Σκοπός αυτού του οδηγού είναι να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τα βασικά χαρακτηριστικά των μοτέρ και των προπελών που χρησιμοποιούμε σε τηλεκατευθυνόμενα πολλαπλών στροφείων (quadcopter, hexacopter, κλπ). Θα σας βοηθήσει συνεκτιμώντας όλες τις παραμέτρους να επιλέξετε τα κατάλληλα μοτέρ και έλικες για το quadcopter που πρόκειται να κατασκευάσετε. Υπάρχουν μερικοί γενικοί κανόνες που πρέπει να ακολουθήσετε και να λάβετε σοβαρά υπόψη ώστε να επιλέξετε τον βέλτιστο συνδυασμό μοτέρ και προπελών.

 Από που να ξεκινήσουμε άραγε; Πρώτη επιλογή το μέγεθος του μοτέρ.

TAROT 4114 320KV

Για να μπορέσουμε να ξεκινήσουμε πρέπει δώσουμε απάντηση στα 2 ερωτήματα που ακολουθούν:

• Ποιο είναι το συνολικό βάρος του τετρακόπτερου που έχουμε κατά νου να κατασκευάσουμε;
• Ποιο είναι το μέγεθος του πλαισίου (σκελετού) που θα χρησιμοποιήσουμε στην κατασκευή μας;

Σε αυτό το σημείο το συνολικό βάρος θα πρέπει κατά κάποιο τρόπο να το μαντέψουμε από τη στιγμή που δεν έχουμε κατασκευάσει ακόμα το τετρακόπτερο. Στον υπολογισμό του συνολικού βάρους θα πρέπει να συμπεριλάβουμε όλα τα επί μέρους κομμάτια: πλαίσιο, Flight Controller, μονάδα διανομής ισχύος, καλώδια, μοτέρ, ESC’s, μπαταρία, έξτρα φορτίο (όπως HD camera και gimbals), κλπ. Αυτό είναι απλά μία αρχική εκτίμηση την οποία μπορούμε να αναθεωρήσουμε όταν έχουμε κατασταλάξει στα εξαρτήματα που πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε.

Γνωρίζοντας το μέγεθος του πλαισίου αυτόματα ξέρουμε το μέγιστο μέγεθος των προπελών που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε.

Με οδηγό λοιπόν τους 2 παραπάνω υπολογισμούς μπορούμε πλέον να υπολογίσουμε στο περίπου πόση ώθηση (thrust) πρέπει τα μοτέρ  να προσδώσουν ώστε το τετρακόπτερό μας να βρεθεί στον αέρα, χρησιμοποιώντας φυσικά έλικες περιορισμένου μεγέθους.

2:1 Αναλογία Ώθησης προς Βάρος

Ένας γενικός κανόνας που ακολουθούμε είναι να έχουμε το ελάχιστο διπλάσια ώθηση σε σχέση με το συνολικό βάρος του τετρακόπτερου. Αυτό είναι το ελάχιστο το οποίο μας διασφαλίζει ότι θα έχουμε ένα σταθερό σκάφος το οποίο πολύ εύκολα θα χειριζόμαστε ενώ βρίσκεται σε αιώρηση. Εάν η ώθηση που μας παρέχουν τα μοτέρ είναι μικρή, δηλαδή κάτω του ελαχίστου που έχουμε θέσει, θα έχουμε δυσκολίες όχι μόνο στον χειρισμό αλλά ακόμα και στην απογείωση.

Για παράδειγμα εάν το τετρακόπτερο μας ζυγίζει 1kg, η συνολική ώθηση που θα πρέπει να  παράγουν τα μοτέρ σε 100% throttle πρέπει να είναι κατ’ελάχιστο 2kg, ή 500g σε κάθε μοτέρ(για ένα quadcopter). Το εξακόπτερο TAROT 680 Pro, την κατασκευή του οποίου έχω παρουσιάσει σε προηγούμενο άρθρο, ζυγίζει χωρίς την μπαταρία 2,4Kg περίπου και προσθέτοντας το βάρος της μεγαλύτερης μπαταρίας που χρησιμοποιώ ( Multistar 16000mAh 4S) αγγίζει τα 3,5Kg. Σε αυτή την περίπτωση τα μοτέρ θα πρέπει να δίνουν 7Kg ώθηση δηλαδή 1,16 Κg ανά μοτέρ (hexacopter).

