Какие двигатели используются в дронах и как их правильно выбрать

Статью подготовила

Катерина Помазан

Контент-менеджер, управляющая отделом

Современные двигатели для дронов являются основой силовой системы беспилотника и непосредственно определяют его летные характеристики. Именно мотор дрона создает тягу, от которой зависит подъемная сила, скорость набора высоты, маневренность и стабильность в воздухе. От эффективности работы двигателей также зависит энергопотребление, время полета и общая нагрузка на электронику и аккумулятор.

Правильно подобранные двигатели для квадрокоптеров обеспечивают оптимальный баланс между мощностью, весом и эффективностью. Если параметры двигателя не соответствуют размеру рамы, пропеллерам или напряжению питания, это может привести к перегреву, повышенному потреблению тока, потере тяги и ускоренному износу компонентов. В худшем случае возможна перегрузка регуляторов скорости (ESC) или преждевременный выход двигателя из строя.

Сегодня рынок предлагает десятки моделей, отличающихся конструкцией, размером статора, параметром KV, максимальной мощностью и предназначением. Выбор зависит от типа беспилотника: гоночный FPV, фристайл, Long Range, аэросъемка или грузовая платформа — каждая конфигурация требует своего типа электродвигателя.

В этой статье рассмотрим, какие двигатели для дронов используются сегодня, их основные типы и технические характеристики, а также предоставим практические рекомендации, которые помогут правильно подобрать мотор дрона под конкретные задачи и избежать типичных ошибок при выборе. А в этой статье более подробно рассказали о строении и более технических моментах, важных для выбора.

Какие двигатели используются в дронах

Любой беспилотник оснащается электроприводом. Основной электродвигатель превращает энергию аккумулятора в механическое вращение пропеллеров, создавая подъемную силу.

В дронах используются два типа двигателей:

• коллекторные (Brushed);
• бесколлекторные (Brushless, BLDC).

Колекторные двигатели для квадрокоптеров

Колекторные двигатели для дронов имеют простую конструкцию со щетками и коллектором. Внутри такого двигателя электрический ток передается на обмотки ротора через графитовые или металлические щетки, контактирующие с коллектором. Именно этот узел обеспечивает изменение направления тока и вращения ротора.

Принцип работы достаточно прост: при подаче напряжения создается магнитное поле, заставляющее ротор вращаться. Скорость вращения регулируется изменением напряжения, поэтому для управления такими двигателями не требуется сложных электронных регуляторов, как в бесколлекторных системах.

Основные особенности коллекторных двигателей:

• простая и недорогая конструкция;
• небольшой вес и компактные размеры;
• легкое подключение без использования сложного ESC;
• быстрый износ щеток из-за механического контакта;
• низший КПД и эффективность;
• ограниченный ресурс работы.

Из-за механического трения щетки постепенно изнашиваются, что приводит к снижению мощности, повышению нагрева и необходимости замены двигателя. Также при работе возникают электрические искры, которые уменьшают эффективность и создают дополнительные потери энергии.

Сегодня коллекторные двигатели для квадрокоптеров используются преимущественно в микродронах, учебных моделях и бюджетных игрушечных беспилотниках. Для FPV, аэросъемки и других задач, где требуются высокая мощность, надежность и длительный ресурс, такие двигатели почти не применяются, уступая место бесколлекторным электродвигателям.

Преимущества:

• низкая стоимость;
• простое подключение без сложной электроники;
• компактность и малый вес.

Недостатки:

• быстрый износ щеток;
• низкий КПД;
• ограниченный ресурс;
• невысокая мощность.

Такие двигатели для квадрокоптеров используются в бюджетных или микродронах и практически не применяются в FPV или профессиональных системах.

Бесколлекторные двигатели для FPV дронов

Современный стандарт для FPV, аэросъемки и промышленных БПЛА — бесколлекторный электродвигатель (Brushless, BLDC). Его конструкция отличается от коллекторной тем, что в ней отсутствуют щетки и механический коллектор. Переключение фаз обмоток производится электронно с помощью регулятора скорости (ESC), что обеспечивает высокую эффективность и точность управления.

