Budowa drona - silniki bezszczotkowe
Drony od kilku lat dynamicznie zdobywają popularność wśród ludzi na całym świecie. Rośnie liczba osób, które kupują drona do celów rozrywkowych, nie zastanawiając się, jak takie urządzenie działa. Wychodząc naprzeciw takim osobom postanowiliśmy przygotować krótki przewodnik opisujący działanie poszczególnych podzespołów wielowirnikowca. W części pierwszej przyjrzymy się budowie silników bezszczotkowych - najpopularniejszego elementu napędowego w dronach.
Jakie zastosowanie mają silniki bezszczotkowe?
Silniki bezszczotkowe unoszą drona w powietrzu i utrzymują kamerę w odpowiedniej pozycji. Są szybkie, silne, niezawodne i bardzo wydajne, dzięki czemu idealnie sprawdzają się w codziennym użytku. Sposób, w jaki są zbudowane i w jaki oddziałują ze śmigłami oraz ramą drona ma duży wpływ na zachowanie maszyny w powietrzu. Silnik bezszczotkowy składa się z dwóch podstawowych części: statora i rotora. Stator zbudowany jest z cewek, które z kolei składają się z rdzeni wykonanej ze sprasowanych ze sobą arkuszy stali krzemowej oraz z uzwojenia, które te rdzenie otacza. Dookoła statora znajduje się rotor, czyli wirująca część silnika bezszczotkowego. Rotor zbudowany jest z magnetycznego jarzma oraz z rozmieszczonych dookoła magnesów trwałych. W silniku jednofazowym dopływający do statora prąd wytwarza pole elektromagnetyczne, które naprzemiennie przyciąga i odpycha magnesy, co umożliwia obrót rotora o 180 stopni.
Aby silnik obracał się o 360 stopni w danym kierunku, niezbędne jest regularna zmiana polaryzacji magnesu co 180 stopni. W taki sposób wytwarzana jest siła ciągu w silniku jednofazowym. Na podobnej zasadzie działa silnik trójfazowy, który wykorzystywany jest do napędu dronów. Technologia produkcji silników bezszczotkowych jest bardzo prosta. Silniki mogą jednak być kształtowane na wiele sposobów, celem uzyskania jak najlepszych parametrów pracy w dronie. Wszyscy producenci bezzałogowych statków powietrznych projektują silniki w taki sposób, by były jak najbardziej zoptymalizowane pod kątem ich wykorzystania w dronie, do którego są dedykowane.
Design
Systemy elektromagnetyczne mogą wydawać się proste, ale w rzeczywistości na ich zachowanie wpływa wiele czynników. Począwszy od wymiarów i kształtu statora, poprzez średnicę cewki, skończywszy na materiałach użytych do wykonania całej konstrukcji. Silniki optymalizowane są w oparciu o Metodę Elementów Skończonych. W ten sposób powstaje model "silnika idealnego", czyli takiego, który jest bardzo wydajny, ma największą możliwą moc wyjściową, wytwarza minimalny hałas i jego pracy towarzyszą minimalne wibracje. Ponadto taki silnik reaguje niemal bez opóźnień na komendy wydawane przez operatora.
Ciepło
Sprawność silnika jest bardzo ważna z punktu widzenia jego designu. Silnik, który ma słabą wydajność, zamiast na pracę, przekształca pewną część dostarczonej energii na nagrzewanie się. To może skutkować uszkodzeniem napędu przy dużych obciążeniach lub prędkościach obrotowych. Żeby temu zapobiec stosuje się najwyższej jakości materiały odporne na wysokie temperatury. Ponadto w niedużych silnikach stosuje się tzw. pasywne chłodzenie, a w większych silnikach tzw. pompy chłodzące odśrodkowe lub większe systemy aktywnego chłodzenia.
Magnesy
Im silniejszy magnes tym większa moc, dlatego w silnikach bezszczotkowych, których rotory są okrągłe, magnesy płaskie obniżają sprawność. W przypadku mniejszych silników ten spadek mocy jest niemal niezauważalny, a oszczędności, które można by poczynić są zbyt małe, aby na specjalne zamówienie produkować magnesy zaokrąglone. Takie magnesy stosowane są w dużych silnikach, w których ich użycie powoduje znaczne zwiększenie sprawności.