Principes fondamentaux du moteur de drone – Fonctionnement du moteur sans balai

Ce guide vous aidera à comprendre la dynamique derrière le moteur de drone sans balai utilisé sur les quadricoptères et comment ils influencent les caractéristiques de vol. Nous allons plonger dans les types de moteurs, les variations de conception, le poids, la puissance totale et d'autres facteurs affectant les performances d'un quad moteur. Alors, commençons.

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Principes fondamentaux du moteur de drone - Fonctionnement du moteur sans balai 2

Pour les débutants, il existe 2 types de moteurs utilisés dans les drones: les moteurs à balais et sans balais. Ils varient dans leur façon de travailler. Le brushless est beaucoup plus puissant pour son poids que les moteurs à balais, et ils durent beaucoup plus longtemps. Pour les quads plus gros: pas question, le brushless est roi.

Mais pour les micro et nano drones, c'est fantastique d'avoir ces moteurs bon marché pour planter en toute confiance.

Le fonctionnement interne d'un moteur à balais et sans balais est le même; les deux sont basés sur l'électromagnétisme.

Lorsque les enroulements du moteur deviennent excités (les deux moteurs ont des bobines), un champ magnétique temporaire est créé qui repousse (et / ou attire) contre les aimants permanents présents à l'intérieur du moteur.

Cette force magnétique crée la force de répulsion dans la bobine qui est utilisée pour faire tourner / tourner l'arbre.

Différence entre les moteurs à balais et sans balais

moteur sans balais vs moteur à balais

En termes d'efficacité, les moteurs sans balais sont généralement efficaces de 85 à 90% alors qu'un moteur à courant continu à balais est de 75 à 80%. Des enroulements sont présents sur le rotor pour un moteur à balais par rapport à un stator pour un moteur sans balais

Cette différence d'efficacité signifie qu'une plus grande partie de la puissance totale utilisée par le moteur est transformée en force de rotation et moins de puissance est perdue sous forme de chaleur.

Le moteur sans balais dure plus longtemps car il n'y a pas de balais à user, tandis que le moteur à balais s'use rapidement. C'est l'une des raisons pour lesquelles les moteurs à balais sont moins chers que les moteurs sans balais.

Ce guide est principalement orienté sur les moteurs sans balais utilisés dans les configurations de drones fpv de course / freestyle.

Les bases du moteur sans balais

Il y a 2 parties principales pour un moteur sans balais appelé stator et un rotor. Une image est montrée ci-dessous pour référence.

Le stator est la partie fixe du moteur (enroulements) et le rotor est la partie rotative du moteur (cloche à aimants). Il y a aussi beaucoup d'autres choses mineures telles que les roulements, les bobines, les aimants, les arbres, etc.

moteur sans balais pour stator de rotor de drone

Une taille de moteur est basée sur la taille du stator (diamètre et hauteur). Par exemple, si un moteur a une taille de 2207, cela signifie que le stator a une largeur de 22 mm et une hauteur de stator de 07 mm.

Il y a aussi quelque chose appelé KV d'un moteur. Cela signifie que la vitesse à laquelle le moteur tourne pour chaque volt appliqué au moteur, en théorie.

Rapport poussée / poids

Les moteurs sans balais sont de toutes formes et tailles. La règle générale consiste à viser un rapport poussée / poids de 2: 1. Vous ne pourrez pas faire de course avec elle. Plus il est élevé, mieux c'est. Le rapport poussée / poids / poids dépend principalement de la taille des quads eux-mêmes.

Il existe des quads pré-construits tels que ceux de Diatone Crusader GT qui ont un rapport poussée / poids de 8: 1. Il y a des gens qui ont atteint 13: 1. Mais il y a certaines limites pour les moteurs, car ils ne peuvent tourner que si vite et les faire tourner plus vite les rend inefficaces.

Même pour une plate-forme de photographie, vous devriez viser au moins 3 ou 4: 1 au cas où vous décideriez de mettre à niveau votre configuration à l'avenir ou d'ajouter une caméra HD ou une batterie plus grande pour des temps de vol plus longs ou quelque chose, alors vous aurez une certaine réserve puissance restante pour compenser.

Pour un débutant en course de drones, une poussée de 4 ou 5: 1 serait le point idéal. Si vous avez un budget serré, construisez une bête de quad et limitez la limite des gaz sur Betaflight ou l'émetteur.

tester l'efficacité du moteur sans balais

Tailles de moteur quadruple – stators plus hauts et plus larges

Un moteur est indiqué par un ensemble de 4 chiffres comme 2207 ou 2306 ou quoi que ce soit. Il désigne le diamètre et la hauteur du rotor en millimètres (mm). Plus le moteur est gros, plus la poussée qu'il génère est élevée.

