Jak działa silnik bezszczotkowy
Silniki bezszczotkowe (brushless) to standard w modelach RC. W odróżnieniu od silników szczotkowych nie mają komutatora mechanicznego. Zamiast tego elektroniczny regulator (ESC) przełącza prąd w uzwojeniach statora w odpowiedniej sekwencji, tworząc obracające się pole magnetyczne, które napędza wirnik z magnesami trwałymi.
Brak szczotek oznacza mniejsze tarcie, wyższą sprawność (75% do 90%), dłuższą żywotność i mniejszy hałas. Silniki bezszczotkowe występują w dwóch odmianach: inrunner (wirnik wewnętrzny) i outrunner (wirnik zewnętrzny). Outrunner to najpopularniejszy typ w modelach latających, ponieważ generuje wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach, co pozwala na bezpośredni napęd śmigła bez przekładni.
Co oznacza wartość KV
KV silnika to liczba obrotów na minutę na jeden wolt napięcia podanego na silnik bez obciążenia. Na przykład silnik 1000 KV zasilany z pakietu 3S LiPo (11.1 V nominalnie) osiągnie około 11100 obr/min bez śmigła.
Niższe KV oznacza wolniejsze obroty, ale wyższy moment obrotowy. Takie silniki pasują do większych śmigieł i modeli wolno latających (trenerzy, szybowce, makiety). Wyższe KV oznacza szybsze obroty z mniejszym momentem. Silniki o wysokim KV (powyżej 2000 KV) stosuje się z małymi śmigłami w modelach szybkich i dronach wyścigowych.
Dobierając silnik, nie kieruj się samą wartością KV. KV w połączeniu z napięciem zasilania i średnicą śmigła determinuje prędkość obrotową, a ta musi mieścić się w zakresie optymalnym dla wybranego śmigła.
Rozmiar statora a masa modelu
Rozmiar silnika bezszczotkowego opisuje się wymiarami statora w formacie XXYY, gdzie XX to średnica statora w milimetrach, a YY to wysokość statora. Na przykład silnik 2212 ma stator o średnicy 22 mm i wysokości 12 mm.
Większy stator oznacza więcej miedzi w uzwojeniach i silniejsze magnesy, co przekłada się na wyższą moc i wyższy moment obrotowy, ale też na większą masę silnika. Orientacyjne dopasowanie rozmiaru statora do masy modelu:
- 18xx do 22xx: modele o masie 200 g do 800 g (miniszybowce, małe trenery),
- 28xx do 32xx: modele o masie 800 g do 2000 g (trenery 1.2 do 1.6 m, sport),
- 35xx do 42xx: modele o masie 2000 g do 5000 g (trenery 1.8 m i większe, akrobaty),
- 50xx i więcej: modele powyżej 5 kg (duże makiety, holowniki szybowcowe).
Dobór śmigła do silnika
Śmigło opisuje się dwoma parametrami: średnicą i skokiem (pitch). Na przykład śmigło 10x6 ma średnicę 10 cali i skok 6 cali. Średnica wpływa głównie na ciąg statyczny, a skok na prędkość przelotową.
Większe śmigło (większa średnica) wymaga silnika o niższym KV i generuje więcej ciągu przy niższych obrotach. Jest lepsze dla modeli wolno latających. Mniejsze śmigło o dużym skoku nadaje się do modeli szybkich.
Każdy producent silnika podaje zalecany zakres śmigieł. Przekroczenie tego zakresu (zbyt duże śmigło) powoduje przeciążenie silnika, nadmierny pobór prądu, przegrzanie i ryzyko uszkodzenia. Zbyt małe śmigło marnuje potencjał silnika i daje niedostateczny ciąg.
Moc napędu i masa modelu
Orientacyjna zasada doboru mocy to 50 do 100 W na funt (0.45 kg) masy startowej modelu. 50 W/lb wystarcza do spokojnego lotu trenera. 75 W/lb daje dobry zapas mocy do startu z ziemi i swobodnego wznoszenia. 100 W/lb i więcej pozwala na loty akrobacyjne i pionowe wznoszenie.
Moc elektryczną silnika obliczamy jako iloczyn napięcia i prądu: P = U x I. Jeśli silnik pobiera 25 A z pakietu 3S (11.1 V), moc wynosi około 277 W. Dla modelu o masie 1.5 kg (3.3 lb) daje to około 84 W/lb, co jest dobrym ustawieniem sportowym.
Regulator ESC, BEC i dobór prądu
Regulator (ESC, Electronic Speed Controller) przetwarza prąd stały z pakietu LiPo na trójfazowy prąd zmienny sterujący silnikiem bezszczotkowym. Najważniejszy parametr ESC to maksymalny ciągły prąd, który musi przekraczać maksymalny pobór prądu silnika o co najmniej 20%.
Wiele regulatorów ma wbudowany BEC (Battery Eliminator Circuit), który obniża napięcie pakietu napędowego (np. 11.1 V) do 5 V lub 6 V dla zasilania odbiornika i serw. BEC liniowy jest prostszy, ale traci energię na ciepło. BEC impulsowy (UBEC, Universal BEC) jest sprawniejszy i lepiej radzi sobie z dużymi różnicami napięć (pakiety 4S i większe).
Przy wyborze ESC sprawdź: maksymalny prąd ciągły, liczbę obsługiwanych cel LiPo (np. 2S do 4S), typ BEC i jego wydajność prądową (ile serw jest w stanie zasilić) oraz czy ESC obsługuje hamulec (brake) i programowanie timerów.
Najczęstsze błędy przy doborze napędu
- Zbyt duże śmigło: silnik pobiera prąd przekraczający limit ESC, regulator się przegrzewa i wyłącza w locie. Zawsze sprawdzaj pobór prądu miernikiem watów przed pierwszym lotem.
- Za słaby ESC: regulator o zbyt niskim limicie prądu będzie się wyłączał pod obciążeniem. Stosuj zasadę 20% zapasu prądu ponad maksymalny pobór silnika.
- Ignorowanie chłodzenia: silniki bezszczotkowe i ESC wymagają przepływu powietrza. W modelach z zamkniętym kadłubem zaplanuj otwory wentylacyjne.
- Niedopasowanie napięcia: silnik dobrany do pakietu 3S nie nadaje się do pakietu 4S bez zmiany śmigła. Wyższe napięcie zwiększa obroty i pobór prądu, co może przekroczyć limity zarówno silnika, jak i ESC.
- Brak sprawdzenia kierunku obrotów: silnik bezszczotkowy może kręcić się w obie strony. Przed pierwszym lotem upewnij się, że śmigło generuje ciąg w odpowiednim kierunku. Zamiana dwóch dowolnych przewodów silnika odwraca kierunek obrotów.