Видове двигатели за дронове | dLambow

(Types of drone engines)

Какви видове двигатели за дронове има?

Двигателят е "сърцето" на дрона.

Двигателите за дронове (Безпилотни летателни апарати - БПЛА / Unmanned Aerial Vehicles - UAV) могат да бъдат класифицирани според тяхната гражданска и военна употреба и според техните работни характеристики каквито са:

• - тегло,
• - далечина на полета,
• - натоварване на крилото,
• - обхват и
• - скорост.

Има различни видове двигатели, използвани за задвижване на различните видове дронове. Добре е да познаваме предимствата, недостатъците и разликите между тези типове двигатели.

Видове двигатели за дронове
(Types of drone engines)

Дронове се използват за много различни задачи и се нуждаят от различни видове двигатели в зависимост от областта, в която изпълняват съответните функции.

Ето някои от основните видове двигатели за дронове:

• Двутактови двигатели (Two-stroke engines).
• Бутални двигатели (Piston engines).
• Турбовентилаторни двигатели (Turbofan engines).
• Турбовитлови двигатели (Turboprop engines).
• Електрически двигатели (Electric engines).
• Витлови двигатели (Propeller engines).

Буталните двигатели и електрическите двигатели са най-често използваните видове за дронове. Дроновете се различават по размер и тип на двигателя, както и по размери и тегло на летателния апарат. 

Електрическите двигатели обикновено се използват в леки и малки модели, докато буталните двигатели се използват в по-тежките и по-големи модели безпилотни апарати.

Какви двигатели ползват военните дронове?

Понастоящем задвижващите устройства (двигателите), широко използвани във военните дронове (БПЛА/UAV), включват:

• -  Бутални двигатели (Reciprocating  engines)
• -  Ротационно-бутални двигатели (Rotary piston engines)
• -  Турбовалови двигатели (Turboshaft engines)
• -  Турбореактивни двигатели (Turbojet engines)
• -  Турбовентилаторни двигатели (Turbofan engines)
• -  Импулсни детонационни двигатели (Pulse detonation motors)
• -  Ракетни двигатели с твърдо гориво (Solid rocket motors)
• -  Струйно-реактивни двигатели (Scramjets)
• -  Задвижвани от батерии двигатели (battery-driven motors)

Двигатели за тежко гориво и многогоривни двигатели

Двигателите, задвижващи дронове, обикновено се захранват с електричество от батерии, бензин, дизел или тежко гориво. Тежките горива като JP-8 са авиационни горива, които са широко достъпни и евтини. 

Двигателите с тежко гориво обаче обикновено са подходящи само за по-големи апарати поради тяхното допълнително тегло, което възниква поради необходимостта двигателя да издържа на по-високото съотношение на компресия по време на запалване. 

Някои двигатели са многогоривни, което им осигурява по-голяма оперативна гъвкавост. Бензиновите двигатели и двигателите с тежко гориво могат да бъдат разделени на следните категории:

- Карбураторни двигатели (Carburettor engines)

В карбуратора горивото се изпарява и се смесва с въздух преди да влезе в двигателя. Съотношението гориво-въздух се контролира от дросел, който може да се отваря или затваря, за да контролира входящия въздух. 

Карбураторните двигатели се стартират по-лесно и изискват по-малко поддръжка поради по-малкото части, но работата на карбуратора може да доведе до неравномерно разпределение на въздуха.

- Двигатели с впръскване на гориво (Fuel injection engines)

В системата на двигател с впръскване на гориво, горивото се дозира според въздушния поток, измерен в двигателя и се изпарява и смесва с въздуха, преди да бъде впръскан във всеки цилиндър. 

Двигателите с впръскване на гориво са по-ефективни, тъй като позволяват да се осигури едно и също съотношение гориво-въздух за всеки цилиндър.

- Двигатели с електронно впръскване на гориво (Electronic fuel injection engines - EFI)

Двигателите с електронно впръскване на гориво използват блок за управление на двигателя (ECU), който чете данни от сензори, монтирани в двигателя, и контролира съотношението гориво/въздух въз основа на текущите условия на двигателя. Тази добавена степен на контрол прави EFI двигателите по-ефективни от обикновените  двигатели.