  • Stator plus haut = vitesse de pointe plus élevée et maniabilité terrible à basse vitesse
  • Stator plus large = vitesse de pointe inférieure et meilleure maniabilité à basse vitesse

La cause principale est l'augmentation du champ magnétique des stators. Les stators plus hauts ont des aimants plus grands que les stators plus petits et plus larges.

Moteurs 2207 vs 2306

Une bonne comparaison serait les moteurs typiques 2207 vs 2306. C'est un sujet très débattu quant à ce qui est le mieux et l'un ne peut pas être recommandé par rapport à l'autre car les deux ont leurs avantages et leurs inconvénients qui seront traités dans un autre article.

Tableau des tailles de moteur sans balais

La sélection du moteur est déterminée par la taille que vous souhaitez construire votre quad. D'où le nom Frame size = Motor size.

En déterminant la taille du cadre, nous pouvons définir la taille d'un moteur à utiliser.

La taille du cadre limite également la taille de l'hélice et chaque hélice nécessite un moteur différent pour le faire tourner et générer efficacement la poussée.

Le KV d'un moteur joue également un rôle important dans la sélection du moteur. Comme mentionné précédemment, un KV plus élevé attire plus de courant.

Le tableau ci-dessous montre les cadres nominaux et les numéros de moteur des quadricoptères:

Facteurs de performance

KV – Constante de vitesse

Théoriquement, KV représente la vitesse à laquelle le moteur tourne pour chaque volt appliqué au moteur. Par exemple, si un moteur est de 2300kv avec un moteur à batterie quadricoptère 3S appliqué à ses extrémités, le moteur tournera à 2600×12,60 = 32760 tr / min (tours par minute – nombre de tours en une minute), sans hélices. Le régime diminue progressivement en raison de la résistance à l'air.

Théoriquement, KV représente la vitesse à laquelle le moteur tourne pour chaque volt appliqué au moteur.

Plus le KV est élevé, plus la résistance est faible, la consommation de courant plus élevée et les rendements plus faibles. Un KV inférieur signifie une résistance plus élevée et une consommation de courant plus faible et une efficacité considérablement meilleure.

Si vous commencez quelque part autour de 2300-2400 KV, ce serait souhaitable.

Par exemple, si un moteur est évalué à 2300kv avec une tension de batterie de 3s qui lui est appliquée, alors le moteur tournera à 2300×12.60 = 28,980 tr / min sans les hélices, et c'est le régime maximal qu'il peut atteindre sans charge.

Le régime diminue fortement lorsqu'une hélice est montée en raison de la résistance à l'air offerte au moteur lors de la rotation de l'hélice.

Couple

Le prochain facteur qui entre en jeu est le couple produit par le moteur. Le couple est la force de rotation ou la force de rotation qui fait tourner l'hélice. Peu importe si vous débutez.

Le couple moteur est affecté par des facteurs tels que:

1. Taille du stator – plus le stator est élevé, plus le couple est élevé

2. Matériaux tels que la qualité des aimants et des enroulements de cuivre dans le rotor

3. Facteurs de construction du moteur tels que les entrefers entre le stator et le rotor.

Le couple produit par le moteur affecte considérablement les performances du quad. Il détermine également comment le quad va se sentir pour les entrées. Plus le couple produit par le moteur est élevé, plus le quad sera réactif.

Le couple régit également la vitesse à laquelle un quad change de direction à mi-vol, ce qui aidera grandement à effectuer des virages plus serrés en course. Relativement, si un moteur produit moins de couple et est équipé d'hélices plus lourdes, le moteur ne peut pas faire tourner l'hélice, ce qui réduit l'efficacité et la poussée. La consommation actuelle d'un moteur suralimenté sera considérablement élevée.

Le seul inconvénient majeur des moteurs à couple élevé est qu'ils se sentent plus rapides et plus réactifs aux commandes qu'ils ont une mauvaise oscillation. Étant donné que les moteurs à couple élevé peuvent changer leur régime plus rapidement, ils amplifient en fait l'erreur (oscillation).

L'oscillation est difficile à éliminer dans Betaflight même avec un réglage PID, en particulier sur l'axe de lacet du quad.

Efficacité

L'efficacité d'un moteur est calculée en divisant la poussée produite par le moteur à 100% des gaz par la puissance produite par le moteur.

Ceci est mesuré en grammes par watt (g / w). Plus ce rapport est élevé, plus le moteur est essentiellement efficace. Nous n'allons pas voler à 100% à plein régime tout le temps; par conséquent, il est important de prendre en compte l'efficacité du moteur sur toute la plage des gaz de 0% à 100%.

Certains moteurs peuvent être efficaces dans l'extrémité inférieure de la courbe des gaz et certains moteurs peuvent être plus efficaces dans l'extrémité supérieure de la courbe des gaz. Il est donc important de choisir le bon moteur en fonction du style de votre vol.

