انتخاب موتور های براشلس – بخش اول

موتور های براشلس دارای قدرت، سرعت، کنترل پذیری و طول عمر بالا می باشند. این موتور ها به دو دسته درون گردان و برون گردان تقسیم می شوند.

پیشنیاز ها

باید رابطه بین نیروی پیشران و وزن پرنده را بدانید. این برای ساخت هر سایز مولتی روتور مفید است.

سایز فریم

اول از هر چیز باید سایز فریم را دانست. سپس می توان پروانه ها و موتور های مورد نیاز را تعیین کرد.

وزن کلی پرنده

با انتخاب کلیه اجزاء، می توان وزن پرنده را تخمین زد که باید شامل کلیه اجزاء شود: فریم، FC، PDB، RX، VTX، آنتن، موتورها، پروانه ها، اسپید کنترل ها، باتری لیتیوم-پلیمر (LiPo)، وسایل جانبی مثل دوربین و غیره، و اضافه کردن 10 تا 20 گرم برای سیم ها، بازر، بست ها و …

نیروی پیشران مورد نیاز

بعد از مشخص شدن وزن و سایز فریم، می توان نیروی پیشران مورد نیاز ترکیب موتور و پروانه را محاسبه کرد.

نسبت نیروی پیشران به وزن

یک قاعده عمومی می گوید باید حداقل دو برابر وزن پرنده نیروی پیشران تولید شود. این حداقل مقداری است که از سهولت کنترل در هنگام تعلیق در هوا اطمینان حاصل می شود. اگر نیروی پیشران تولیدی توسط موتور بسیار کم باشد، پرنده به کنترل به خوبی پاسخ نمی دهد و حتی ممکن است بلند شدنش نیز سخت باشد.

(برای مثال اگر یک کوادکوپتر 1 کیلوگرمی داشته باشیم، نیروی پیشران تولیدی در گاز 100% باید 2 کیلوگرم یا 500 گرم بر هر موتور باشد. البته داشتن نیروی پیشران بیشتر از حد نیاز همواره خوب است).

برای پرواز سریعتر، باید نسبت توان بر وزن بسیار بیشتر از این را در نظر گرفت. غیرمعمول نیست که کسی نسبت نیروی پیشران به وزن 10 به 1 یا حتی 13 به 1 را انتخاب کند. عموما برای یک پرواز دستی، حداقل نسبت 5 به 1 پیشنهاد می شود.

با یک نسبت بالاتر، پرنده توانایی و شتاب بهتری خواهد داست. هرچند اگر نسبت نیروی پیشران به وزن خیلی زیاد باشد، کنترل پرنده می تواند بسیار سخت شود. تنها یک اشاره به گاز کافی است تا کوادکوپتر را مثل یک موشک پرتاب کرده و به چرخش درآورد. این البته به مهارت خلبانی نیز بستگی دارد.

حتی اگر بخواهید یک پرواز آرام تصویر برداری محیط داشته باشید، باید مقداری بین 1:3 و 1:4 انتخاب کنید. این نه تنها به شما کنترل بهتری می دهد، بلکه برای اضافه کردن دوربین در آینده یا برای دوربین های بزرگتر و باتری سنگین تر مفید خواهد بود. اما اگر در فیلد مسابقه اید، محدودیتی ندارید. هر چه می توانید نسبت را بالا ببرید.

سایز موتور

سایز موتور های براشلس در RC معمولا با یک عدد چهار رقمی مشخص می شود – AABB. “AA” عرض استاتور (یا قطر آن) است و “BB” ارتفاع استاتور، که هر دو در واحد mm (میلیمتر) اندازه گیری هستند.

(استاتور موتور براشلس بخش ثابت موتور است. در استاتور قطب ها هستند که با سیم های مسی احاطه شده اند (سیم پیچی ها). قطب ها از تعداد زیادی صفحه فلزی نازک ساخته شده اند که با لایه عایق بسیار نازک بین آن ها به یکدیگر چسبیده اند).

