэтому отбор моторов обычно начинается с тяги и массы, а затем сужается по KV, конфигурации статора и сопротивлению обмотки.

Этот обзор описывает, как задаются характеристики моторов с внешним ротором для силовых установок, какие числа действительно меняют проектное решение и как сравниваются тринадцать из моделей, представленных сейчас в категории UAV-моторы на ToBMS. Все приведённые значения взяты из данных о продуктах ToBMS или из опубликованных производителем характеристик — ничего не оценивалось приблизительно.

Краткий ответ

UAV-мотор для силовой установки — это бесколлекторный мотор с внешним ротором, KV которого согласован с диаметром пропеллера и напряжением батареи, конфигурация статора и сопротивление обмотки определяют, какой ток он способен превращать в тягу без перегрева, а вал и схема крепления решают, подходит ли он для аппарата. Подбор обычно идёт в одном направлении: зафиксировать пропеллер и напряжение блока, взять значения тяги и тока из тестовых данных производителя, а затем выбрать мотор, у которого KV, масса и максимальная мощность соответствуют этой рабочей точке. На мультикоптере масса важна дважды — это полезная нагрузка, недоступная для батарей или датчиков.

Что действительно определяет UAV-мотор

Строки характеристик ниже — это те, что меняют результат; остальные являются следствием.

KV и пропеллер, который мотору предстоит вращать

KV — это константа скорости, то есть приблизительно то, как быстро мотор вращается на вольт без нагрузки. Это не показатель качества, и более высокий KV не означает лучший мотор. Он задаёт соотношение между напряжением, нагрузкой пропеллера и потребляемым током: мотор с низким KV при большом числе ячеек медленно и эффективно вращает крупный пропеллер, а мотор с высоким KV при малом числе ячеек быстро раскручивает небольшой пропеллер. Согласование KV с аппаратом обычно означает, что сначала выбирают число ячеек и пропеллер, а KV служит мостом между ними.

Конфигурация статора: 12N14P, 18N24P, 24N28P, 36N42P

Запись конфигурации статора описывает пазы и полюсы — 12 пазов с 14 магнитами, 36 с 42. Большее число пазов и полюсов обычно даёт более плавную отдачу момента и меньший шаг залипания на оборот, что подходит более крупным и медленным пропеллерам и низкому концу диапазона по KV. Большее число полюсов также повышает электрическую частоту, на которой ESC должен коммутировать при заданной механической скорости, поэтому при переходе к большему числу полюсов нужно проверять тайминг ESC и максимальные электрические обороты.

Внутреннее сопротивление и эффективность

Сопротивление обмотки определяет, какая часть электрической мощности превращается в тепло, а не в тягу. Это также показатель, наиболее чувствительный к размеру: модели здесь идут от 17 mΩ у U15 II и U15XL до 194 mΩ у самого малого блока Navigator. Когда два мотора близкой массы различаются на десятки миллиом, менее резистивный обычно работает холоднее при том же токе — и именно этот запас определяет, возможна ли длительная миссия на данном блоке батарей.

Максимальная мощность и окно в 180 s

Значения максимальной мощности в этой категории приводятся для окна в 180 секунд. Это кратковременный, а не непрерывный режим, и он существует потому, что работа мультикоптера определяется в основном висением: большую часть полёта мотор работает на части газа и достигает предела только при наборе высоты, противодействии ветру или резком манёвре. Расчёт аппарата только по максимальной мощности без проверки тока в фактической точке висения — самый частый способ получить горячий мотор и короткий полёт. Там, где публикуется значение непрерывного тока, оно указано отдельно в сравнении ниже.

Вал, крепление и кабель

Диаметр вала и схема крепления — это характеристики, которые превращают хороший мотор в непригодный, когда их упускают из виду. Сельскохозяйственные модели и модели для тяжёлых нагрузок здесь используют штифтовое крепление вала или крепление с большим отверстием под высокомоментные переходники для пропеллера; меньшие блоки для аэрофотосъёмки — валы 4 mm с обычными креплениями пропеллера. Длина и сечение кабеля важны на аппаратах, где ESC установлен на луче, а не у ступицы: у нескольких моделей указана длина кабеля от 80 до 600 mm и отдельная масса без кабеля — именно это значение стоит использовать при сравнении с бюджетом массы аппарата.