Tirage actuel

Le courant consommé par le moteur est important car il nous aide à déterminer la taille d'esc du quadcopter requise pour ce moteur particulier.

Par exemple, un moteur 1104 consomme 10 A max à 100% des gaz alors que certains moteurs 2306 consomment 40 A max à 100% des gaz. Un esc doit être sélectionné en conséquence pour 20% de puissance de plus que le courant consommé à 100% par le moteur.

C'est à dire; si un moteur consomme 30 A max à 100% des gaz, un esc nominal pour un courant constant de 36 A serait idéal.

Il est également connu comme l'indice d'éclatement d'un esc. C’est le courant maximal que l’esc peut gérer pendant une courte période sans s’endommager.

Température

La température ou la chaleur en général tue les moteurs avec le temps. Si les moteurs sont exposés à un échauffement prolongé, les aimants du rotor perdent leur intensité de champ magnétique au fil du temps. Ils se démagnétisent avec le temps lorsqu'ils sont exposés à une chaleur constante et entraînent par conséquent une durée de vie réduite du moteur.

Les principales raisons pour lesquelles un moteur chauffe sont les étayages excessifs et l'utilisation de gaz plus élevés pendant de longues périodes. Si vous êtes un coureur de drones de niveau professionnel, vous courrez à des gaz plus élevés, mais si vous débutez et que le moteur chauffe, le moteur est trop calé.

Mais les fabricants de moteurs compensent ce problème en concevant des ailettes de refroidissement pour aider le moteur à aspirer l'air dans le moteur et à se refroidir, ce qui équivaut à une durée de vie plus longue, à condition de ne pas planter et de détruire le moteur à l'avance.

Autres facteurs à considérer

Numéros N et P

spécifications de moteur de quadcopter

Un moteur 22xx ou 23xx typique aura 12 pôles et 14 aimants. Ce numéro sera noté quelque chose comme 12P14N. Comme le montre le schéma, les pôles sont présents sur le stator et les aimants permanents se trouvent sur le rotor d'un moteur.

Fils simples et multibrins

Comme son nom l'indique, les fils monobrins sont composés d'un seul fil de cuivre, tandis que les fils multibrins sont constitués de 3 fils plus petits pour remplacer le fil unique plus épais. Les fils simple brin sont plus épais et résistent beaucoup mieux à la chaleur lorsqu'ils sont utilisés sur des constructions à haute tension.

Les fils multibrins se cassent ou fondent facilement à des températures de fonctionnement plus élevées. Les fils multibrins sont généralement plus efficaces car ils emballent les fils beaucoup plus serrés et plus proches les uns des autres, ce qui donne des champs magnétiques plus puissants et donne des moteurs plus puissants.

Aimants

Les aimants d'un moteur jouent un rôle important pour décider de la puissance d'un moteur.

Les moteurs bon marché auront des aimants plus faibles et produiront moins de poussée par rapport à un moteur cher qui aura des aimants plus puissants.

Certains moteurs haut de gamme ont même des aimants incurvés qui sont adaptés à la forme du rotor.

Les aimants utilisés dans les moteurs sans balais sont classés en fonction de la force magnétique telle que N52, N54 etc…, plus le champ magnétique produit par les aimants est puissant.

Enroulements moteur

Un autre facteur à considérer est la qualité des enroulements du moteur. Si le moteur a des enroulements en cuivre de haute qualité, ils offriront moins de résistance à la circulation des courants et offriront ainsi de meilleures efficacités et des temps de vol plus longs.

Poids du moteur

Le poids d'un moteur est régi par la taille et les matériaux du moteur. Plus le moteur est gros, plus il est lourd. En gardant à l'esprit que les moteurs utilisés sur un quadruple de 5 pouces pèsent généralement avec des fils d'environ 30 à 40 grammes. Il existe des moteurs très légers tels que l'Emax RSII qui pèsent environ 25 grammes pour un moteur 2306 avec quelques grammes pour les fils.

Il existe des moteurs très lourds tels que les moteurs cobra 2204 qui pèsent environ 34 grammes. Comme on dit, chaque gramme compte, surtout avec les moteurs. Pourquoi? Parce que le bras du moment augmente, plus le moteur devient lourd. Autrement dit, il faut beaucoup de force pour faire tourner un quad avec une augmentation de chaque gramme.

Mais cela ne signifie pas que plus léger est meilleur. Les moteurs plus légers ne sont pas aussi durables que les plus lourds car ils seraient faits de matériaux plus légers pour gagner du poids. Par conséquent, tout se résume à quoi allez-vous utiliser le moteur.

Modèles de montage du moteur

Les modèles de montage d'un moteur sont également importants car ils doivent être compatibles avec tous les cadres dans lesquels vous choisissez d'installer le moteur. La plupart des quads de 5 pouces utilisent de nos jours des tailles de moteur de 2205 à 2407.