  • استاتور بلند تر = قدرت بیشتر در سرعت بالاتر
  • استاتور عریض تر = گشتاور بالاتر در سرعت کمتر

با افزایش عرض یا ارتفاع یک موتور، سایز مگنت و سیم پیچ استاتور افزایش می یابد. تفاوت اصلی در اینجا است که افزایش ارتفاع استاتور، افزایش سایز مگنت را بیش از سایز سیم پیچ در پی دارد؛ و افزایش عرض استاتور، افزایش سایز سیم پیچی را بیش از مگنت در پی دارد.

سایز پروانه هایی که یک موتور برای آن طراحی شده است، سایز شفت پروانه را تعیین می کند. موتور های مخصوص پروانه های 3، 4، 5 و 6 اینچ همگی شفت پروانه M5 (قطر 5 میلیمتر) دارند. موتور های مدرن شفت پروانه همراه خود دارند، در حالیکه نسل قدیم آنها ممکن است بصورت جداگانه باشند.
در حال حاضر سایز استاتور های رایج برای پروانه های 5 اینچی، 2204، 2205، 2206، 2207، 2305، 2306، 2307، 2407 است.

استاتور بلند تر در برابر استاتور عریض تر

استاتور بلند تر سطح بزرگتری دارد، لذا می تواند درون میدان مغناطیسی بیشتری جای گیرد. سطح بزرگتر همچنین به دفع حرارت کمک می کند. موتور های بلند تر به قدرت و سرعت بالا شناخته شده اند.

موتور های با استاتور عریض تر مقدار آهن و مس بیشتری در استاتور خود دارند و به موتور پر گشتاور و پر بازده معروف اند.

KV

KV ثابت سرعت است و برابر “RPM بر ولت” است.

این یک پارامتر مهم برای موتور های براشلس است که نشان دهنده افزایش RPM با افزایش ولتاژ (بدون بار یا بدون پروانه) است. برای مثال، وقتی یک موتور 2300KV را با یک باتری 3S LiPo (12.6 ولت) تغذیه می کنیم، بدون پروانه حدود 28980 RPM می چرخد(2300ˣ12.6). این تنها یک تخمین سرعت است که توسط سازندگان مشخص می شود.

وقتی پروانه را به موتور متصل می کنید، به خاطر مقاومت هوا RPM به شدت افت می کند. موتورها با KV بیشتر تلاش می کنند پروانه را سریع تر بچرخانند و این جریان بیشتری می طلبد. به همین علت است که پروانه های بزرگتر را با موتور های با KV پایین تر می بینیم و پروانه های سبک تر با موتور های KV بیشتر، بهتر عمل می کنند.

(مقدار KV می تواند با تعداد سیم پیچی های مسی روی استاتور مشخص شود. معمولا تعداد بیشتر سیم پیچی KV موتور را کاهش می دهد و تعداد کمتر سیم پیچی ها KV را افزایش می دهد).

با ترکیب کردن یک موتور KV بالا و یک پروانه بیش از حد بزرگ، موتور تلاش می کند مثل حالتی که با پروانه کوچکتر است بچرخد، اما نیاز به گشتاور بیشتری است. چون برای گشتاور مورد نیاز تلاش می کند، جریان بیشتری کشیده و حرارت بسیار زیادی تولید می کند. این باعث اضافه حرارت موتور و سوختن آن می شود. چون وقتی موتور حرارتش بیش از حد مجاز می شود، روکش سیم پیچی شروع به ذوب شدن کرده و باعث اتصالات الکتریکی در موتور می شود.

(معمولا کواد های سنگین تر با موتور های KV متوسط تا کم KV جفت می شوند، کواد های سبک تر با موتور های پر KV).

گشتاور موتور

برخی می گویند موتور های کم KV گشتاور بیشتر، و موتور های پر KV گشتاور کمتری دارند. این ممکن است ولی نه همواره درست. KV تقریبا ارتباطی با گشتاور ندارد، اما در اصل بر محدوده های ولتاژ و جریان موتور موثر است.