Тяга и рабочая точка

Тяга сама по себе не является свойством мотора; это свойство мотора, пропеллера и напряжения вместе. Поэтому тестовые таблицы производителя полезнее любого отдельного числа в описании. В обзорных текстах ToBMS указана опубликованная тяга там, где она есть, и эти значения приводятся ниже по моделям, а не обобщаются одним диапазоном.

Сравнение тринадцати UAV-моторов

В таблице собраны тринадцать из моторов для силовых установок, представленных сейчас в категории UAV-моторы, от самого лёгкого к самому тяжёлому. Максимальная мощность — значение производителя для 180 секунд; внутреннее сопротивление — опубликованное значение фазы.

Конфигурация статора, максимальная мощность за 180 секунд, внутреннее сопротивление, диаметр вала и масса по публикации производителя. Диаметры валов помечены как «Не указано» там, где запись ToBMS не содержит значения, а не выведены по чертежу.

Видны два кластера. До 300 g моторы имеют конфигурацию от 12N14P до 24N28P — это блоки для аэрофотосъёмки и общего назначения с сопротивлением от 50 до 194 mΩ и массой менее 200 g. Свыше 600 g все они 36N42P — та же конфигурация, увеличенная в масштабе, — с заметно меньшим сопротивлением и мощностью, достигающей киловаттного диапазона. Скачок в конфигурации статора между двумя группами не случаен: именно он позволяет медленно вращать крупный пропеллер с приемлемой пульсацией момента.

Здесь полезно не отношение пиковой мощности к массе, а отношение сопротивления к массе и опубликованные значения тяги. Например, у U3 KV700 указана тяга до 1.8 kg при массе 128 g на 3-4S, тогда как MN3110 KV470 достигает 1.2 kg при 98 g, а MN3510 KV360 — 1.9 kg при 117 g. Именно совместное чтение этих трёх значений превращает бюджет массы в решение по силовой установке, и ни одно из них нельзя сравнивать без пропеллера и числа ячеек, при которых они измерялись.

Серия Navigator: MN3110, MN3510, MN4006, MN4014 и MN5008

Линейка Navigator — это часть категории, относящаяся к аэрофотосъёмке и лёгкой промышленности, и именно по ней на ToBMS опубликовано больше всего данных о тяге.

MN3110 KV470 и MN3510 KV360

Мотор MN3110 KV470 — это модель массой 98 g с конфигурацией 12N14P, указанной тягой до 1.2 kg и максимальной мощностью 330 W на 3-6S, валом 4 mm и кабелем 600 mm, при этом отдельно указана масса 80 g без кабеля — именно это число стоит использовать в бюджете массы. MN3510 KV360 переходит к 117 g и 330 W с более высокой опубликованной тягой 1.9 kg на 3-6S. Эта пара показывает, почему KV нельзя сравнивать между разными пропеллерами: мотор с меньшим KV и большим диаметром несёт более тяжёлый аппарат.

MN4006 KV380, MN4014 KV400 и MN5008 KV340

Мотор MN4006 KV380 — самый лёгкий в этой категории: 68 g, максимальная мощность 380 W и пиковый ток 16 A на 4-6S. Его диаметр вала следует сверить с чертежом производителя, прежде чем заказывать переходник для пропеллера, поскольку одна неверно прочитанная размерность может остановить сборку. MN4014 KV400 — середина семейства: 171 g, 900 W и тяга до 3.3 kg на 4-8S, тогда как MN5008 KV340 использует статор 24N28P и вал 6 mm при 760 W и пиковом токе 35 A на 6S. Конфигурация 24N28P в аппарате, который будет в основном висеть, — осознанный выбор: большее число полюсов обычно даёт более плавный момент и меньшее залипание на малых скоростях, где мотор проводит большую часть полёта.

Серия U: U3 KV700 и U5 KV400

Моторы серии U — это блоки общего назначения для мультикоптеров, и оба выполнены по схеме 12N14P.