Tous les moteurs ont des modèles de montage (16×16) mm ou (16×19) mm. Tous les cadres modernes prennent en charge tous ces modèles de montage et cela ne devrait pas être une grande préoccupation.

L'image ci-dessus montre un moteur sans balais dans un quad. Les trous de vis seront présents sur le stator du moteur. Le moteur ou le stator illustré ci-dessus a un modèle de montage de 16×19 mm et utilise des vis de 4 m3 pour fixer le moteur au châssis.

Fonctionnalités à rechercher dans les moteurs

Arbre moteur

Les moteurs plus récents utilisent de nos jours des arbres creux par opposition à un arbre plein dans le but de réduire le poids du moteur. Cela a ses avantages et ses inconvénients.

Les arbres creux réduisent évidemment le poids du moteur mais ils sont moins durables lors des collisions.

Vous ne pouvez pas remplacer les arbres sans remplacer l’ensemble du rotor du moteur. Pour les constructeurs de budget, les arbres creux sont une mauvaise chose, mais pour ceux qui cherchent à économiser chaque gramme, les arbres creux sont la voie à suivre.

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Trou d'air

Une autre chose pour un moteur plus performant est l'entrefer entre le stator et le rotor. Plus le rotor est proche du stator (aimants des enroulements), plus il est efficace pour convertir le courant. Plus l'entrefer est petit, plus la poussée produite par le moteur est élevée lorsque le stator traverse mieux les champs magnétiques.

Fils moteur

La prochaine chose qui affecte les performances d'un moteur est le calibre du fil du moteur. Les moteurs utilisent soit 20 Awg ou 18Awg (calibre de fil américain). La série Emax RS affirme que le passage d'un fil de calibre 22 à un fil de calibre 20 a augmenté la puissance de sortie de 5%. Mais ce n'est pas un gros problème lors de l'achat d'un moteur et du démarrage dans le hobby.

Clips de retenue

La prochaine chose dont nous allons parler est les clips de retenue ou les méthodes de retenue du stator et du rotor. Il existe principalement 3 types que nous utilisons dans notre hobby.

  • Clip E
  • Clip en C
  • Fixations à vis

Chacun a ses propres avantages et inconvénients.

Par exemple: les clips E sont difficiles à retirer sans casser le clip lui-même. Les supports de vis sont facilement amovibles et permettent ainsi d'accéder facilement au stator et au rotor.

Mais les dispositifs de retenue des vis sont susceptibles de se dévisser et de se desserrer avec le temps sous la vibration constante du moteur et courent également le risque de trop serrer l'arbre et de le rendre plus difficile pour le moteur à tourner. Un clip ne peut pas être recommandé par rapport à l'autre. Tout dépend de l'utilisation du moteur et de ses applications.

Moteurs CW CCW

Il existe 2 types de moteurs: les moteurs à rotation dans le sens horaire (CW) et anti-horaire (CCW). Ils ne varient que par la direction dans laquelle ils tournent, les autres paramètres de conception du moteur étant les mêmes. Le diagramme ci-dessous montre une orientation du moteur pour un drone quad, hex et octa. Nous pouvons conclure que les moteurs du côté opposé tournent dans la même direction. Il en va de même pour les drones hex et octa.

quadcopter-moteur-cw-ccw
sens de rotation multirotor quad moteur

Moteurs à fond nu OU à fond fermé

La dernière tendance des moteurs quad est celle des moteurs à fond nu. Ils économisent beaucoup de poids (2g en général), cela peut ne pas sembler beaucoup mais c'est beaucoup en termes de course de drones. Cela peut faire la différence entre gagner une course ou en perdre une.

Ce sont les avantages des moteurs à fond nu, il y a aussi quelques inconvénients pour ce type de moteurs.

Premièrement, lors d'un accident, de petites pierres et débris peuvent pénétrer à l'intérieur de la cloche et endommager les aimants et les bobines. Même les coureurs professionnels tombent souvent en panne, c'est donc un bon choix pour les débutants d'acheter des moteurs à fond fermé lorsqu'ils se lancent dans le hobby, car ils sont enclins à planter plus. Les photographies ci-dessous représentent un moteur à fond nu et fermé.

types de moteur de drone
Principes fondamentaux du moteur de drone - Fonctionnement du moteur sans balai 2

Conclusion

Cet article a essayé de couvrir la plupart des aspects de base d'un moteur sans balais pour un quad. Il sera modifié à l'avenir avec quelques modifications au fur et à mesure que cela sera jugé nécessaire. Il y a tellement d'options à choisir et nous avons pensé que cela devrait être couvert dans un autre article. Nous espérons que cet article vous a aidé d'une manière ou d'une autre à vous aider à acquérir des connaissances de base pour entrer dans FPV. Merci d'avoir lu si vous êtes resté jusqu'au bout.

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