همانطور که توضیح داده شد، موتور های با KV بیشتر سیم پیچی های کوتاه تر و در نتیجه مقاومت کمتری دارند. این باعث می شود ریتینگ ولتاژ حداکثر را کاسته و جریان را برای ترکیب موتور و پروانه افزایش می دهد، و نه بیشتر.

گشتاور اساسا با این موارد تعریف می شود:

  • سایز استاتور: هر چه بزرگتر، گشتاور بیشتر
  • مواد: نوع مگنت ها، کیفیت سیم پیچی های مسی
  • ساخت موتور: چیزهایی شبیه فاصله هوایی، تعداد قطب ها و غیره.

با مساوی بودن همه چیز، دو موتور مشابه به طور تئوری باید گشتاور مشابه داشته باشند حتی اگر یک موتور یک KV متفاوت داشته باشد. KV کمتر یعنی ولتاژ بیشتری نیاز دارید تا به RPM مشابه برسید. البته مقداری پیچیده تر از این است اما توضیحی منطقی است.

دلیل دیگری که مردم فکر می کنند موتور های کم KV گشتاور بیشتری دارند، افت ولتاژ بیشتر با موتور های پر KV است، که گشتاور را کاهش می دهد. در تئوری مقدار گشتاور مشابهی دارند، اما در عمل نمی شود.

گشتاور یک شمشیر دو لبه است.

موتور های پر گشتاور تغییر سریع تر سرعت و زمان پاسخ سریعتری را می دهند، نوسانات کمتری در پروانه خواهید دید و پاسخ در لحظه و محکمی به شما می دهد. اما موتور های پر گشتاور تیز تر و حالت روباتی تری دارند، در حالیکه موتور های کم گشتاور معمولا نرم تر حس می شوند. انتخاب بستگی به استایل پرواز و تنظیم شخصی شما دارد، و گشتاور بیشتر همیشه بهتر نیست.

امروزه بسیاری از خلبانان با مشکلات نوسان بیش از پیش دست به گریبان شده اند و این مشکل می تواند با موتور های مدرن گشتاور بالا و پر قدرت ایجاد شود. آنقدر قدرتمند هستند که خروجی را تقویت کرده و یک حلقه فیدبک نوسان بسازند که حذف آن بسیار سخت است. شاید اتصال نرم (soft mounting) کنترل کننده پرواز (FC) برای حل این مشکل کافی باشد، اما باید تلاش کنیم تا آن را از منبعش حذف کنیم و از موتور های بسیار پر قدرت دوری کنیم.

تعداد N و P قطب ها و مگنت ها

شاید دیده باشید که روی جعبه موتور ها کدی مثل 12N14P چاپ شده باشد. عدد قبل N یعنی تعداد الکترومغناطیس ها (همان قطب ها)، و عدد قبل P یعنی تعداد مگنت های درون محفظه.

brushless motor poles

موتور های با سایز های مختلف تعداد قطب های متفاوت دارند، موتور های 22XX و 23XX معمولا 12 قطب و 14 مگنت دارند.

تعداد قطب ها فضای بین قطب ها را مشخص می کند. هر چه تعداد کمتری قطب داشته باشد می تواند آهن بیشتری در استاتور جای گیرد، و لذا موتور قدرت بیشتری می تواند خروجی دهد. اما با تعداد بیشتر قطب، میدان مغناطیسی یکنواخت تر پخش می شود و نتیجتا موتور با حرکت صاف تری دارید چون کنترل بهتری بر گردش موتور دارید.

  • قطب های بیشتر = نرم تر
  • قطب های کمتر = قوی تر

تعداد قطب ها باید مضربی از 3 باشد چون یک موتور سه فاز بوده و سه سیم در موتور است، پس تعداد قطب ها باید 9، 12، 15، 18 و … باشد. به همین دلیل است که تعداد قطب ها به آسانی صورت نمی گیرد، و بنابراین اطلاعات اساسی نیست وقتی موتور ها مخصوصا برای می نی کواد ها انتخاب می شود.

سیم پیچی های موتور

تعداد سیم پیچی های موتور یا “دور” در یک قطب استاتور جریان حداکثری که یک موتور می کشد نشان می دهد، درحالیکه ضخامت سیم مقدار مدت زمانی را که یک موتور می تواند اضافه جریان را قبل از اضافه حرارت تحمل کند تعیین می کند.

