Vấn đề về động cơ UAV không như bạn nghĩ
Hầu hết các kỹ sư chỉ định nam châm cho động cơ đẩy UAV đều tập trung vào sản phẩm năng lượng. BHmax cao hơn có nghĩa là mật độ từ thông nhiều hơn, nghĩa là KV cao hơn và lực đẩy trên mỗi gam trọng lượng động cơ nhiều hơn. Logic đó đúng về mọi mặt - nhưng nó dừng lại ở nửa chừng của vấn đề thiết kế thực tế.
Phần khiến các nhóm thử nghiệm cảm thấy khó chịu: Động cơ đẩy UAV chạy ở tần số điện cực cao, không có luồng khí làm mát ngoại trừ luồng khí mà chính cánh quạt tạo ra và trong các chu kỳ tải có thể chuyển từ không tải sang tăng ga tối đa trong thời gian dưới 100 mili giây. N52 có thể mang lại cho bạn mật độ từ thông tĩnh tốt nhất, nhưng nếu nhiệt độ nam châm đạt 140 độ khi leo lên liên tục ở nhiệt độ môi trường cao - điều này sẽ xảy ra trong một vỏ bọc kín vào một ngày 40 độ - thì bạn vừa đặt loại nhạy cảm với nhiệt nhất vào môi trường tồi tệ nhất có thể.
Việc lựa chọn nam châm UAV phù hợp có nghĩa là phải tính đến tần số điện, nhiệt độ cánh quạt dưới tải thực của chuyến bay và sự cân bằng giữa mật độ từ thông và lực cưỡng bức trên toàn bộ đường bao chuyến bay. Đây là cách để vượt qua nó.
1. Tần số điện là bộ lọc đầu tiên
Động cơ đẩy UAV nhiều rôto thường chạy ở mức 1.400–2.200 KV cho khung nhỏ (đạo cụ 3–7 inch) và 100–400 KV cho nền tảng chuyên nghiệp lớn hơn. Ở điện áp pin 14S (danh nghĩa 58,8V) và 1.800 KV, một động cơ đạt 80% tốc độ không tải khi tải đang quay với tốc độ khoảng 84.000 vòng/phút. Với cấu hình 14 cực - tiêu chuẩn cho các thiết kế vượt trội KV cao - đó là tần số điện 19.600 Hz.
Ở tần số đó, tổn thất dòng điện xoáy theo thang đo bằng bình phương của cả tần số và độ dày lớp màng. Một động cơ sử dụng thép silicon 0,35mm ở tần số 20.000 Hz sẽ giảm tổn thất lõi nhiều hơn khoảng 6 lần so với động cơ tương tự có lớp phủ 0,20mm. Nhiệt lượng đó đi vào rôto và từ rôto đi vào nam châm. Do đó, lựa chọn cán màng không thể tách rời khỏi quyết định cấp nam châm - cả hai cần phải được chỉ định cùng nhau dựa trên tần số hoạt động mục tiêu.
Đối với động cơ KV cao trên 1.000 KV: thép silicon 0,20mm là mức tối thiểu thực tế. Đối với động cơ bay chậm cấp chuyên nghiệp dưới 200 KV chạy ở tần số điện thấp hơn, 0,35mm là chấp nhận được và giảm chi phí sản xuất.
2. Phong bì nhiệt dưới tải trọng chuyến bay thực
Di chuột ở mức ga 50% không phải là điểm thiết kế nhiệt. Điểm thiết kế tản nhiệt là thời gian tăng ga tối đa kéo dài 30 giây kể từ khi khởi động ấm áp - kịch bản tập trung tổn thất đồng và sắt tối đa với khả năng làm mát đối lưu tối thiểu.
Trong động cơ đua 5 inch điển hình (đường kính stator 22mm, cấu hình 12N14P), kịch bản này tạo ra nhiệt độ cuộn dây là 110–135 độ và nhiệt độ nam châm là 85–105 độ, được đo trên bề mặt nam châm bên ngoài. Mặt trong của nam châm, được liên kết với tấm sắt phía sau rôto, nóng hơn 10–15 độ. Vì vậy nhiệt độ hiệu dụng của nam châm trong quá trình hoạt động trong trường hợp xấu nhất là 95–120 độ.