U3 KV700: лёгкие аппараты, высокий KV

Мотор U3 KV700 массой 128 g указан с тягой до 1.8 kg и максимальной мощностью 500 W на 3-4S, при непрерывном токе 25 A и кабеле 600 mm. В его обзоре на ToBMS описан статор 12N14P с эффективным охлаждением, рассчитанный на промышленные и сельскохозяйственные аппараты, хотя при таком KV и массе это, по сути, блок для малых и средних мультикоптеров, и расчёт следует вести по непрерывному току, поскольку 500 W — это режим на 180 секунд.

U5 KV400: более широкое окно напряжения

Мотор U5 KV400 более гибок из двух: 195 g при максимальной мощности 850 W, рассчитанный на 3-8S, с валом 5 mm и внутренним сопротивлением 116 mΩ. Непрерывный ток 30 A и окно 3-8S делают его кандидатом для аппаратов, которые будут летать более чем на одной конфигурации батарей, — обычное требование, когда прототип сначала летает на небольшой батарее, а затем переводится на серийный блок.

Тяжёлые и пилотируемые классы: U8 Lite L, U15 II, U15XL и U15XXL

Выше 280 g категория меняет характер: это моторы 36N42P, созданные для высокой тяги при низком KV, с валами, измеряемыми десятками миллиметров, и токами, которые определяют проектирование системы распределения питания.

U8 Lite L KV110

Мотор U8 Lite L KV110 весит 282 g и даёт опубликованную тягу 11.2 kg при максимальной мощности 2140 W на шине 12S, потребляя в пике до 45.8 A при внутреннем сопротивлении 105 mΩ. В его обзоре на ToBMS указан срок службы 1000 часов — характеристика иного рода, чем у остальных в этой таблице, и её стоит отметить: на инспекционном или съёмочном аппарате межсервисный интервал является эксплуатационным параметром, а не сноской. Вал 15 mm при такой массе также говорит о нагрузках от пропеллера, которые должно нести крепление.

U15 II KV80, U15XL KV38 и U15XXL KV29

Эти три модели имеют статор класса 151 mm и конфигурацию 36N42P и различаются в основном по KV, массе и току. U15 II KV80 — самый лёгкий: 1740 g, максимальная мощность 8580 W на 12-24S и опубликованная тяга 36.5 kg. U15XL KV38 переходит к 4408 g и пиковому току 180 A с указанной тягой до 81 kg на 24S, а U15XXL KV29 достигает 5130 g и 210 A в пике при опубликованной тяге 100 kg.

При таких токах мотор перестаёт быть ограничивающим компонентом конструкции: номинал разъёмов, сечение кабеля и C-рейтинг батареи должны задаваться вместе с ним. Значения сопротивления — 17 и 20 mΩ — показывают, насколько плотно намотаны обмотки, чтобы потери оставались управляемыми при 200 A, и именно поэтому такие моторы нельзя просто заменить моделью с меньшим током без пересмотра ESC.

Сельское хозяйство и высокая полезная нагрузка: P60 Pin и P80 III Pin

Серия P — это часть диапазона, относящаяся к опрыскивающим дронам, где мотор должен удерживать тяжёлый и плохо сбалансированный груз при непрерывном маневрировании.

P60 Pin KV170

Мотор P60 Pin KV170 — модель массой 375 g с конфигурацией 24N28P, максимальной мощностью 1800 W в диапазоне 6-14S, внутренним сопротивлением 80 mΩ и непрерывным током 38 A. В его обзоре на ToBMS он адресован сельскохозяйственным мультикоптерам с крупными пропеллерами, а штифтовое крепление как раз и позволяет установить высокомоментный переходник для пропеллера, не полагаясь на небольшой резьбовой вал.

P80 III Pin KV100

Мотор P80 III Pin KV100 — самый крупный в серии P: 649 g, статор 36N42P и максимальная мощность 2700 W. У него самый высокий пиковый ток в сельскохозяйственной группе — 60 A, и сопротивление обмотки 45 mΩ, что мало для его массы и как раз и позволяет выдерживать окно 2700 W без неконтролируемого роста температуры обмотки. В его обзоре на ToBMS сказано, что он приводит крупные пропеллеры для тяжёлых опрыскивающих нагрузок, а это режим, сочетающий непрерывную нагрузку с постоянной коррекцией положения.

