Руководство по выбору пропеллеров для дронов: как подобрать пропеллеры к бесщеточному двигателю

У вас может быть лучший двигатель на рынке. Но если установить на него неподходящий пропеллер, вместо подъемной силы вы получите лишь горячий ветер. Мы убедились в этом на нашем испытательном стенде — а 4315-600KV Потреблял 45 А при работе с 15-дюймовым винтом, хотя двигатель был рассчитан на 13-дюймовый. Температура двигателя достигла 140 °C менее чем за две минуты. Тест на задымление — не пройден.

Выбор пропеллера — это вторая половина уравнения силовой установки. Все внимание уделяется выбору двигателя, но именно пропеллер обеспечивает движение воздуха. Это Выбор пропеллеров для дронов В данном руководстве рассматриваются такие параметры, как диаметр, шаг, количество лопастей и материал — на основе реальных данных испытаний нашей линейки двигателей, чтобы показать вам, что работает, а что перегревается.

Что означают эти цифры

Каждый пропеллер имеет обозначение, например 13×5 или 15×5,5. Первая цифра означает диаметр в дюймах. Чем больше диаметр, тем больше пропускаемый воздух и тем выше тяга. Но при этом на двигатель приходится большая нагрузка по крутящему моменту.

Второе число — это шаг — на какое расстояние пропеллер теоретически продвинулся бы в воздухе за один оборот. Шаг 5 дюймов означает продвижение на 5 дюймов вперед за один оборот при отсутствии проскальзывания. Чем больше шаг, тем выше скорость, но и больше потребляемый ток.

Количество лопастей — это отдельный вопрос. Наибольшую эффективность обеспечивают две лопасти. Три лопасти — стандартное решение для большинства современных дронов: они обеспечивают более плавный ход и меньший шум, при этом их эффективность ниже всего лишь на 5–10%. Четыре лопасти — это нишевое решение: оно используется в платформах для перевозки тяжелых грузов, где требуется компактный диаметр пропеллера.

По часовой стрелке и против часовой стрелки: если ошибетесь, сразу же потерпите крушение

Пропеллеры поставляются парами: вращающиеся по часовой стрелке (CW) и против часовой стрелки (CCW). На квадрокоптере два двигателя вращаются по часовой стрелке, а два — против часовой стрелки — это компенсирует крутящий момент, вызывающий рыскание. Достаточно перепутать один пропеллер, и дрон перевернется при включении системы безопасности. У всех нас это когда-то случалось.

Как вспомогательные устройства создают нагрузку на двигатель

Именно здесь теория сталкивается с практикой. Пропеллер представляет собой аэродинамическую нагрузку. Чем больше диаметр → тем больше нагрузка. Чем выше шаг → тем больше нагрузка. Чем больше лопастей → тем больше нагрузка. Двигатель реагирует на это, потребляя больше тока для поддержания числа оборотов. (Основы работы элементов: см. Статья в Википедии об аккумуляторах LiPo (для номинального напряжения и характеристик разряда.)

Показатель KV указывает число оборотов без нагрузки на вольт. Двигатель с показателем 900KV при питании от батареи 6S (22,2 В) без пропеллера развивает скорость вращения около 20 000 об/мин. Если установить на него 10-дюймовый пропеллер, фактическая частота вращения под нагрузкой снизится примерно до 15 000–16 000 об/мин. Двигатель потребляет больше тока, чтобы преодолеть сопротивление.

Практическое правило: Высокий KV → маленький пропеллер. Низкий KV → большой пропеллер. Почему? Двигатели с высоким KV имеют низкий крутящий момент. Если установить на них большой пропеллер, они заглохнут — возникнут скачки тока, тяга не увеличится, а двигатель быстро нагреется. Двигатели с низким KV обладают высоким крутящим моментом. Они могут эффективно приводить в движение большие пропеллеры при более низких оборотах.

Конкретный пример из нашей практики:

• 3115-900KV На 6S: 10-дюймовый пропеллер. Максимальная тяга — 4 600 г при токе ~45 А. Если установить 12-дюймовый пропеллер, ток подскакивает выше 55 А, а тяга увеличивается, возможно, всего на 200 г. Не стоит того.

• 4320-350KV на 12S: пропеллер 13×5. Пиковая тяга 9 797 g при токе ~37 А. Этот двигатель мог бы вращать 15-дюймовый пропеллер, но при этом ток увеличился бы, и оптимальный диапазон КПД сместился бы.

