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多轴飞行器DIY教程

 四驱天下 2018-02-18

本帖最后由 小布 于 2016-12-31 07:59 

电机
  • 电机
  • 无刷电机
  • 如何确定对螺旋桨有自紧功能的电机旋转方向
  • 电机力效表(如何看和使用电机力效表)










电机
我们常用的发动机是直流电机(马达),直流电机可以分有刷电机和无刷电机。
1、有刷直流电机
我们小时候很常见的大多是有刷电机。有刷电机最基本的组成部分除了定子(不转动的部分,固定着的)、转子(转动的部分,通过轴把动力输出)、电刷,有刷电机的名字因此而来。
看图知道,有刷电机的线圈部分是转动的,为了保证转的过程中线圈能导电和换向,要用电刷通过与绕组上的换向器(铜头)接触,让电机得以转动。但是由于高速转动时电刷会磨损,所以有刷电机需要在电刷用完之后,更换电刷。
不但电刷会磨损,换向器也会磨损,因此除了换电刷,还需要打磨铜头,让铜头保持光滑,并让电刷与铜头的接触面积最大化,达到最大的效率。所以有刷电机维护是挺麻烦的。
多轴飞行器上很少用有刷电机,但在一些很轻的小四轴上,有些用空心杯有刷电机。传统的电机转子是由线圈绕在铁芯上组成,而空心杯电机去掉了铁芯,转子由一个线圈编织成的笼子组成,这种优点是重量轻(少了铁芯)、转动惯量大幅降低而响应快(要转就转,要停就停)、能量转换效率在70%以上,(铁芯电机在15-50%)。但由于功率和转速太快等原因,空心杯电机现多用在一些很轻巧的四轴飞行器上。
1)有刷电机缺点:
a、电刷和换向器之间有摩擦,造成效率降低、噪音增加、容易发热,有刷电机的寿命要比无刷短几倍。
b、维护麻烦,需要不停的换电刷。
c、因为电阻大,效率低、输出功率少。
d、电刷和换向器摩擦会引起火花,干扰大。
2)有刷电机优点:
a、低速扭力性能优异、转矩大。
b、相比无刷电机,少了很多电子零件,价格比无刷的便宜。
c、由于少了电子零件,少了由于传感器受干扰、电子零件失灵等影响。
2、无刷直流电机
无刷电机顾名思义就是没有刷子,有刷电机是因为线圈是转的才被迫用刷子和换向器,来保证线圈通电和不停换向。而无刷电机线圈部分是不转的,转的是由磁铁部分组成的转子,所以就无需电刷了。
线圈固定了,那怎样才能产生变化的磁场呢?需要三组线圈加上无刷电调,通过不断改变线圈的电流方向来产生变化的磁场,从而驱动磁铁转子不停转动。无刷电机需要无刷的电调才能工作,而有刷电机把线接到电源正负极就可以转动了。
1)无刷电机缺点:
a、需要无刷电调一起才能工作,价格比有刷的要高。
b、可靠性受电子零件影响,或者传感器受到干扰电机会失效。
2)无刷电机优点:
a、没有电刷和转向器的摩擦,噪音低、振动少,发热少、寿命长。
b、不需要更换电刷,维护简单。
c、没有电刷产生的火花,干扰少。
d、转矩特性优异,中、低速转矩性能好,启动转矩大,启动电流小。

                              


无刷电机
无刷电机参数及特性

1、尺寸

大家选择无刷电机,会看到很多命名类似的型号,如2216、2814等,这个数字,前两位是定子外径(mm)、后两位的是定子高度(mm)。定子的外径和高度越多,定子的铁芯越大,线圈绕的匝数也越多,表现出来就是电机的功率越大。当然,尺寸越大功率越大,但重量也越大。
如某电机是2216,表示定子外径是22mm,定子高度是16mm。定子外径和定子高度与电机的功率成正比,2218的比2212的电机定子高度高,肯定是功率同样也大。这个尺寸的意义在于看型号就可以比较两个电机的功率大小,但这个一般只是比较定子外径相同而高度不一样,或者高度一样而外径不一样,定子外径和高度都不一样的很难通过此型号比较。

