Объяснение показателя KV двигателя дрона: что нужно знать каждому конструктору БПЛА

Почти каждую неделю нам задают один и тот же вопрос: "Какой двигатель KV мне нужен для моего дрона?" Казалось бы, всё просто. Нет. Если ошибетесь, то в результате получите двигатель, который перегреется уже в первые пять минут, или такой, который будет раскручивать крошечный пропеллер со скоростью 12 000 об/мин, тогда как вам нужен крутящий момент при 4 000 об/мин.

Это руководство поможет разобраться в этом вопросе. Мы объясним, что на самом деле означает показатель KV, почему более низкое значение не всегда лучше, и как выбрать подходящий показатель KV для конкретного типа воздушного судна и задачи.

Что на самом деле означает «KV»

KV — это не киловольт. Это сокращение от «RPM per volt» — количество оборотов в минуту, которое развивает двигатель на каждый приложенный вольт, без подвешенной нагрузки.

Двигатель на 600 кВ, работающий на батарее 8S (33,6 В в полностью заряженном состоянии), без нагрузки развивает скорость вращения примерно 20 160 об/мин. При установке пропеллера это значение снижается — двигатель начинает преодолевать реальное сопротивление воздуха. Ключевое слово — "разгруженный"." Показатель KV отражает максимальную возможную скорость двигателя, а не его фактические характеристики в полёте.

Показатель KV зависит от конфигурации обмотки двигателя — а именно от того, сколько витков провода намотано на каждый зуб статора. Чем больше витков, тем ниже показатель KV и тем выше крутящий момент. Чем меньше витков, тем выше показатель KV и тем выше скорость. Изменить соотношение КВ невозможно без перемотки двигателя. Это физическая константа, заданная в аппаратном обеспечении на заводе-изготовителе.

KV против Torque: компромисс, который нужно понимать

Низкое напряжение (кВ) = высокий крутящий момент. Высокий показатель KV = высокая скорость, меньший крутящий момент. Это не вопрос предпочтений — это законы физики. Два двигателя одного и того же типоразмера, обмотанные для 300KV и для 900KV, будут потреблять одинаковую электрическую мощность, но передавать её совершенно по-разному.

Крутящий момент — это то, что заставляет вращаться большие пропеллеры. 15-дюймовому пропеллеру на сельскохозяйственном дроне требуется значительная вращательная сила, чтобы отталкивать воздух вниз. Для этого нужен пропеллер с показателем 300–420 кВ. Напротив, 5-дюймовый гоночный пропеллер лёгкий и компактный — он вращается быстро и требует гораздо меньшего крутящего момента. Именно для таких пропеллеров и предназначены двигатели с показателем 2300–2700 кВ.

Почему напряжение меняет всё

Показатель KV не существует в отрыве от других параметров. Один и тот же двигатель с показателем KV ведет себя совершенно по-разному при работе на 4S и 12S. Двигатель с показателем 420KV при работе на 6S (25,2 В) развивает без нагрузки около 10 580 об/мин. Если установить тот же двигатель на 12S (50,4 В), то скорость вращения превысит 21 000 об/мин.

Именно поэтому выбор пропеллера и напряжение необходимо определять одновременно с показателем KV. Если вы будете вращать большой пропеллер с избыточным вращением, то почти сразу достигнете предельных значений тока двигателя. Температура быстро растёт. КПД резко падает.

Мы столкнулись с этой проблемой у одного из клиентов, который собирал картографический дрон весом 10 кг. Он приобрел двигатели 600 кВ, чтобы "сэкономить", и планировал использовать их с аккумулятором 12S и 15-дюймовыми пропеллерами. При полном открытии дросселя такая комбинация потребляла почти 90 А на каждый двигатель — что значительно превышало номинальный ток ESC (60 А). Система вышла из строя сразу после получения. КВ, напряжение и размер пропеллера — это единая система. А не три отдельных решения.

Как Pi Thrust охватывает спектр KV

Наша линейка двигателей разработана для использования во всех сферах серьезного промышленного применения и в FPV-приложениях. Ниже приведено расположение каждого двигателя на карте KV:

Низкое напряжение: сельское хозяйство и перевозка тяжелых грузов

Этот 5315-420KV и 5215-420KV работают в диапазоне низких значений KV. Эти двигатели имеют обмотку, рассчитанную на максимальный крутящий момент, и предназначены для привода пропеллеров диаметром 15–18 дюймов в системах 6S–12S. В ходе наших стендовых испытаний, Модель 5315-420KV на 8S с пропеллером 15×5 обеспечивала устойчивую производительность свыше 8 G/W при положении дросселя 50% — такие показатели напрямую обеспечивают более длительное время работы распылителя на одной зарядке.

Этот 5008-300KV идет ещё дальше, ориентируясь на восьмироторные вертолёты для перевозки тяжелых грузов и многороторные грузовые платформы. Он нагревается меньше, чем любой другой двигатель в нашей линейке — в ходе наших испытаний при полной нагрузке его постоянная температура составляла 62 °C, в то время как у аналогичных двигателей других брендов она достигала 74–78 °C.