Για πτήσεις με μεγάλη ταχύτητα όπως για παράδειγμα στην κατηγορία racers,  πρέπει να περιμένουμε μεγαλύτερη αναλογία από αυτή που αναφέραμε. Είναι σύνηθες να δούμε κάποιον που κατασκευάζει mini quads να επιτυγχάνει 8:1, ή ακόμα και  10:1 αναλογία ώθησης προς βάρος . Αλλά όταν έχουμε τόσο μεγάλη αναλογία ώθησης προς βάρος  το τετρακόπτερο εμφανίζεται πολύ ”νευρικό” και πολύ δύσκολο στον χειρισμό του.

Η πρότασή μου , ακόμα και αν σχεδιάζετε να πετάτε το πολυκόπτερο σας ως πλατφόρμα εναέριας φωτογράφισης,  είναι να στοχεύετε  κάπου μεταξύ 3:1 και 4:1. Αυτό θα σας δώσει όχι μόνο καλύτερο έλεγχο και smooth πτήσεις αλλά  θα σας δώσει και χώρο να προσθέσετε περισσότερο βάρος στο μέλλον εάν απαιτηθεί (όπως κάμερα με μεγαλύτερο βάρος, έξτρα μπαταρία για να παρατείνετε τον χρόνο πτήσης κλπ).

Μέγεθος Μοτέρ και KV

Τα Brushless μοτέρ στα τηλεκατευθυνόμενα συνήθως υποδηλώνονται  με έναν τετραψήφιο αριθμό AABB. “AA” δηλώνει  το εύρος του στάτορα (το ακίνητο μέρος των ηλεκτροκινητήρων και των ηλεκτρογεννητριών, το οποίο μπορεί να είναι ένας μόνιμος μαγνήτης ή ένας ηλεκτρομαγνήτης αντίθετα: ρότορας), και “BB” είναι το ύψος του στάτορα.  Βασικά όσο μεγαλύτερο το εύρος και το ύψος, τόσο περισσότερη ροπή μπορεί να παράξει το μοτέρ.

KV είναι μια ακόμα σημαντική παράμετρος, είναι η θεωρητική αύξηση των στροφών ανά λεπτό (RPM) του μοτέρ όταν ή τάση αυξάνεται κατά 1 volt χωρίς φορτίο. Για παράδειγμα όταν τροφοδοτούμε ένα μοτέρ 2300KV με μια 3S LiPo μπαταρία (12.6V), το μοτέρ θα στροβιλίσει με περίπου 28980 στροφές το λεπτό (RPM). Παρεμπιπτόντως, αυτή είναι  μία θεωρητική προσέγγιση.

Μόλις τοποθετήσουμε τους έλικες στα μοτέρ οι στροφές ανά λεπτό δεν θα είναι τόσο υψηλές λόγω της αντίστασης. Μοτέρ με υψηλότερα KV θα προσπαθήσουν να στροβιλίσουν τους έλικες ταχύτερα, αλλά τα μοτέρ με χαμηλότερη τιμή KV παράγουν μεγαλύτερη ροπή. Αυτός είναι ο λόγος που υπάρχει η τάση να βλέπουμε μεγαλύτερους έλικες σε συνδυασμό με μοτέρ χαμηλού KV, και μικρότερους έλικες με μοτέρ μεγάλου KV.

Είναι σημαντικό να πετύχουμε ισορροπία μεταξύ των στροφών ανά λεπτό  και της ροπής όταν επιλέγουμε μοτέρ και έλικες.

Συνδυάζοντας μοτέρ με πολλά KV  με πολύ μεγάλους έλικες, το μοτέρ θα προσπαθήσει να στροβιλίσει με μεγάλη ταχύτητα όπως ακριβώς θα έκανε με μικρούς έλικες , αυτό όμως θα αυξήσει την θερμότητα λόγω της άντλησης περισσότερου ρεύματος. Τελικά θα κάψουμε το μοτέρ λόγω της υπερθέρμανσης και των βραχυκυκλωμάτων στα πηνία του μοτέρ.

N και P

Μερικές φορές θα δείτε στα τεχνικά χαρακτηριστικά του μοτέρ κάτι σαν “12N14P”. Ο αριθμός μπροστά από το γράμμα N υποδεικνύει τον αριθμό των ηλεκτρομαγνητών του στάτορα, και ο αριθμός μπροστά από το P υποδεικνύει τον αριθμό των μόνιμων μαγνητών στο μοτέρ.

Τα περισσότερα μοτέρ έχουν την ίδια 12N14P διαμόρφωση, μερικά όμως μοτέρ με χαμηλό KV έχουν περισσότερους ηλεκτρομαγνήτες και μόνιμους μαγνήτες το οποίο βοηθάει στην αύξηση της  ροπής (είναι όμως και περισσότερο ακριβά). Σαν πληροφορία η παραπάνω ένδειξη είναι καλή αλλά πιστέψτε με δεν πρόκειται να μας απασχολήσει καθόλου κατά την επιλογή των μοτέρ.

