انتخاب آهنربا برای موتورهای محرکه پهپاد: جایی که KV بالا با واقعیت حرارتی روبرو می شود - بینش صنعت

مشکل موتور پهپاد آن چیزی نیست که شما فکر می کنید

بیشتر مهندسانی که آهنرباها را برای موتورهای محرکه پهپاد مشخص می کنند بر روی محصول انرژی تمرکز می کنند. BHmax بالاتر به معنای چگالی شار بیشتر است که به معنای KV بالاتر و رانش بیشتر در هر گرم وزن موتور است. این منطق تا جایی که پیش می‌رود درست است - اما تقریباً در نیمه راه مشکل طراحی واقعی متوقف می‌شود.

قسمتی که تیم ها را در آزمایش گاز می گیرد: موتورهای پیشران پهپاد در فرکانس های الکتریکی شدید کار می کنند، بدون جریان هوای خنک کننده به جز آنچه که خود ملخ تولید می کند، و تحت سیکل های باری که می توانند در کمتر از 100 میلی ثانیه از حالت بیکار به گاز کامل بچرخند. N52 ممکن است بهترین چگالی شار استاتیکی را به شما بدهد، اما اگر دمای آهنربا در یک صعود مداوم در دمای محیط بالا به 140 درجه برسد - که در یک ناسل مهر و موم شده در روز 40 درجه رخ می دهد - فقط حساس ترین درجه حرارتی را در بدترین محیط ممکن قرار داده اید.

انتخاب درست آهنربای پهپاد به این معنی است که در مورد فرکانس الکتریکی، دمای روتور تحت بارهای واقعی پرواز، و تعادل بین چگالی شار و نیروی اجباری در کل پوشش پرواز فکر کنید. در اینجا نحوه کار با آن آورده شده است.

1. فرکانس الکتریکی اولین فیلتر است

موتورهای پیشرانه پهپاد مولتی روتور معمولاً با ولتاژ 1400 تا 2200 کیلوولت برای فریم های کوچک (پایه های 3 تا 7 اینچی) و 100 تا 400 کیلوولت برای پلت فرم های حرفه ای بزرگ تر کار می کنند. در ولتاژ باتری 14S (نامی 58.8 ولت) و 1800 کیلو ولت، موتوری که 80 درصد سرعت بدون بار را تحت بار دارد، تقریباً با سرعت 84000 دور در دقیقه می چرخد. با پیکربندی جفت 14 قطبی - استاندارد برای طراحی های پیشی ران با KV بالا - این فرکانس الکتریکی 19600 هرتز است.

در آن فرکانس، تلفات جریان گردابی در مقیاس لایه‌بندی‌ها با مجذور فرکانس و ضخامت لایه‌گذاری مقیاس می‌شود. موتوری که از فولاد سیلیکونی 0.35 میلی متری در 20000 هرتز استفاده می کند، تقریباً 6 برابر بیشتر از همان موتور با لایه های 0.20 میلی متری تلفات هسته را از بین می برد. این گرما به روتور و از روتور به آهنرباها می رود. بنابراین، انتخاب لایه‌بندی از تصمیم‌گیری درجه آهنربا قابل تفکیک نیست - هر دو باید با هم بر اساس فرکانس کاری هدف مشخص شوند.

برای موتورهای با KV بالای 1000 کیلوولت: فولاد سیلیکونی 0.20 میلی متر حداقل عملی است. برای موتورهای آهسته پرواز درجه حرفه ای زیر 200 کیلو ولت که در فرکانس های الکتریکی پایین تر کار می کنند، 0.35 میلی متر قابل قبول است و هزینه ساخت را کاهش می دهد.

2. پاکت حرارتی تحت بارهای واقعی پرواز

شناور روی 50% دریچه گاز نقطه طراحی حرارتی نیست. نقطه طراحی حرارتی یک صعود مداوم 30 ثانیه ای با گاز کامل از یک شروع گرم است - سناریویی که حداکثر تلفات مس و آهن را با حداقل خنک کننده همرفتی متمرکز می کند.