В бесколлекторном моторе магниты расположены на роторе, а обмотки — на статоре. ESC последовательно подает ток на обмотки, создавая вращающееся магнитное поле, приводящее ротор в движение. Такая схема уменьшает механические потери, нагрев и износ, что значительно увеличивает ресурс двигателя.

Основные преимущества бесколлекторных двигателей:

• высокий КПД (до 85–90%);
• продолжительный срок службы без обслуживания;
• стабильная тяга и быстрая реакция на изменение газа;
• меньший нагрев и энергопотребление;
• возможность работы на высоких оборотах и нагрузках.

Именно поэтому большинство современных двигателей для дронов бесколлекторны. Они обеспечивают необходимую мощность для фристайла, гонок, дальних полетов и подъема полезной нагрузки.

Для мультикоптеров обычно используются бесколлекторные двигатели типа outrunner, где внешний корпус вращается вместе с ротором. Такая конструкция создает высокий крутящий момент и позволяет эффективно вращать пропеллеры без использования редукторов.
Важной особенностью является то, что бесколлекторный мотор дрона работает только вместе с ESC, определяющим скорость вращения, направление и стабильность работы. Правильное взаимодействие двигателя, регулятора и аккумулятора обеспечивает максимальную производительность и надежность системы.

Благодаря сочетанию мощности, эффективности и ресурса бесколлекторные двигатели для квадрокоптеров стали стандартом для большинства современных беспилотных систем.

Почти все современные двигатели для дронов в среднем и большом классе бесколлекторны.

Конструкция бесколлекторных моторов

Бесколлекторные двигатели делятся на два типа.

Inrunner (инранер). Ротор расположен внутри корпуса.

Особенности:

• высокие обороты;
• небольшой крутящий момент;
• редко используются в мультикоптерах.

Outrunner (аутранер). Внешний корпус вращается вместе с ротором.
Преимущества:

• высокий крутящий момент;
• эффективная работа с большими пропеллерами;
• оптимальные характеристики для мультикоптеров.

Большинство двигателей для квадрокоптеров — это именно аутранеры.

Для работы бесколлекторного двигателя необходим регулятор скорости — ESC (Electronic Speed Controller). В отличие от коллекторных моторов, имеющих всего два провода питания, бесколлекторный электродвигатель оснащен тремя фазными проводами.

Эти провода подключаются к ESC, и порядок их соединения не является критическим для запуска. Если после подключения мотор дрона вращается в неправильном направлении, изменить его можно просто — достаточно поменять местами любые два из трех проводов. Это позволяет быстро настроить правильное направление вращения двигателей для квадрокоптеров без дополнительных настроек.

Основные характеристики моторов для беспилотников

Размер статора

• Сказывается в формате, например: 2205, 2207, 2306.
• Первое число — диаметр статора, второй — высота.

Общие закономерности:

• больший диаметр → больше момента;
• большая высота → больше мощности;
• компактные моторы → меньший вес, но более низкая тяга.

Правильно подобранный размер обеспечивает эффективную работу дрона без перегрузок.

KV — ключевой параметр

KV показывает количество оборотов на 1 В без нагрузки.
Особенности:

• высокий KV → больше скорости, меньший момент;
• низкий KV → больше тяги и эффективности.

Пример: мотор 2000KV на батарее 6S (22,2 В) теоретически раскручивается до ~44 000 об/мин.

KV всегда подбирается вместе с:

• размером пропеллера;
• напряжением аккумулятора;
• назначением дрона.