Μέγεθος Σκελετού => Μέγεθος Έλικα => Μέγεθος Μοτέρ και KV

Τις περισσότερες φορές γνωρίζοντας το μέγεθος του πλαισίου μπορούμε να κάνουμε μια πρώτη εκτίμηση για τον τύπο του μοτέρ που πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε. Αυτό συμβαίνει γιατί το μέγεθος του πλαισίου περιορίζει το μέγεθος των προπελών και αυτές με τη σειρά τους περιορίζουν το μέγεθος του μοτέρ και τα KV. Αυτό είναι η εύκολη λύση, πρέπει πάντα να ελέγχουμε την ώθηση που προσδίδουν τα μοτέρ και να βεβαιωνόμαστε ότι η άντληση ρεύματος δεν υπερβαίνει τις τιμές ασφαλείας του μοτέρ (περιγράφεται στα τεχνικά χαρακτηριστικά του) με τους έλικες που έχουμε επιλέξει χρησιμοποιήσουμε.

Ο παρακάτω πίνακας είναι ενδεικτικός και μπορεί να σας δώσει μερικές ιδέες για τη σχέση πλαισίου->έλικα->μοτέρ όταν χρησιμοποιούμε μπαταρία LiPo 4S. Σε αυτό το σημείο πρέπει να τονίσουμε ότι το μέγεθος πλαισίου υπολογίζεται από την απόσταση μεταξύ των κέντρων δύο μοτέρ που βρίσκονται στην ίδια διαγώνιο.

Τάση και άντληση Ρεύματος

Είναι επίσης σημαντικό να καταλάβουμε ότι η τάση επηρεάζει σημαντικά στην επιλογή των μοτέρ και των προπελών. Τα μοτέρ θα προσπαθήσουν να στροβιλίσουν πιο δυνατά όταν εφαρμόζουμε υψηλότερη τάση και έτσι θα αντλήσουν περισσότερο ρεύμα. Πάντα πρέπει πρώτο μας μέλημα να είναι  η εύρεση στα τεχνικά χαρακτηριστικά του μοτέρ το μέγεθος της παραγόμενης ώθησης.

Κατανοώντας τα τεχνικά χαρακτηριστικά των Μοτέρ

TAROT 4006 620KV

Όταν επιλέγουμε μοτέρ υπάρχουν συνήθως διαθέσιμες οι προδιαγραφές τους είτε από τον εκάστοτε πωλητή είτε από την κατασκευάστρια εταιρεία. Πρέπει να είμαστε ικανοί να βρούμε πληροφορίες για την ισχύ,την ώθηση, τις στροφές ανά λεπτό, κλπ. Παρακάτω εμφανίζονται ως παράδειγμα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του μοτέρ της TAROT 4006 620KV.

Specification :
– Model : 4006
– KV : 620KV
– Power Supply : 4S Li-Po
– Suitable for : 3~4KG drone
– Propeller Mounting : Two Holes, M3 holes with 12mm spacing
– The motor outer diameter: 46mm
– The stator diameter: 40.6m
– The stator end thickness: 6mm
– The stator terminal number: 24 slot
– Motor pole number: 22P
– The wire diameter: 0.23mm
– Gear shaft installation – diameter: 4mm
– Motor height: 22.0mm
– The motor shaft length: 30.50mm
– Motor weight: 82G.
– Motor resistance: 126 M.
– No load current 14.8V: 0.8A.
– 14.8 load current: 14A.
– Mounting hole : 27mm triangle

Συγκρίνοντας τα μοτέρ που έχουμε ξεχωρίσει

Αφού έχουμε κάνει τους υπολογισμούς μας και έχουμε καταλήξει στο μέγεθος και τα KV των moter που θα προμηθευτούμε πρέπει να επιλέξουμε το καταλληλότερο για την κατασκευή μας από αυτά που υπάρχουν διαθέσιμα στο εμπόριο. Για κάνουμε την καλύτερη επιλογή πρέπει να λάβουμε υπόψη τους παρακάτω παράγοντες:

• Ώθηση – Thrust
• Άντληση ρεύματος – Current Draw
• Αποδοτικότητα – Efficiency
• Βάρος – Ροπή Αδράνειας Weight – Moment of Inertia

Η απόφαση που θα κάνουμε εδώ εξαρτάται αποκλειστικά από την προτίμησή μας στο πως θέλουμε να συμπεριφέρεται το σκάφος μας.