Углеродное волокно, нейлон и дерево

Преобладают три материала. У каждого из них есть своё место.

Углеродное волокно — это выбор для максимальной производительности. Жесткие лопасти не изгибаются под нагрузкой, поэтому шаг винта остается постоянным во всем диапазоне оборотов. Это означает предсказуемые кривые тяги — что важно при полете с лидарным датчиком $20,000. Недостаток: удар лопасти, который на нейлоновом винте оставил бы лишь царапину, может разбить углеродное волокно.

Нейлон, армированный стекловолокном (из него изготавливаются большинство "пластиковых" пропеллеров), — это практичный выбор для моделей типа 90%. Он гибкий, прочный и достаточно дешёвый, чтобы брать с собой запасные. Для пилотов FPV, которые разбиваются дважды за сеанс, это единственный разумный вариант.

Деревянные опоры — это нишевый товар. Некоторые операторы самолетов предпочитают их из-за способности гасить вибрации, но они тяжелее углеродного волокна и дороже нейлона. У нас их нет в наличии.

Комбинации двигателей PiThrust и пропеллеров

Вот справочная таблица, которую мы предоставляем клиентам. Каждая комбинация была протестирована на нашем испытательном стенде при температуре окружающей среды 25 °C.

В этой таблице сразу бросаются в глаза две вещи. Во-первых: 5008-300KV с 17-дюймовым пропеллером достигает КПД 8,5 г/Вт. Это настоящий король автономности — гексакоптер с шестью такими двигателями. Операторы, занимающиеся картографированием и выполняющие миссии продолжительностью более 45 минут, — этот двигатель именно для вас.

Во-вторых: 4312-380KV На платформе 12S с пропеллером 13×5 этот двигатель превосходит все остальные модели линейки по номинальной тяге — 13 кг на каждый двигатель. Это 78 кг подъемной силы на гексакоптере. Для сравнения: полностью загруженный DJI Agras T50 весит при взлете около 52 кг.

Подбор реквизита в соответствии с вашей миссией

В зависимости от миссии к пропеллеру предъявляются разные требования.

Картография и геодезия

Вам нужна выносливость. Большой диаметр, умеренный шаг, углеродное волокно. Это 5008-300KV с 17-дюймовыми пропеллерами — это очевидный выбор. Низкая скорость вращения, большой объём перемещаемого воздуха, минимальный расход заряда аккумулятора. Если ваша полезная нагрузка тяжелее (мультиспектральные датчики, две камеры), перейдите на 4315-600KV на 13×5.

Опрыскивание сельскохозяйственных культур

Вам нужны тяга и надежность. Это 5315-420KV на 15-дюймовых пропеллерах обеспечивает подъемную силу 8,3 кг на каждый двигатель. На октокоптере это составляет 66 кг общей подъемной силы — этого достаточно для 25-литрового опрыскивательного бака и корпуса аппарата. В данном случае целесообразно использовать нейлоновые пропеллеры, поскольку сельскохозяйственные дроны летают на малой высоте и подвержены более высокому риску столкновений.

FPV-фристайл и гонки

Вам нужна маневренность. Малый диаметр, больший шаг лопастей, нейлон (потому что вы будете падать). 5-дюймовый 3-лопастной винт на двигателе 2306–2400 кВ — это классическая 5-дюймовая комплектация для фристайла. Компания PiThrust не выпускает двигателей размера 2306, но наши 3115-900KV Пропеллер диаметром 10 дюймов пользуется популярностью при сборке 7-дюймовых FPV-аппаратов для дальних полетов — пилоты, совершающие полеты над горными склонами продолжительностью более 15 минут.

Тяжеловесные грузы и грузоперевозки

Вам нужна максимальная тяга при приемлемом КПД. 4320-350KV на винтах размером 13×5 или 15×5. Обязательно использовать винты из углеродного волокна — при таких уровнях мощности нейлоновые винты деформируются под нагрузкой и теряют тягу.

Пять ошибок, которые мы наблюдаем постоянно

Эти данные взяты из писем клиентов и заявок на гарантийное обслуживание. Учитесь на чужих ошибках.

1. Выбор пропеллера слишком большого размера. "Я просто установлю пропеллер большего размера, чтобы увеличить тягу". Нет — в этом случае вы будете потреблять больше тока, чем могут выдержать обмотки двигателя. Используйте диапазон пропеллеров, рекомендованный производителем. Он установлен не просто так.