Как выбрать двигатели для квадрокоптеров по размеру рамы

Размер рамы непосредственно определяет диаметр пропеллеров, а следовательно — и параметры двигателя Для компактных дронов с пропеллерами 3-4 дюйма обычно используются моторы со статорами размером 1404-1804 и высоким KV в пределах 3000-5000. Самый популярный класс 5 дюймов работает с двигателями 2205 – 2306, где значение KV составляет примерно 1700 – 2700 в зависимости от использования аккумулятора 4S или 6S. Для платформ с пропеллерами 6-7 дюймов применяются более крупные моторы класса 2306-2507 с KV около 1200-1800. Дроны с пропеллерами 8-10 дюймов и более требуют моторы с большими статорами и низким KV, поскольку такие конфигурации ориентированы на эффективность, длительный полет и работу с повышенной нагрузкой. Именно таким образом подбираются двигатели для дронов в зависимости от размера и задач.

При выборе важно правильно сочетать значение KV с количеством банок аккумулятора. Общее правило заключается в том, что с увеличением напряжения (большим количеством S) необходимо использовать двигатели с более низким KV, а при меньшем напряжении — с высшим. Например, для 5-дюймового дрона на 4S обычно подходят моторы с KV 2300-2700, тогда как для 6S оптимальным будет диапазон 1600-1900KV. Если KV слишком высок для выбранного напряжения, двигатель будет работать с превышением оборотов, что приведет к перегреву, увеличению потребляемого тока и риску повреждения ESC или самого двигателя.

Параметры двигателей также определяются назначением дрона. Для фристайла и гонок требуется максимальная мощность и быстрая реакция на газ, поэтому используются моторы с высоким KV и средним или большим статором. В конфигурациях для киносъемки главным является плавность работы и энергоэффективность, поэтому предпочтение отдается низшему KV, большим пропеллерам и стабильной работе на малых оборотах. Для Long Range полетов важно минимизировать потребление энергии, поэтому выбираются легкие двигатели с низким KV, оптимизированные для работы с большими пропеллерами. Грузовые платформы требуют больших двигателей для квадрокоптеров с очень низким KV и высоким крутящим моментом, что позволяет поднимать значительный вес.

Чтобы мотор дрона работал эффективно, необходимо правильно рассчитать соотношение тяги к весу. Минимально допустимым считается уровень 2:1, обеспечивающий базовую возможность полета. Для стабильной и комфортной работы рекомендуется запас не менее 3:1, а для фристайла или гоночных дронов — 5:1 и больше. Например, если вес квадрокоптера составляет 800 г, суммарная максимальная тяга всех двигателей должна быть не менее 2400 г. Точные значения тяги можно определить по тестам, предоставляемым производителем для различных пропеллеров и напряжения.

Дополнительно при выборе необходимо учитывать технические параметры двигателя. Максимальный ток должен удовлетворять возможностям ESC и желательно иметь запас для надежной работы. Качество подшипников влияет на уровень шума, плавность вращения и общий ресурс двигателя. Важную роль играют материалы: качественные магниты и точная балансировка уменьшают вибрации и повышают эффективность. Также следует обратить внимание на схему крепления двигателя, поскольку распространенными стандартами являются 12х12 мм, 16х16 мм и 16х19 мм. Перед покупкой обязательно нужно проверить совместимость двигателя с рамой, чтобы избежать проблем при установке.

Обычные ошибки при выборе двигателей

Неправильный подбор силовой установки — одна из основных причин перегрева, нестабильной работы и быстрого износа компонентов. Рассмотрим самые распространенные ошибки, которые допускают при выборе двигателей для дронов.

Слишком высокий KV для 6S

Высокий KV в сочетании с большим напряжением приводит к чрезмерным оборотам. В результате:

• резко растет потребление тока;
• мотор перегревается;
• увеличивается нагрузка на ESC;
• возможно повреждение обмоток или регулятора.

Например, мотор дрона с KV более 2200 для 6S в большинстве случаев работает в перегруженном режиме. Для высоковольтных систем следует выбирать более низкий KV.

Неподходящий размер пропеллера

Пропеллер оказывает непосредственное влияние на нагрузку на электродвигатель.

• слишком велик или с большим шагом → перегрузка, перегрев, высокий ток;
• слишком мал → низкая тяга, плохая эффективность.

KV, размер статора и пропеллер должны подбираться как единая система. Несоответствие этих параметров снижает эффективность и сокращает ресурс двигателя.