Ở 120 độ, một nam châm N52 - Hcj thường có cường độ 955 kA/m - đang hoạt động với lực cưỡng bức giảm khoảng 15% so với nhiệt độ phòng. Điểm uốn trên đường cong BH ở nhiệt độ đó nằm đủ gần điểm vận hành trong động cơ dòng điện cao nên việc khử từ một phần trên các xung dòng điện là một rủi ro thực sự chứ không phải rủi ro về mặt lý thuyết. N52H, với Hcj khoảng 1.274 kA/m ở 20 độ, mang lại biên độ cao hơn đáng kể ở nhiệt độ cao.
Khuyến nghị thực tế: đối với bất kỳ động cơ UAV nào dự kiến sẽ hoạt động hết ga liên tục - máy bay không người lái giao hàng, nền tảng quay phim chuyên nghiệp, máy phun nông nghiệp - hãy chỉ định N48H hoặc N50H thay vì N52 hoặc N52H. Bạn từ bỏ 3–5% mật độ từ thông danh nghĩa và đạt đủ biên độ lực cưỡng bức để vận hành an toàn ở nhiệt độ nam châm 120 độ.
3. Lựa chọn lớp bằng ứng dụng UAV
| Ứng dụng | Phạm vi KV điển hình | Nhiệt độ nam châm tối đa | Lớp đề xuất | Lý luận |
|---|---|---|---|---|
| Đua xe FPV (3–5 inch) | 2.000–2.800 KV | 100–130 độ | N48H | Các chùm tia ngắn, đối lưu tốt từ khung hình mở; Hậu tố H mang lại biên độ nhiệt mà không phải hy sinh quá nhiều thông lượng |
| Đua xe FPV (5–7 inch) | 1.200–2.000 KV | 90–120 độ | N50H | Khối lượng động cơ lớn hơn giúp cải thiện khả năng tản nhiệt; N50H đạt được sự cân bằng từ thông/cưỡng kháng tốt |
| Tự do / Điện ảnh (5–7 inch) | 1.700–2.400 KV | 85–115 độ | N48H–N50H | Tương tự như đua xe nhưng có đoạn đường kéo dài hơn; Hậu tố H quan trọng |
| Rạp chiếu phim chuyên nghiệp (10–15 inch) | 100–400 KV | 70–100 độ | N45H–N48H | Tần số điện thấp hơn làm giảm tổn thất lõi; KV thấp hơn có nghĩa là dòng điện đỉnh thấp hơn; N45H thường đủ |
| Giao hàng / Hậu cần UAV | 150–600 KV | 100–130 độ (vỏ bọc) | N45SH–N48SH | Vỏ bọc kín giúp loại bỏ khả năng làm mát đối lưu; Hậu tố SH cần thiết để duy trì khả năng leo dốc ở môi trường xung quanh cao |
| Máy phun nông nghiệp | 80–200 KV | 90–120 độ | N42SH–N45SH | Thời gian bay dài ở chế độ tiết lưu một phần trong môi trường có môi trường xung quanh cao; ưu tiên Hcj hơn BHmax |
4. Phân đoạn hồ quang và nam châm ngói cho rôto vượt trội
Động cơ UAV vượt trội - trong đó rôto là lớp vỏ bên ngoài và stato được cố định - sử dụng nam châm gắn trên bề mặt được liên kết với bên trong hộp rôto. Có hai lựa chọn hình học: các đoạn cung được uốn cong để phù hợp với bán kính rôto và các ô phẳng.