در یک موتور مسابقه ای معمولی 5 اینچی (قطر استاتور 22 میلی متر، پیکربندی 12N14P)، این سناریو دمای سیم پیچی 110-135 درجه و دمای آهنربا 85-105 درجه را تولید می کند که روی سطح آهنربای بیرونی اندازه گیری می شود. داخل آهنربا، متصل به آهن پشتی روتور، 10 تا 15 درجه گرمتر است. بنابراین دمای آهنربا موثر در بدترین حالت 95-120 درجه است.

در 120 درجه، یک آهنربای N52 - Hcj معمولاً 955 کیلو آمپر بر متر - با تقریباً 15٪ کاهش در نیروی اجباری در مقایسه با دمای اتاق کار می کند. نقطه زانو در منحنی BH در آن دما به اندازه کافی نزدیک به نقطه کار در یک موتور با جریان بالا است که مغناطیس زدایی جزئی در سنبله های جریان یک خطر واقعی است، نه یک خطر تئوری. N52H، با Hcj در حدود 1274 kA/m در 20 درجه، حاشیه قابل ملاحظه ای بیشتری را در دمای بالا فراهم می کند.

توصیه عملی: برای هر موتور پهپاد که در آن عملیات ثابت دریچه گاز انتظار می رود - هواپیماهای بدون سرنشین تحویل، سکوهای فیلمبرداری حرفه ای، سمپاش های کشاورزی - N48H یا N50H را به جای N52 یا N52H مشخص کنید. شما 3 تا 5 درصد از چگالی شار اسمی را رها می کنید و به اندازه کافی حاشیه نیروی اجباری به دست می آورید تا در دمای آهنربا 120 درجه ایمن کار کنید.

NdFeB arc segment magnet grade selection and thermal limits for UAV outrunner propulsion motors

3. انتخاب درجه توسط برنامه پهپاد

برنامه	محدوده KV معمولی	حداکثر دمای مگنت	درجه توصیه شده	استدلال
مسابقه FPV (3 تا 5 اینچ)	2000–2800 KV	100-130 درجه	N48H	انفجارهای کوتاه، همرفت خوب از قاب باز. پسوند H حاشیه حرارتی را بدون کاهش شار زیاد می دهد
مسابقه FPV (5 تا 7 اینچ)	1200-2000 کیلوولت	90-120 درجه	N50H	حجم موتور بزرگتر اتلاف گرما را بهبود می بخشد. N50H به خوبی به تعادل شار/اجبار برخورد می کند
سبک آزاد / سینمایی (5 تا 7 اینچ)	1700–2400 KV	85-115 درجه	N48H–N50H	شبیه به مسابقه اما با بخش های طولانی تر. پسوند H مهم است
سینمای حرفه ای (10 تا 15 اینچ)	100-400 کیلو ولت	70-100 درجه	N45H–N48H	فرکانس الکتریکی پایین تر از دست دادن هسته را کاهش می دهد. KV کمتر به معنای جریان اوج کمتر است. N45H اغلب کافی است
پهپاد تحویل / لجستیک	150-600 کیلوولت	100-130 درجه (ناسل)	N45SH–N48SH	ناسل محصور خنک کننده همرفتی را از بین می برد. پسوند SH برای صعود پایدار در محیط بالا ضروری است
سمپاش کشاورزی	80-200 کیلوولت	90-120 درجه	N42SH–N45SH	مدت زمان طولانی پرواز با دریچه گاز جزئی در محیط های با محیط بالا. Hcj را بر BHmax اولویت دهید

4. Arc Segment در مقابل Tile Magnet برای Rotors Outrunner

موتورهای پهپاد Outrunner - جایی که روتور پوسته بیرونی است و استاتور ثابت است - از آهنرباهای نصب شده روی سطح متصل به داخل قوطی روتور استفاده می کنند. دو انتخاب هندسی در دسترس است: بخش‌های قوس منحنی برای مطابقت با شعاع روتور، و کاشی‌های مسطح.