Μεγαλύτερη ώθηση μας δίνει σίγουρα μεγαλύτερη ταχύτητα αλλά πρέπει να εξετάζουμε και την απόδοση (efficiency), ώστε να είμαστε σίγουροι ότι το ποσό της ενέργειας που δαπανάται δεν υπερβαίνει το επιτρεπτό από τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούμε.

Επιπλέον η επιλογή των μοτέρ και των προπελών μπορεί να επηρεάσει την επιλογή των μπαταριών. Αν το σκάφος μας μπορεί να αντλήσει μεγάλη ποσότητα ρεύματος σε full throttle, o μέγιστος βαθμός εκφόρτισης της μπαταρίας μας  πρέπει να είναι τέτοιος ώστε να είναι σε θέση να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ, χωρίς να υπερθερμαίνεται και τελικά καταστρέφεται (φουσκώνει).

Ένα χαρακτηριστικό το οποίο συνήθως παραβλέπεται είναι το βάρος του μοτέρ, πολύ σημαντική παράμετρος στα racer drones. Δεν επηρεάζει μόνο το συνολικό βάρος του σκάφους και κατά συνέπεια και την αναλογία ώθησης προς συνολικό βάρος, αλλά επηρεάζει και την ροπή αδρανείας. Όταν το τετρακόπτερο μας κάνει ακροβατικά flips και rolls, χρειάζεται κάποιο χρόνο για να επιστρέψει στην επιθυμητή θέση. Αν τα μοτέρ που επιλέξαμε έχουν μεγάλο βάρος θα χρειαστεί πολύ μεγαλύτερος χρόνος για να το καταφέρει.

Πραγματικά όλα είναι θέμα ισορροπίας, ή προσωπικής επιλογής του τομέα στον οποίο  θέλουμε να υπερέχει το πολυκόπτερό μας.

Περισσότερες συμβουλές για την αποδοτικότητα των μοτέρ.

Ένα πολυκόπτερο είναι περισσότερο αποδοτικό όταν είναι όσο το δυνατό ελαφρύτερο. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει πως μπορούμε να βρούμε την απόλυτη ισορροπία κατά την επιλογή LiPo μπαταριών για το πολυκόπτερό μας γιατί αυτές αποτελούν συνήθως το 1/3 του συνολικού βάρους.

Η μπαταρία και το βάρος δεν είναι οι μοναδικοί παράγοντες που πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη για τη συνολική απόδοση ισχύος. Όταν επιλέγουμε μοτέρ εκτός από τα KV  και την ώθηση πρέπει να ρίχνουμε και μια ματιά στην απόδοση του μοτέρ.

Όσο μεγαλύτερη η απόδοση τόσο καλύτερα. Μοτέρ με απόδοση 70% παράγει 70% ισχύ και 30% θερμότητα. Με  90% απόδοση παράγει 90% ισχύ και 10% θερμότητα.

Με μοτέρ μικρής απόδοσης όχι μόνο σπαταλάμε ενέργεια (και συνεπώς χρόνο πτήσης), αλλά έχουμε και μικρή ώθηση με full throttle. Το πιο σημαντικό είναι ότι  όταν το μοτέρ λειτουργεί τόσο αναποτελεσματικά έχει αρνητικό αντίκτυπο στον χρόνο απόκρισης. Θα πάρει περισσότερο χρόνο στο μοτέρ να φτάσει τις επιθυμητές στροφές ανά λεπτό πράγμα που επηρεάζει αρνητικά τη σταθερότητα και την ανταπόκριση του σκάφους.

Επιλέγοντας το σωστό μέγεθος και τύπο προπελών

Οι έλικες παράγουν ώθηση καθώς γυρίζουν και μετακινούν τα μόρια του αέρα. Όσο περισσότερη ποσότητα αέρα μετακινούν τόσο περισσότερη ώθηση παράγουν.

Τα βασικά – Μέγεθος/Βήμα

Σε κάθε τετρακόπτερο έχουμε 2 έλικες κινούμενους δεξιόστροφα (CW clockwise) και δύο αριστερόστροφα  (CCW counter-clockwise). Υπάρχουν έλικες διαφορετικού μήκους και βήματος. Για παράδειγμα 9×4.7 (μερικές φορές 9047) είναι προπέλες που έχουν μήκος 9 ίντσες και βήμα 4.7 ίντσες, 5x3x3 (μερικές φορές 5030×3) σημαίνει 3-πτερύγια 5 ίντσες μήκος και βήμα 3 ίντσες.