Типове двигатели за дронове

Повечето двигатели за дронове са бутални двигатели с вътрешно горене (piston-driven internal combustion engines), като най-разпространените са дву- и четиритактови двигатели, което се определя от броя на ходовете на буталото, необходими за да изпълни всички функции, необходими за цикъла на горене на двигателя.

Двутактовите двигатели са по-прости и по-леки и осигуряват превъзходно съотношение мощност/тегло, но имат по-високи емисии и разход на гориво от четиритактовите двигатели. Двигателите също могат да варират в броя на цилиндрите, като по-големият брой цилиндри означава по-висока мощност.

Ротационни двигатели (Rotary engines) за дронове

Ротационните двигатели за БПЛА/UAVs работят на различен принцип от буталните двигатели. Най-често срещаният дизайн на ротационен двигател е двигателят Wankel, който използва ротор, въртящ се в корпус, за да осъществи цикъла на горене на двигателя. 

Поглъщането на гориво от едната страна на ротора става почти едновременно с хода на мощността от другата страна, което осигурява на двигателя плавно подаване на мощност.

Ванкелови двигатели (Wankel Engines)

Ротационните двигатели Wankel използват по-малко части от двигателите с бутално задвижване и са по-леки и по-компактни за дадена изходна мощност, което ги прави подходящи за приложения при БПЛА/UAV. 

Исторически, те проявяват проблеми с уплътняването, като дават и по-високи емисии, но съвременните производители са съживили дизайна им за използване в дронове и твърдят, че са решили много от проблемите.

Видове електрически двигатели за дронове (Types of electric motors for drones)

Има два основни типа ел.двигатели, използвани за дронове:

• - безчеткови двигатели,
• - четкови двигатели.

Обикновено в употреба са безчетковите двигатели за по-големите модели (като състезателни дронове, кинематографски дронове) и четковите - на микро дронове и дронове играчки.

Двигателят на дрона до голяма степен определя движението му във въздуха. Важно е да знаете за предимствата и недостатъците на различните видове двигатели за дронове, за да сте в състояние да прецените кой отговаря най-добре на вашите нужди.

Може да изберете за дрона си безчетков мотор или двигател с четка.

Няма голяма разлика между вътрешната работа на двата мотора. Двигателят работи на базата на временно магнитно поле, което се създава от захранваните намотки. Така създадената сила се преобразува във въртене на вала.

Именно това въртене на вала всъщност захранва двигателя. Валът се върти и електрическият ток се насочва към различни комплекти намотки. Той поддържа електромоторното привличане/отблъскване (създадено от магнитното поле около постоянните магнити) – като по този начин тласка ротора да се върти.

Конструкция: мотор с четка срещу мотор без четка

Въпреки че вътрешната работа на мотора с четка и безчетката е почти еднаква, има и други разлики, за които трябва да знаете. Има съществени конструктивни разлики, които определят предимствата и недостатъците на всеки тип двигател. Уверете се, че познавате тези разлики.

Четковият двигател използва четки, които са отговорни за доставянето на ток към намотките на двигателя през контактите на комутатора. Докато при безчетковия двигател няма такива контакти на комутатора. Полето на безчетковия мотор се превключва чрез усилвател, задействан от комутиращо устройство като оптичен енкодер. Въртящата се част на мотора с четка има намотки върху тях. Безчетковият двигател има намотки на статора или неподвижната част на двигателя. Самите намотки, поставени върху статора, действат като четки.

Разликата между четковите и безчетковите двигатели

Четковите постояннотокови двигатели имат въртяща се арматура, която функционира като електромагнит с 2 полюса. Имат и въртящ се превключвател, свързан към него, който позволява обръщане на посоката на тока за всеки половин цикъл, така че да се гарантира, че полюсите могат да бъдат издърпани или натиснати срещу постоянния магнит, който е свързан с външната част на двигателя. Този тип двигатели имат продължителност на живот до 1000 часа.

Безчетковите постояннотокови двигатели – разбира се – нямат четки, а постоянен магнит, захранващ промените в полярността. Тези двигатели се използват за дронове, които изискват по-високи скорости на въртене за маневриране при полет.