تولید کاشی‌های تخت ارزان‌تر و تهیه آن آسان‌تر است. مشکل این است که یک کاشی مسطح روی یک روتور منحنی پشت آهنی، یک شکاف هوای متغیر ایجاد می‌کند: حداکثر در لبه‌های کاشی، حداقل در مرکز کاشی. در یک موتور با قطر 22 میلی متری استاتور، این تغییر به اندازه ای کوچک است که بتوان نادیده گرفت. در یک استاتور 40 میلی‌متری یا بزرگ‌تر - معمولی برای سکوهای حرفه‌ای - تغییر شکاف هوا از کاشی‌های مسطح، موج‌های گشتاور قابل اندازه‌گیری را در فرکانس عبور از قطب ایجاد می‌کند.

برای موتورهای بالای 35 میلی متر قطر استاتور، قطعات قوس مطابق با انحنای روتور یک شکاف هوای یکنواخت ایجاد می کند و در مقایسه با کاشی های مسطح با درجه معادل، موج گشتاور را 40 تا 60 درصد کاهش می دهد. حق بیمه هزینه معمولاً 15 تا 25 درصد نسبت به کاشی‌های مسطح در حجم تولید است، که با توجه به صرفه‌جویی در عایق‌بندی لرزش در گیمبال دوربین یا کاهش خستگی ساختاری در بدنه هواپیما، به سرعت ناپدید می‌شود.

5. چسب و حاشیه مونتاژ

ضریب انبساط حرارتی NdFeB (تقریباً 5-7 × 10-6 / درجه) با قوطی های روتور آلومینیومی (23 × 10-6 / درجه) تقریباً 3-4× متفاوت است. در یک نوسان دمایی 100 درجه، یک قطعه قوس 15 میلی‌متری روی روتور آلومینیومی با قطر 40 میلی‌متر شاهد انبساط دیفرانسیل تقریباً 0.027 میلی‌متری در خط اتصال خواهد بود.

اگر ضخامت خط اتصال کمتر از 0.08 میلی‌متر باشد، چسب‌های اپوکسی دو بخشی استاندارد با سختی Shore D بالای 80 در این چرخه ترک خواهند خورد. روش صحیح یک اپوکسی انعطاف پذیر با Shore D در محدوده 60-75 و یک خط اتصال کنترل شده 0.10-0.15 میلی متر است. تامین‌کننده آهنربا باید بتواند سازگاری چسب را با مواد روتور و محدوده دمای عملیاتی تایید کند - اگر نمی‌توانند، قبل از شروع اولین دسته موتورها به آزمایش میدانی، این اطلاعات ارزش دارد.

6. از تامین کننده مگنت خود چه بخواهید

☐ منحنی های BH در 20 درجه، 80 درجه و 120 درجه از مواد تولیدی - مقادیر معمولی برگه داده کافی نیست
☐ یکنواختی چگالی شار در یک دسته تولید: ± 2٪ قابل دستیابی است. ± 5٪ قابل قبول است. بالاتر از آن تغییراتی در هر موتور ایجاد می کند که نیاز به کالیبراسیون فردی دارد
☐ تحمل شعاع قطعه قوس: ± 0.05 میلی متر استاندارد است. اگر شکاف هوای اسمی شما کمتر از 0.35 میلی متر باشد، 0.03 ± میلی متر درخواست کنید
☐ توصیه چسب برای مواد روتور و دمای عملیاتی شما
☐ اگر موتور در محیط‌های مرطوب یا ساحلی کار می‌کند، نتایج آزمایش اسپری نمک (حداقل پوشش روی، پوشش اپوکسی را برای کاربردهای دریایی در نظر بگیرید)
☐ حداقل مقدار سفارش برای قطعات قوس سفارشی - اکثر تامین کنندگان به 500-2000 قطعه برای هندسه سفارشی نیاز دارند. بر این اساس مقادیر نمونه مهندسی خود را برنامه ریزی کنید

HIMAGNET قطعه قوس و آهنرباهای کاشی را برای موتورهای پهپاد از نمونه های مهندسی دسته کوچک از طریق حجم تولید تامین می کند. برای پشتیبانی از انتخاب درجه مخصوص طراحی موتور شما،با تیم مهندسی ما تماس بگیریدبا KV، تعداد قطب ها، تخمین دمای عملیاتی، و هندسه روتور.