تعداد دور کمتر = مقاومت کمتر = KV بیشتر. عیب آن کاهش میدان الکترومغناطیسی در استاتور و لذا گشتاور کمتر است.

برعکس آن اتفاق می افتد وقتی تعداد دور بیشتری در سیم پیچ داریم. افزایش مس میدان مغناطیسی بیشتری را روی قطب استاتور به همراه داشته و گشتاور بیشتری تولید می کند. اما بخاطر سیم بلندتر و مقاومت بیشتر، KV موتور کاهش می یابد.

برای عبور از این مشکلات و هنگام افزایش توان موتور های مینی کواد، سازندگان افزایش تعداد سیم پیچی ها را با استفاده از سیم های مسی ضخیم تر انجام می دهند.

این کار مقاومت سیم پیچی را بطور موثر کاهش داده و توان را بدون قربانی کردن گشتاور و بازدهی افزایش می دهد. همچنین موتور می تواند جریان بالا را بدون سوختن با قطر سیم بالاتر تحمل کند.

هرچند سیم های قطور تر و سیم پیچی های بیشتر به معنی موتور سنگین تر است و سیم پیچی فضای بیشتری گرفته و نیاز به استاتور بزرگتری دارد. به این دلیل است که موتور های بزرگتر و سنگین تری را می بینیم و همچنین به این دلیل است که موتور های بزرگتر معمولا قوی تر اند.

سیم پیچی چند رشته ای در مقابل تک رشته ای

سیم پیچی تک رشته ای ضخیم تر است و دما را بهتر مدیریت می کند و برای ولتاژ های بالاتر بهتر اند. اما نمی توان تعداد زیادی سیم را حول استاتور پیچید چراکه فواصل بین سیم های ضخیم تر بیشتر است.

در سیم پیچی های چند رشته ای، سه سیم کوچکتر برای جایگزینی با یک سیم بزرگتر در سیم پیچی تک رشته ای جایگزین می شود. به خاطر نازک بودن، حرارت زیاد را تحمل نکرده و از نظر فیزیکی شکننده تر هستند.

اما عموما سیم پیچی های چند رشته ای عملکرد بهتری را نسبت به تک رشته ای دارند چراکه می توان سیم ها را به لطف فواصل کمتر بین سیم ها فشرده تر دور استاتور پیچید، و این به شما میدان مغناطیسی قوی تر و موتور قوی تر و پر بازده می دهد.

توجه داشته باشید که خوب سیم پیچی کردن نیز، نه تنها از نظر ظاهری بلکه از نظر الکتریکی مهم است. اگر سیم پیچی نامرتب بوده و دارای تعداد زیادی تقاطع باشد، سیم ها از استاتور به طور متعامد عبور نکرده و میدان مغناطیسی برایند کم بازده تر خواهد بود.

یاتاقان

ما در مباحث از یاتاقان زیاد حرف نمی زنیم، چون اطلاعات زیادی موجود نیست، اما شاید خوب باشد یک معرفی اجمالی انجام گیرد.

سایز یاتاقان، قطر خارجی یا قطر داخلی نیست، بلکه تفاوت بین قطر داخلی و خارجی است. هرچه عریض تر باشد، ساچمه های بزرگتری درون آن جای می گیرد. ساچمه های بزرگتر می توانند ضربات شدید تری را تحمل کنند. اما ساچمه های کوچکتر در سرعت های بالا متعادل تر و نرم تر عمل می کنند.

شاید درباره موتور هایی که یاتاقان سرامیکی استفاده می کنند شنیده باشید. به جای ساچمه های فلزی، از ساچمه های سرامیکی استفاده می شود و البته نرم تر اما شکننده تر هستند.

قطر حفره یاتاقان (قطر داخلی) نیز تعیین می کند چه سایز شفت می توان استفاده کرد.

در بخش دوم، سایز موتور و عوامل موثر بر آن را بررسی خواهیم کرد.