Moteurs sans balais : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Cette instructable est un guide/aperçu de la technologie du moteur derrière les moteurs de quadcopter passionnés modernes. Juste pour vous montrer de quoi sont capables les quadricoptères, regardez cette vidéo incroyable. (Regardez le volume. Il devient très fort) Tout le mérite revient à l'éditeur original de la vidéo.

Étape 1: Terminologie

La plupart des moteurs sans balais sont généralement décrits par deux séries de chiffres; tels que: Hyperlite 2207-1922KV. Le premier ensemble de chiffres fait référence à la taille du stator du moteur en millimètres. Ce stator de moteur spécifique mesure 22 mm de large et 7 mm de haut. Les anciens DJI Phantoms utilisaient des moteurs 2212. Les dimensions du stator suivent généralement une tendance:

Un stator plus grand permet des performances haut de gamme plus élevées (plages de régime plus élevées)

Un stator plus large permet des performances inférieures plus élevées (plages de régime inférieurs)

La deuxième série de chiffres correspond à la cote KV du moteur. La cote KV du moteur est la constante de vitesse de ce moteur spécifique, ce qui signifie essentiellement que le moteur créera une force contre-électromotrice de 1 V lorsque le moteur tourne à ce régime ou tournera à un régime non chargé du KV lorsque 1 V est appliqué. Par exemple: Ce moteur couplé à un lipo 4S aura un RPM nominal théorique de 1922x14,8 = 28, 446 RPM

En effet, le moteur peut ne pas atteindre cette vitesse théorique car il y a des pertes mécaniques non linéaires et des pertes de puissance résistive.

Étape 2: les fondamentaux

Un moteur électrique développe un couple en alternant la polarité des électro-aimants rotatifs fixés au rotor, la partie tournante de la machine et des aimants fixes sur le stator qui entoure le rotor. Un ou les deux ensembles d'aimants sont des électro-aimants, constitués d'une bobine de fil enroulé autour d'un noyau ferromagnétique. L'électricité qui traverse l'enroulement du fil crée le champ magnétique, fournissant la puissance qui fait tourner le moteur.

Le numéro de configuration vous indique le nombre d'électro-aimants sur le stator et le nombre d'aimants permanents sur le rotor. Le nombre avant la lettre N indique le nombre d'électro-aimants qu'il y a dans le stator. Le nombre avant le P indique le nombre d'aimants permanents dans le rotor. La plupart des moteurs brushless hors-courrier suivent la configuration 12N14P.

Étape 3: Contrôleur de vitesse électronique

Un ESC est l'appareil qui convertit le courant continu de la batterie en courant alternatif. Il prend également en entrée les données du contrôleur de vol pour moduler la vitesse et la puissance du moteur. Il existe plusieurs protocoles pour cette communication. Les principaux analogiques sont: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 et Multishot. Mais ceux-ci sont devenus obsolètes pour les quadricoptères avec l'arrivée de nouveaux protocoles numériques appelés Dshot. Il n'a aucun des problèmes d'étalonnage des protocoles analogiques. Étant donné que des bits numériques sont envoyés en tant qu'informations, le signal n'est pas perturbé par les champs magnétiques changeants et les pics de tension, contrairement à leur homologue. Dhsot n'est pas vraiment plus rapide que Multishot jusqu'à DShot 1200 et 2400, qui ne peut fonctionner que sur quelques ESC à ce stade. Les vrais avantages de Dshot sont principalement la capacité de communication bidirectionnelle, en particulier la possibilité de renvoyer les données de la pièce au FC pour une utilisation dans le réglage des filtres dynamiques et la possibilité de faire des choses comme le mode tortue (inverser temporairement les ESC pour retourner le quad s'il est coincé à l'envers). Un ESC est principalement composé de 6 mosfets, 2 pour chaque phase du moteur et d'un microcontrôleur. Le mosfet alterne essentiellement entre l'inversion de la polarité à une certaine fréquence pour réguler le régime du moteur. Les ESC ont un courant nominal car il s'agit de l'ampérage maximum que l'ESC peut supporter pendant de longues périodes.

Étape 4: Efficacité

(Multibrin: Purple Motor Single Strand: Orange Motor)

Câble:

Les fils multibrins peuvent emballer plus de volume de cuivre dans une zone donnée par rapport à un seul fil épais enroulé autour du stator, de sorte que la force du champ magnétique est légèrement plus forte, mais la puissance absorbée globale du moteur est limitée en raison des fils minces (étant donné que le le moteur multibrin est construit sans aucun croisement des fils, ce qui est hautement improbable en raison de la qualité de fabrication). Un fil plus épais peut transporter plus de courant et supporter une puissance de sortie plus élevée par rapport à un moteur multibrins de construction égale. Il est plus difficile de construire un moteur multibrin correctement construit, donc la plupart des moteurs de qualité sont construits avec un seul brin de fil (pour chaque phase). Les petits avantages du câblage multibrins sont facilement dépassés par la fabrication et la conception médiocre, sans parler du fait qu'il y a beaucoup plus de place pour les accidents si l'un des fils minces surchauffe ou court-circuite. Le câblage monobrin ne présente aucun de ces problèmes car il a une limite de courant beaucoup plus élevée et des points de court-circuit minimes. Ainsi, pour la fiabilité, la cohérence et l'efficacité, les enroulements monobrin sont les meilleurs pour les moteurs brushless quadricoptères.