Игнорирование веса дрона

Вес определяет необходимую тягу. Если двигатели для квадрокоптеров выбраны без учета массы:

• дрон работает на высоком газе большую часть времени;
• растет потребление энергии;
• уменьшается время полета;
• повышается температура моторов и ESC.

Особенно критично это для дронов с камерой, GPS, большим аккумулятором или дополнительным оборудованием.

Выбор моторов без запаса по тяге

Минимальная тяга, равная весу дрона, недостаточна для нормального полета. Без запаса:

• ухудшается управляемость;
• нет резерва для резких маневров;
• моторы постоянно работают на грани возможностей;
• ускоряется износ компонентов.

Рекомендуемое соотношение тяги к весу — не менее 3:1, а для фристайла или гонок — 4–5:1.

Несоответствие тока возможностям ESC

Каждый мотор дрона имеет максимальный ток при работе с конкретным пропеллером. Если ESC рассчитан на меньшее значение:

• регулятор перегревается;
• срабатывает защиту или происходит отказ;
• возможно повреждение силовых ключей.

При выборе нужно учитывать максимальный ток из тестов производителя и закладывать запас 20–30%.

Как подобрать двигатели для дронов: краткий алгоритм

• Определить размер рамы.

Размер рамы определяет максимальный диаметр пропеллеров и общий вес будущего дрона. Чем больше рама, тем более мощные двигатели для дронов понадобятся. Также от этого зависит класс моторов и диапазон параметров.

• Выбрать диаметр пропеллеров.

Пропеллеры создают нагрузку на мотор дрона, поэтому их размер и шаг должны соответствовать возможностям двигателя. Большие пропеллеры обеспечивают лучшую эффективность и тягу, но требуют более низкого KV и большего крутящего момента. Меньшие пропеллеры подходят для быстрых и маневренных конфигураций.

• Выбрать аккумулятор (4S, 6S и т.д.).

Напряжение питания оказывает непосредственное влияние на обороты двигателя и потребление тока. Высший вольтаж позволяет получить больше мощности при более низком KV. Выбор аккумулятора определяет режим работы, в котором будет работать электродвигатель.

• Выбрать размер статора.

Размер статора влияет на крутящий момент, мощность и эффективность двигателя. Большие статоры лучше работают с большими пропеллерами и тяжелыми дронами. Компактные моторы подходят для легких рам и обеспечивают меньший вес всей системы.

• Определить оптимальный KV.

KV нужно подбирать с учетом аккумулятора, пропеллеров и назначения дрона. Высокий KV обеспечивает быстроту и резкую реакцию, но увеличивает нагрузку на систему. Низкий KV подходит для эффективных и стабильных полётов с большими пропеллерами.

• Проверить тяговые тесты.

Производители обычно предоставляют таблицы тяги для различных пропеллеров и напряжений. По этим данным можно оценить максимальную тягу и потребление тока. Важно убедиться, что суммарная тяга всех моторов превышает вес дрона по меньшей мере в 2-3 раза.

• Убедиться в совместимости с ESC.

Максимальный ток двигателя не должен превышать допустимые значения регулятора скорости. Рекомендуется иметь запас по току не менее 20–30% для надежной работы. Также следует проверить совместимость с протоколами управления и напряжением питания.

Этот подход поможет быстро подобрать оптимальные двигатели для квадрокоптеров, избежать перегрузки компонентов и обеспечить стабильную и эффективную работу силовой установки.

Современные двигатели для дронов — это высокоэффективные бесколлекторные системы, определяющие динамику, стабильность и автономность полета. Главные параметры выбора — размер статора, KV, напряжение аккумулятора, пропеллеры и предназначение аппарата. Правильно подобранный мотор дрона обеспечивает стабильную работу, экономное потребление энергии и длинный ресурс. Качественный электродвигатель — это основа надежности и производительности любого квадрокоптера, независимо от того, это гоночный FPV, Long Range или профессиональная платформа для съемки.