Средний KV: Картирование и осмотр

Этот 4312-380KV и 4320–400 кВ занимают средний диапазон. Это надежные двигатели для пропеллеров размером 10–13 дюймов на платформах 6S–8S. Разработчики настроек уделяют особое внимание стабильности работы во время длительных полетов. Инспекционные бригады нуждаются в плавном и стабильном тяговом усилии при удержании положения рядом со строениями при боковом ветре. Оба двигателя оснащены сбалансированными трехфазными обмотками, обеспечивающими низкий уровень вибрации — что имеет большое значение, когда ваш подвес пытается удержать прямой снимок в надире на высоте 60 метров.

Более высокий KV: FPV и гибкие платформы

Этот 3115-900KV и 4315-600KV переход на более быстрые и лёгкие платформы. Мотор 4315-600KV — один из самых востребованных в нашем ассортименте: он идеально подходит для пропеллеров размером 7–10 дюймов на батареях 4S–6S, обеспечивая оптимальный баланс между эффективностью и отзывчивостью. При положении дроссельной заслонки 10% на 8S, Мы зафиксировали показатель 8,28 Г/Вт — это самая высокая эффективность из всей серии наших лабораторных испытаний. Благодаря этому он идеально подходит для инспекционных дронов, которые большую часть времени находятся в режиме зависания на частичной мощности.

Подробное сравнение всех семи двигателей Pi Thrust — включая конкретные рекомендации по выбору пропеллеров и информацию о совместимости напряжений — см. в нашем Руководство по выбору двигателя для дрона.

Распространенные ошибки при работе с КВ — и как их избежать

Выбор KV без предварительной фиксации напряжения

Большинство сборщиков сначала выбирают KV, а уже потом определяются с напряжением. Сделай наоборот. Определите напряжение аккумулятора с учетом допустимой массы и наличия ESC. Затем рассчитайте необходимый диапазон оборотов для вашего пропеллера и на основе этих данных определите значение KV.

Доверие к техническим характеристикам без тестирования на рабочем режиме

Технические характеристики двигателя измеряются при максимальной мощности. В реальных условиях дроны редко работают на максимальной мощности. Сельскохозяйственный опрыскиватель большую часть времени полета находится в режиме зависания при мощности 40–60%. Двигатель, который выглядит эффективным при максимальной частоте вращения может оказаться неподходящим в рабочей точке, где он вам действительно нужен.

Всегда запрашивайте или самостоятельно рассчитывайте показатели эффективности при режимах дроссельной заслонки 30%, 50% и 70%. Именно показатели при частичной нагрузке определяют фактическое время полёта.

Неучёт размера двигателя при сравнении значений KV

Двигатели с показателями 2306–2400 кВ и 5315–420 кВ — это совершенно разные двигатели. Сравнивать только их значения KV — все равно что сравнивать передаточное число велосипеда с передаточным числом грузовика. Диаметр статора, высота статора и класс магнитов — все эти параметры определяют, как показатель KV влияет на фактическую мощность. Показатель KV имеет смысл только в контексте физических размеров двигателя.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли более высокое значение KV означает более высокую скорость?

Более высокое значение KV означает большее число оборотов в минуту на вольт, но не обязательно более быстрый дрон. Максимальная скорость зависит от шага пропеллера, его диаметра, напряжения и аэродинамических характеристик корпуса. На практике, Двигатель с более низким показателем KV и большим винтом часто превосходит двигатель с более высоким показателем KV и маленьким винтом по фактической скорости движения вперед и эффективности.

Можно ли использовать двигатель с высоким значением KV с большим винтом?

Технически да, но это небезопасно для длительного полёта. Двигатель с высоким показателем KV заставляет пропеллер вращаться со скоростью, значительно превышающей диапазон эффективных оборотов. Происходят скачки потребления тока. Двигатель и ESC быстро перегреваются. Это одна из наиболее распространённых причин перегорания двигателя в промышленные дроны собственной разработки.

Какой KV выбрать для сельскохозяйственного дрона весом 10 кг?

Для гексакоптера с максимальной взлетной массой 10 кг, оснащенного 15-дюймовыми пропеллерами и питающегося от аккумулятора 12S, мы обычно рекомендуем пропеллеры с коэффициентом 300–420 кВ. Модели Pi Thrust 5215-420KV и 5315-420KV разработаны именно для такой конфигурации. Свяжитесь с нами и сообщите технические характеристики вашего самолета и мы предоставим вам подходящее предложение с учетом реальных данных испытаний.

Изменяется ли KV в зависимости от температуры?

В диапазоне рабочих параметров большинства дронов это не имеет существенного значения. Однако, Если ваши магниты размагнитятся под воздействием длительного нагрева в течение сотен летных часов, эффективное значение KV может незначительно увеличиться. Это одна из причин, по которой мы используем магниты класса N52H, которые сохраняют плотность магнитного потока при температуре до 120 °C — благодаря этому характеристики двигателя остаются стабильными на протяжении всего срока службы.