P. S. L'une des raisons pour lesquelles les fils multibrins sont pires pour certains moteurs spécifiques est due à l'effet de peau. L'effet de peau est la tendance d'un courant électrique alternatif à se répartir dans un conducteur de telle sorte que la densité de courant est la plus élevée près de la surface du conducteur et diminue avec de plus grandes profondeurs dans le conducteur. L'effet de profondeur de peau varie avec la fréquence. Aux hautes fréquences, la profondeur de la peau devient beaucoup plus petite. (À des fins industrielles, le fil de litz est utilisé pour contrer l'augmentation de la résistance CA due à l'effet de peau et économiser de l'argent) Cet effet de peau peut faire sauter des électrons à travers les fils de chaque groupe de bobines, les court-circuitant efficacement les uns aux autres. Cet effet se produit généralement lorsque le moteur est mouillé ou utilise des fréquences élevées de plus de 60 Hz. L'effet de dépouillement peut provoquer des courants de Foucault qui à leur tour créent des points chauds dans l'enroulement. C'est pourquoi l'utilisation d'un fil plus petit n'est pas idéale.

Température:

Les aimants permanents en néodyme utilisés pour les moteurs sans balais sont assez puissants, ils vont généralement de N48 à N52 en termes de force magnétique (plus le N52 est le plus fort à ma connaissance). Les aimants en néodyme de type N perdent en permanence une partie de leur aimantation à une température de 80 °C. Les aimants avec la magnétisation N52 ont une température de fonctionnement maximale de 65°C. Un refroidissement vigoureux n'endommage pas les aimants en néodyme. Il est recommandé de ne jamais surchauffer les moteurs car le matériau isolant en émail sur les enroulements en cuivre a également une limite de température et s'ils fondent, cela peut provoquer un court-circuit brûlant le moteur ou pire encore, votre contrôleur de vol. Une bonne règle de base est que si vous ne pouvez pas conserver le moteur pendant une très longue période après un court vol de 1 ou 2 minutes, vous surchauffez probablement le moteur et cette configuration ne sera pas viable pour une utilisation prolongée.

Étape 5: Couple

Tout comme il existe une constante de vitesse du moteur, il existe une constante de couple. L'image ci-dessus vous montre la relation entre la constante de couple et la constante de vitesse. Pour trouver le couple, il suffit de multiplier la constante de couple par le courant. La chose intéressante à propos du couple dans les moteurs sans balais est qu'en raison des pertes résistives des circuits entre la batterie et le moteur, la relation entre le couple et le KV du moteur n'est pas aussi directement liée que l'équation le suggère. L'image ci-jointe montre la relation réelle entre le couple et le KV à différents régimes. En raison de la résistance ajoutée de l'ensemble du circuit, le % de changement de résistance n'est pas équivalent au % de changement de KV et, par conséquent, la relation a une courbe étrange. Étant donné que les changements ne sont pas proportionnels, la variante KV inférieure d'un moteur a toujours plus de couple jusqu'à un certain RPM élevé où la marge de RPM du moteur KV élevé prend le relais en force et produit plus de couple.

Sur la base de l'équation, KV ne modifie que le courant nécessaire pour produire le couple, ou inversement, la quantité de couple produite par une certaine quantité de courant. La capacité d'un moteur à produire réellement un couple dépend de facteurs tels que la force de l'aimant, l'entrefer, la section transversale des enroulements. Au fur et à mesure que les RPM augmentent, le courant augmente considérablement, principalement en raison de la relation non linéaire entre l'énergie et les RPM.

Étape 6: Fonctionnalités supplémentaires

La cloche du moteur est la partie du moteur qui subira le plus de dégâts dans un engin, il est donc impératif qu'elle soit faite du meilleur matériau à cet effet. La plupart des moteurs chinois bon marché sont fabriqués en aluminium 6061 qui se déforme facilement lors d'un accident violent, alors restez à l'écart de l'asphalte pendant le vol. Le côté plus haut de gamme des moteurs utilise de l'aluminium 7075 qui offre une durabilité beaucoup plus grande et une durée de vie plus longue.

La tendance récente dans les moteurs de quadricoptères est d'avoir un arbre creux en titane ou en acier car il est plus léger qu'un arbre plein et a une grande résistance structurelle. Par rapport à un arbre plein, un arbre creux est de moindre poids, pour une longueur et un diamètre donnés. De plus, c'est une bonne idée d'aller de l'avant avec des arbres creux, si nous mettons l'accent sur la réduction du poids et la réduction des coûts. Les arbres creux supportent bien mieux les charges de torsion que les arbres pleins. De plus, la tige en titane ne se dénudera pas aussi facilement que la tige en acier ou en aluminium. L'acier trempé peut en fait être meilleur en termes de résistance fonctionnelle que certains des alliages de titane couramment utilisés dans ces arbres creux. Cela dépend vraiment des alliages spécifiques discutés et de la technique de durcissement utilisée. En supposant le meilleur cas pour les deux matériaux, le titane sera plus léger, mais légèrement plus cassant, et l'acier trempé sera plus résistant mais légèrement plus lourd.

Étape 7: Références/Ressources

Pour des tests extrêmement détaillés et un aperçu de moteurs de quadricoptères spécifiques, consultez EngineerX sur YouTube. Il publie des statistiques détaillées et teste au banc les moteurs avec diverses hélices.

Pour des théories intéressantes et d'autres informations supplémentaires sur le monde des courses / freestyle FPV, regardez KababFPV. Il est l'une des personnes les plus formidables à écouter pour une discussion éducative et intuitive sur la technologie des quadricoptères.

www.youtube.com/channel/UC4yjtLpqFmlVncUFE…

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