2. Использование различных типов пропеллеров на одном и том же самолете. У нас был клиент, который установил на квадрокоптер три пропеллера из углеродного волокна и один нейлоновый. При высокой мощности нейлоновый пропеллер прогибался, тяга стала асимметричной, и аппарат резко накренился вправо и врезался в дерево. Все четыре пропеллера должны быть идентичными — одной марки, одной модели и, по возможности, из одной партии.

3. Неучёт направления вращения. Винты с направлением вращения по часовой стрелке (CW) и против часовой стрелки (CCW) не являются взаимозаменяемыми. Форма передней кромки у них различна. Если установить винт с направлением вращения по часовой стрелке на двигатель с направлением вращения против часовой стрелки, он всё равно будет создавать тягу — но плохо, неэффективно и, вероятно, с такой сильной вибрацией, что винты могут открутиться.

4. Покупка самых дешёвых пропеллеров из "углеродного волокна". Настоящее углеродное волокно изготавливается методом плетения и укладывается слоями. Дешевые реквизиты с "эффектом углеродного волокна" часто представляют собой изделия из нейлона с наклейкой, имитирующей рисунок углеродного волокна. Они выглядят убедительно, но по своим характеристикам напоминают мокрый картон. Если цена кажется слишком заманчивой, значит, так и есть.

5. Несбалансированность опор. Даже качественные пропеллеры поставляются с небольшим перекосом. Несбалансированный пропеллер при 8 000 об/мин создает вибрации, которые передаются через подшипники двигателя на кронштейн и, в конечном итоге, на инерциальную измерительную систему (IMU) вашего полетного контроллера. Потратьте 10 минут на балансировку пропеллеров. Ваши гироскопы будут вам благодарны.

Часто задаваемые вопросы по выбору пропеллеров для дронов

Можно ли использовать двухлопастной винт вместо трёхлопастного?

Да. Вы получите прирост эффективности примерно на 5–10%, но при этом немного потеряете плавность хода. Для картографических дронов, летающих в автономном режиме с постоянной скоростью, такой компромисс оправдан. Для FPV лучше оставаться на 3-лопастных винтах.

Что произойдет, если мой пропеллер окажется слишком большим для моего двигателя?

Двигатель потребляет чрезмерный ток, пытаясь раскрутить его. Обмотки нагреваются выше номинальной температуры. Изоляция выходит из строя. В двигателе происходит короткое замыкание. Вы приземляетесь — или нет.

Действительно ли имеет значение марка пропеллера?

Да. Мы провели испытания пропеллеров HQProp, Gemfan и T-Motor на одном и том же двигателе — одинакового размера, с одинаковым шагом и изготовленных из одного и того же материала. Различия в тяге в пределах 5–8% между брендами являются нормальным явлением. КПД также варьируется. Выберите качественный бренд и используйте продукцию этого бренда для всего своего парка.

Как определить, что мои проп-лопасти несбалансированы?

Удерживайте дрон в режиме зависания. Если вы заметили вибрацию в кронштейнах или слышите жужжание, интенсивность которого меняется в зависимости от положения дроссельной заслонки, это означает наличие дисбаланса. Устройство для балансировки пропеллеров стоит $15 и окупается за счет увеличения срока службы подшипников.

Стоит ли мне использовать складные реквизиты?

Что касается самолетов с фиксированным крылом и аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL), то да — они снижают аэродинамическое сопротивление при полете вперед. Для мультироторов — только в том случае, если вам нужно компактное хранение. Складные пропеллеры создают дополнительную точку отказа (шарнир) и немного менее эффективны, чем цельные пропеллеры.

Итог

Пропеллеры — это не просто дополнение. Они составляют половину вашей силовой системы. Правильный пропеллер на правильном двигателе при правильном напряжении — вот что отличает дрон, летающий 45 минут, от того, который вынужден совершить аварийную посадку уже через 20 минут.

Мы публикуем данные наших испытаний, чтобы клиенты могли принимать обоснованные решения. Если вы не уверены, какой пропеллер выбрать для своей модели, напишите нам, указав вес корпуса и планируемую полезную нагрузку. Мы дадим вам конкретную рекомендацию, а не общие советы.

Подберите аксессуары, подходящие к вашему мотоциклу

Нужны опоры, подходящие к двигателям PiThrust? Свяжитесь с нами по адресу info@pithrust.com или по WhatsApp +86-198-7242-8734. У нас в наличии есть пропеллеры из углеродного волокна всех перечисленных выше размеров. Ознакомьтесь с полным ассортиментом наших двигателей на сайте pithrust.com.