Четкови двигатели: предимства и недостатъци

Четковите двигатели обикновено са известни със своето опростено окабеляване. Те могат просто да бъдат свързани към DC захранване и да бъдат управлявани от нещо толкова просто като превключвател. Като цена, те струват по-малко от безчетковите двигатели.

Те имат нисък резултат по отношение на енергийната ефективност и изискват да продължите да инвестирате в поддръжката на въглеродните части, за да сте сигурни, че те консумират точното количество енергия и работят задоволително. Тъй като са в непрекъснат контакт с вала, комутаторите и четките всъщност се износват по-бързо.

Безчеткови двигатели: предимства и недостатъци

Безчетковите двигатели гарантира по-дълъг живот, тъй като всъщност нямат четки, които да се износват. Могат да работят ефективно повече от 1000 часа. Те са по-енергийно ефективни от четковия двигател. Първоначално обаче те струват по-скъпо. 

Трябва също да използвате устройства като енкодери и контролери. Двигателят с четки е шумен, докато безчетковият му аналог е много по-малко шумен. Безчетковият двигател предлага по-високо съотношение на въртящ момент към тегло.

Как да избирате двигател за дрон?

1. Тегло на дрона

Първият критерий за избор на правилния двигател за вашия дрон е да имате ясна представа за общото тегло на самия дрон. Можете да получите груба представа за теглото му, като просто изчислите теглото на отделните му части или компоненти. Но имайте предвид, че списъкът трябва да включва всички подробности, като полезен товар, батерия, двигатели, кабели, контролер на полета и рамка на устройството. След като знаете общия размер на рамката, това може да ви помогне да определите и правилния размер на витлото.

2. Съотношение двигателна тяга / тегло на дрона

Знаете ли златното правило за избор на двигател за дрон? То трябва да позволи на вашия дрон да се рее във въздуха с половин газ. Това ясно означава, че избраният от вас двигател трябва да може да произвежда около 50 процента повече тяга в сравнение с необходимото за спокоен полет. Това е много важна настройка, тъй като означава, че вашият двигател ще има допълнителна тяга, за да предпази вашия дрон при ветровити условия или по време на полетни маневри.

3. Ефективност при мотор за дронове

Формулата, използвана за изчисляване на ефективността на мотора за дронове, се нарича „използвана тяга/мощност във ватове“, измервана в g/W. Ако имате по-висока g/w стойност, това означава, че вашият мотор е по-ефективен и ще помага на дрона при по-дълги полети. Професионалистите препоръчват избор на мотор, чиято ефективност е около 7 или по-висока. Никога не забравяйте да проверите съотношението тяга/ток, ако купувате нов двигател за вашия дрон.

4. Въртящ момент

Диапазонът на въртящия момент помага да се определи способността на двигателя да превключва между между различните режими на работа. Това определя отзивчивостта на дрона във въздуха. Ако вашият двигател има настройка на висок въртящ момент, това естествено ще доведе до бърза реакция, тъй като оборотите ще се променят по-бързо. 

Така дронът ще може да се справя с по-тежки задачи, но също така ще консумира повече ток. В случай, че се опитате да монтирате по-тежко витло на двигател с нисък въртящ момент, то няма да може да достигне желаните обороти или няма да може да генерира достатъчно въртящ момент, за да се завърти.

5. Количество на полюсите

Следващото важно съображение е броят на полюсите на двигателя. Като цяло ще намерите два варианта: първият е, ако двигателите на квадрокоптера имат по-голям брой полюси. Тези типове двигатели са способни да произвеждат повече въртящ момент, но в същото време ще изискват повече напрежение, за да работят. Професионалистите съветват да изберете по-големи лопатки за такива двигатели.

Ако говорим за втората категория, то тук ще намерите двигатели с по-малко полюси, но те осигуряват по-високи скорости. Тези двигатели ще използват по-малки лопатки и ще работят с по-малко повдигане от земята. Ако искате да се отървете от допълнителната скоростна кутия, тогава е много важно да използвате двигатели с по-голям брой полюси.

----------------