Το μέγεθος του έλικα μετριέται από άκρη σε άκρη και μερικές φορές αναφέρεται ως διάμετρος διότι όταν ο έλικας στροβιλίζει δημιουργεί έναν κύκλο με διάμετρο ίση με το μήκος του έλικα.

Το βήμα του έλικα, μερικές φορές θα το βρούμε και ως μήκος βήματος,είναι η κάθετη απόσταση που διανύει σε μια πλήρη περιστροφή.

Σε γενικές γραμμές όταν αυξάνουμε το μέγεθος ή το βήμα του έλικα έχουμε μεγαλύτερη άντληση ρεύματος διότι μετακινείται περισσότερος αέρας  (υποθέτουμε ότι οι στροφές ανά λεπτό παραμένουν ίδιες) και γίνεται δυσκολότερο να γυρίσει. Με λίγα λόγια, μεγαλύτερες προπέλες ή υψηλότερο βήμα θα αυξήσει την ταχύτητα του σκάφους μας αλλά επίσης θα καταναλώσει περισσότερη ενέργεια.

Υλικό Κατασκευής

Έχουμε έλικες από διάφορα υλικά, πλαστικό, ανθρακόνημα, ξύλο κλπ. Κάθε τύπος υλικού προσδίδει  μοναδικές ιδιότητες, για παράδειγμα οι carbon  και οι ξύλινοι έλικες είναι άκαμπτοι και γνωστοί για την ομαλή επίδοσή τους, οι πλαστικοί είναι πολύ ανθεκτικοί κοκ.

This slideshow requires JavaScript.

Σχήμα

Το σχήμα του έλικα παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στις επιδόσεις του.  Υπάρχουν οι εξής κατηγορίες: pointy nose, bull nose (BN) and Hybrid bullnose (HBN). Βασικά για έλικες ιδίου μεγέθους και βήματος οι τύπου pointy tip είναι περισσότερο αποδοτικοί. Οι Bullnose έλικες δίνουν μεγαλύτερη ώθηση αλλά αντλούν περισσότερο ρεύμα γιατί έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια στο πτερύγιο. Τέλος οι HBN έλικες είναι μεταξύ των δυο.

Αριθμός Πτερυγίων

Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι με 2 πτερύγια. Η επόμενη πιο συνηθισμένη κατηγορία είναι αυτή με τα τρία πτερύγια την οποία βρίσκουμε κυρίως σε αγωνιστικά και freestyle quads. Μπορεί να συναντήσουμε ακόμα και έλικες με τέσσερα ή έξι πτερύγια πράγμα σπάνιο φυσικά. Βασικά όσα περισσότερα τα πτερύγια τόσο μεγαλύτερη η ώθηση που προσδίδει ο έλικας. Εντούτοις ,όπως ήδη έχουμε εξηγήσει και πρέπει να γίνει απόλυτα κατανοητό, αυτό οδηγεί σε άντληση περισσότερου ρεύματος και φυσικά σε μείωση της απόδοση.

Είναι σημαντικό να διεξάγουμε δοκιμές της ώθησης που παράγει ο έλικας σε συνδυασμό με τα μοτέρ που έχουμε αποφασίσει να χρησιμοποιήσουμε. Ίδιος έλικας συμπεριφέρεται εντελώς διαφορετικά σε διαφορετικά μοτέρ.

Ακόμα και το υλικό κατασκευής σε ιδίου μεγέθους και βήματος προπέλες ή και ο διαφορετικός κατασκευαστής κάνουν την απόδοση τους να διαφέρει.

Όλα όσα είπαμε παραπάνω είναι απλά θεωρίες και δεν αντιπροσωπεύουν την επίδοση τους σε  συνθήκες εξωτερικού περιβάλλοντος διότι στη φύση ο άνεμος κινείται ακανόνιστα προς διάφορες κατευθύνσεις και έχουμε αυξομειώσεις της θερμοκρασίας.

Συμπέρασμα

Με ένα σωστό συνδυασμό μοτέρ και προπελών στο τετρακόπτερο μας θα επιτύχουμε υψηλή  αποδοτικότητα πετυχαίνοντας έτσι μεγαλύτερους χρόνους πτήσης αλλά και απόλυτη χειριστική εμπειρία. Ελπίζω αυτό το άρθρο να σας βοήθησε δίνοντας σας τις απαραίτητες επεξηγήσεις ώστε να είστε σε θέση να επιλέξετε τους κατάλληλους έλικες και μοτέρ για την κατασκευή του πολυκόπτερού σας. Μην διστάσετε να μοιραστείτε τις ιδέες και τις ερωτήσεις σας μαζί μου.

Καλές πτήσεις 🙂