Какой мотор для какого аппарата

На ToBMS эти моторы сгруппированы по устойчивому набору применений, и именно применение определяет, какая характеристика становится главной.

Съёмочные, инспекционные и промышленные мультикоптеры

Аэрофотосъёмка, инспекция, промышленность и БПЛА большой продолжительности представлены в этой категории. Здесь преобладают эффективность и низкая вибрация, поскольку подвесу приходится стабилизироваться при любых колебаниях, которые силовая установка передаёт в раму; внутреннее сопротивление и конфигурация статора важнее пиковой тяги.

Сельское хозяйство, тяжёлые нагрузки и пилотируемые платформы

Сельскохозяйственные UAV, Тяжелогрузные дроны и силовые установки пилотируемых аппаратов выводят на первый план тягу и надёжность. На этом конце реальный предел задают номинальный непрерывный ток, интерфейс вала и крепления и тепловое поведение при повторяющихся вылетах, а опубликованное значение мощности за 180 секунд следует читать как кратковременное, а не как рабочее. Три мотора, отвечающие за последнюю из этих групп, — U15 II, U15XL и U15XXL, — напрямую сопоставлены, включая компромиссы, которые вносит пилотируемая платформа, в Силовые установки пилотируемых аппаратов: выбор из трёх моторов T-Motor U15.

Контрольный список для выбора

Моторы силовых установок трудно менять на поздних этапах программы аппарата, поэтому такие проверки стоит провести до того, как заданы геометрия лучей и ESC.

Аппарат и рабочая точка

1. Сначала зафиксировать пропеллер и число ячеек, затем взять таблицу тяги и тока производителя в точке висения, а не на полном газу.
2. Сверить ток висения с номинальным непрерывным током и рассматривать значения максимальной мощности как окна в 180 секунд.
3. Рассчитать общую массу силовой установки, включая кабель, и сопоставить её с массой полезной нагрузки и батарей, которую способен нести аппарат.
4. Проверить запас по тяге, необходимый для противодействия ветру и контролируемого снижения, а не только для висения.

Электрическая и механическая интеграция

1. Согласовать KV, число полюсов и максимальную скорость с пределом коммутации и требованиями по таймингу у ESC.
2. Проверить сопротивление обмотки и максимальный ток относительно батарейного блока, разъёмов и сечения кабеля.
3. Подтвердить диаметр вала, схему крепления и совместимость переходника до заказа пропеллеров.
4. Проверить длину и трассу кабеля с учётом места установки ESC на луче и использовать значение массы без кабеля там, где оно опубликовано.

Часто задаваемые вопросы

Официальные материалы

T-Motor публикует полное описание линейки продукции, охватывающее серии U, MN, P и AT, и у каждой модели есть официальная страница продукта с полной спецификацией, таблицами тяги и чертежами — например, официальный сайт T-Motor. Производитель остаётся источником истины по данным о тяге, характеристикам обмотки и рекомендациям по пропеллерам; ToBMS обеспечивает доступный для поиска и сравнения слой обнаружения.

Куда двигаться дальше

Если цель — отобрать кандидатов, а не изучать тему, три инструмента на платформе выполняют работу последовательно. Изучить всю категорию UAV-моторы, чтобы увидеть все модели и характеристики рядом, отфильтровать кандидатов по KV, массе и мощности в Подбор, затем сопоставить их друг с другом в Сравнение продуктов. Для аппаратов, построенных вокруг гоночного или самолётного режима, а не вокруг силовой установки для подъёма, эти модели отдельно охватывает категория Моторы для дронов.

Коротко: зафиксировать пропеллер и напряжение блока, взять значения тяги и тока в точке висения, вести расчёт по непрерывному току, а не по пику за 180 секунд, затем сверить массу, вал и крепление с аппаратом. Всё остальное — длина кабеля, тип переходника, тайминг ESC — следует из этих четырёх решений.