需要注意的,此尺寸是指定子的,不是指电机外型尺寸,电机壳的厚度、散热糟形、底座高度等都影响电机外型尺寸,所以用定子尺寸做功率的判断比用外型尺寸要标准和靠谱。

2、电机槽数和极数


1)槽数(N):定子铁芯的槽数量。无刷电机是三相电机,所以槽数是3的倍数。
2)极数(P):定子上磁钢的数量,磁铁必定是南北极成对使用,极数必然是偶数。

电机槽数和极数有些电机型号直接写为槽数N极数P,如12P14N,是12槽14极的意思。


3)槽数和极数特点

a、槽数(N)和极数(P)都与越最高转速成反比,就是槽数(极数)越小,电机的最好转速越高。如9N12P的最高转速比12N14高。

b、在槽数(N)相同的情况下,极数(P)与扭力成正比,极数越大,扭力越大。

c、一般情况下,槽数(N)和极数(P)越大,电机顿挫感越小(在电机不带电的时候,用手转动电机,会感觉一卡一卡的顿挫感),理论上电机振动会更少,但由于槽数多了后很难做好动平衡。

3、KV

无刷电机KV值定义为转速/V,意思为输入电压增加1伏特(V),无刷电机空转转速(转/分钟)增加的转速值。从这个定义来看,电压与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的,并且是常量,无论电机在那个工作电压,电压和转速的关系都遵从值。

1)空转转速的计算

记住,这个值是指电机空转没有带螺旋桨等负荷下的转速与电压的关系,如KV是650,在11.1V电压下空转转速是 11.1×650 = 7215转/分钟,KV值是900,同样电压下的空转转速是9990转/分钟。
2)高低KV值的相对比较(只有相同的定子外径和定子高度的同一个型号,不同的KV值没有太大比较意义,如某某牌子的2216电机,有650KV、800KV、900KV三种型号)


高KV低KV
定子线圈绕线匝数
最高输出电流
相同电压下扭矩
相同电压下转速
匹配螺旋桨直径


3)不能通过KV比较电机的好坏,不能说KV380的比KV600的好,同一个型号不同KV值的电机价格是一样的。

4、外转子和内转子


无刷电机根据定子的位置,可以分为外转子和内转子两种。


1)外转子:定子在里面,转子在外面叫外转子。
上图是典型的外转子电机,转子在外面包着定子,转子和外壳合在一起,转动的时候,外壳(不包括底座)和输出轴一起转动。内转子扭矩比较大,KV值低。
2)内转子


跟外转子相反,内转子是定子包着转子,转动的时候,只是转子转动(外壳不转)。内转子扭矩比较小,KV值高。


如何确定对螺旋桨有自紧功能的电机旋转方向





有些电机对螺旋桨有自紧功能,如果电机上标明了电机的旋转方向就非常容易区分。而有些电机上没直接标明转向,需要先确定好这个电机的转向,搞错转向不但没有自紧功能,还会把桨射出来。

确定电机转向很简单,把子弹头(螺母)拧入进电机轴一点,一手拿着子弹头(螺母)不动,另外一只手转动电机外壳,如果电机外壳转动时候子弹头(螺母)会向电机方向拧紧的话,这个方向就是电机旋转方向。






力效表


正规厂家出的电机,都有电机的力效表,力效表有什么用,怎样看呢?
先看一某电机的力效表:






是不是觉得很复杂,仔细看下,其实也很简单。力效表是厂家对某一个电机,在不同螺旋桨、电压、电流下测出其拉力、转速、温度等参数。
(1)分组
每个力效表是针对螺旋桨和电压进行分组,如上所列所示的力效表,分成:APC1047-14.8V;APC1238-11.1V;APC1147-14.8V;APC1047-18.5V;APC1238-14.8V 6组的力效表。
螺旋桨的规格基本是厂家认为跟电机KV想匹配的几个尺寸,电压是在电机工作电压下选取几个常用的电压。
(2)力效表参数
选定好螺旋桨和电压后,选择一个电流进行测试,如上表的第一行。
1)电流:选择一个电流进行测试,一般是从小到大,直到该电压的下的最大工作电流。有些会同时标出油门(最大电流)的比例。
2)拉力:在电流下测出的拉力,有些会同时标出占最大拉力比例(比例越小表示电机拉力越充沛)、转速(有转速可以估算出飞行器的上升速度)、温度(实际使用中可以测量电机温度评估电机是否异常)。
3)功率:电压×电流得到功率。
4)力效:拉力/功率得到力效,表示每W功率下电机的拉力,力效越大表示效率越高。同样重量的飞行器,力效越大的电机,悬停的时间越长。
(3)从力效表得到的信息
1) 电流越小,力效越大。如下图的拉力/力效图表看到,拉力/力效是一条下降的线,电流小力效大但拉力同时又小,电流大力效小但拉力大。
2)选择最合理的电机拉力
最小电流力效虽然大,但拉力小,浪费了电机功率,最大电流力效最小又不能选择,只能选择中间段的力效。力效建议不要不大小于7g/W。
同时要考虑飞行器实际飞行需要的拉力,如一个总重量是1200g的四轴,理论上每轴300g拉力就可以起飞,但飞行器要前进后退转弯翻滚,还有定点时候不断调整各轴电机拉力,风大要用拉力对抗风速,所以就是300g拉力肯定是不够的,至少要留30%以上的要做拉力冗余,最好是50%-60%,就是要有600g的拉力,查表看到600g的力效是7.37g/W,比300g时候的9.65g/W低,但也算是合理范围中。
如果需要的拉力的力效太小,这时候就要考虑选择其它电压和螺旋桨找力效,如果还是太小,说明这个电机不适合你用,要换电机了。
3)计算任意点力效
如要计算的拉力没在力效表上的时候,如410g等,怎样算呢?
上图所示的拉力/力效图是个曲线,但两点间的我们可以看作是直线,通过线性的公式计算出任意点的力效。
(N2-N1)/(A2-A1) = (N2-Nx)/(A2-Ax)
Ax = A2- (A2-A1)*(N2-Nx)/(N2-N1)
N2:比要计算拉力的大的下一条数据的拉力;
A2:比要计算拉力的大的下一条数据的电流;
N1:比要计算拉力的小的上一条数据的拉力;
A2:比要计算拉力的小的上一条数据的电流;
Nx:要计算的拉力;
Ax:要计算拉力所需要的电流;
例如:电机需要的拉力是386g,在力效表找到比386g大和小的最近的两条数据,代入公式:
Ax = 3- (3-2.1)*(400-386)/(400-300) = 2.874A
功率:2.874 * 14.8 = 42.54W
力效:386/42.54 = 9.07/gW
如果A2已经是第一条,那样A1=0 N1=0,也可以计算。两个点数据越近计算出的结果越准确,否则误差越大。
4)能估算飞行器的最大悬停时间
如四轴总重量是1200g,每轴拉力要300g,从表得到电流是2.1A,4个电机总电流是8.4A,电池是4S 2600mAh, 估计最大的悬停时间是:2600/1000/8.4*60 = 18分钟。


(4)力效表得到的规律
1)电压相同、螺旋桨尺寸不同力效比较
APC104714.8V0.4A16.89g/W
APC114714.8V0.4A16.89g/W
APC123814.8V0.3A22.52g/W
12寸的力效比10寸和11寸明显大,也就是说一般情况下相同的电压,螺旋桨直径越大,电机的效率越高。我们选择桨叶的时候,如果是为了最大留空时间,就尽量选择桨叶直径大的螺旋桨。
2)螺旋桨尺寸相同、电压不同力效比较
APC104714.8V0.4A16.89g/W
APC104718.5V0.3A18.02g/W
APC123811.1V0.5A18.02g/W
APC123814.8V0.3A22.52g/W
上面两组螺旋桨尺寸相同、电压不同力效的比较,可以看到电压高的力效比电压低的要高点,因为电压高电机电阻小,所以效率会更高。在可能的条件下,用大S数的电池有利于增加飞行器留空时间。
(5)力效表优缺点
1)正规厂家的电机都会有对应的力效表,力效表对于我们选择合适的电机、电压、螺旋桨有极大的帮助。
2)不少电机没提供力效表,如果你不是对某个电机的性能很有经验,建议只选择有力效表的电机。
3)有些力效表缺100%油门拉力,无法判断拉力的余量;有些拉力表从50%的油门开始测试,无法知道低比例油门的力效情况。
4)只有少部分提供转速数据,难以对飞行器速度做估算。
5)有些拉力表只有1-2条数据,很难准确的计算所需要的力效。
6)力效表限于某几个螺旋桨(大多是APC、DJJ等几个厂家)进行测试,T-motor的力效表的都是用自家的螺旋桨。我们选择螺旋桨,尽量选择厂家推荐的规格,至少要直径相同。对于T-motor等只用自家桨的,用同样规格(或者相同直径)的其它桨代替,也是可以的。
7)力效表存在不准确、有水分的情况。厂家测试的条件、标准不同,力效表在实际使用中肯的会有差别,但至少能缩少我们找最优方案的范围。在你对某个力效表深表怀疑的时候,最好的方法是不要用这个电机,找你觉得靠谱的力效表去做参考。

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