Gạch phẳng có chi phí sản xuất rẻ hơn và dễ tìm nguồn cung hơn. Vấn đề là tấm ngói phẳng trên bàn ủi phía sau có cánh quạt cong tạo ra khe hở không khí thay đổi: tối đa ở các cạnh viên gạch, tối thiểu ở tâm viên gạch. Trong động cơ có đường kính stato 22 mm, sự thay đổi này đủ nhỏ để có thể bỏ qua. Trong stato 40mm hoặc lớn hơn - điển hình cho các bệ chuyên nghiệp - sự thay đổi khe hở không khí từ các tấm phẳng tạo ra gợn sóng mô-men xoắn có thể đo được ở tần số đi qua cực.
Đối với động cơ có đường kính stato trên 35mm, các đoạn cung khớp với độ cong của rôto tạo ra khe hở không khí đồng đều và giảm độ gợn của mô-men xoắn từ 40–60% so với các loại động cơ phẳng cùng cấp. Chi phí cao hơn thường là 15–25% so với gạch phẳng ở khối lượng sản xuất, chi phí này sẽ biến mất nhanh chóng khi bạn tính đến khả năng tiết kiệm cách ly rung trong gimbal máy ảnh hoặc giảm độ mỏi của cấu trúc trong khung máy bay.
5. Biên độ dính và lắp ráp
Hệ số giãn nở nhiệt của NdFeB (khoảng 5–7 × 10⁻⁶/ độ ) khác với hệ số giãn nở nhiệt của lon rôto nhôm (23 × 10⁻⁶/ độ ) khoảng 3–4×. Khi nhiệt độ dao động 100 độ, đoạn cung 15 mm trên rôto nhôm đường kính 40 mm sẽ có độ giãn nở chênh lệch khoảng 0,027 mm tại đường liên kết.
Chất kết dính epoxy hai thành phần tiêu chuẩn có độ cứng Shore D trên 80 sẽ bị nứt trong chu kỳ này nếu độ dày đường liên kết nhỏ hơn 0,08mm. Cách tiếp cận đúng là epoxy dẻo có Shore D trong phạm vi 60–75 và đường liên kết được kiểm soát là 0,10–0,15mm. Nhà cung cấp nam châm phải có khả năng xác nhận khả năng tương thích của chất kết dính với vật liệu rôto và phạm vi nhiệt độ vận hành - nếu không thể, đó là thông tin cần có trước khi lô động cơ đầu tiên được đưa vào thử nghiệm tại hiện trường.
6. Những điều cần hỏi nhà cung cấp nam châm của bạn
- ☐ Đường cong BH ở các góc 20 độ, 80 độ và 120 độ so với vật liệu sản xuất - các giá trị điển hình của bảng dữ liệu là không đủ
- ☐ Độ đồng đều mật độ từ thông trong một lô sản xuất: có thể đạt được ±2%; ±5% là chấp nhận được; ở trên tạo ra biến thể trên mỗi động cơ yêu cầu hiệu chuẩn riêng
- ☐ Dung sai bán kính đoạn cung: ± 0,05mm là tiêu chuẩn; yêu cầu ± 0,03mm nếu khe hở không khí danh nghĩa của bạn dưới 0,35mm
- ☐ Khuyến nghị về chất kết dính cho vật liệu rôto và nhiệt độ vận hành của bạn
- ☐ Kết quả thử nghiệm phun muối nếu động cơ hoạt động trong môi trường ẩm ướt hoặc ven biển (tối thiểu lớp phủ kẽm; xem xét lớp phủ epoxy cho các ứng dụng hàng hải)
- ☐ Số lượng đặt hàng tối thiểu cho các đoạn cung tùy chỉnh - hầu hết các nhà cung cấp yêu cầu 500–2.000 chi tiết cho hình học tùy chỉnh; lập kế hoạch số lượng mẫu kỹ thuật của bạn cho phù hợp
HIMAGNET cung cấp nam châm phân đoạn hồ quang và nam châm gạch cho động cơ UAV từ các mẫu kỹ thuật hàng loạt nhỏ cho đến khối lượng sản xuất. Để được hỗ trợ lựa chọn cấp độ cụ thể cho thiết kế động cơ của bạn,liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôivới KV, số cực, ước tính nhiệt độ vận hành và hình dạng rôto của bạn.
