Motory pro drony

V dronech jsou k nalezení dva druhy elektromotorů: kartáčové (stejnosměrné a bezkartáčové, které jsou nesprávně ale o to častěji označovány jako střídavé.

Nejmenší a nejlevnější drony pohánějí stejnosměrné elektromotory, které se už na první pohled poznají podle toho, že k nim vedou dva dráty. Primitivní stejnosměrný motor si můžete během minuty snadno vyrobit: stačí mít tužkový monočlánek velikosti AA, silný válečkový noedymový magnet o podobném průměru jako monočlánek a kousek silnějšího drátu, nejlépe měděného. Drátek vytvarujeme, jak je vidět na obrázku a podle něj celou tu věc taky sestavíme.

obr.: Nejjednodušší stejnosměrný "elektromotor"

Chce to trochu trpělivosti s vyvažováním - ale nakonec se drátek roztočí. Důvod je zřejmý: proud procházející drátem kolem něj vytváří magnetické pole, na něž působí magnetické pole permanentního magnetu tak, že se drát pohybuje.

Stejnosměrné elektromotory

V dronech rotující částí není kus drátu, ale sofistikovanější elektromagnet (správně se mu říká rotor nebo kotva). Aby se do něj elektřina dostala, je nutné to vyřešit složitěji, než jak to bylo u našeho primitivního elektromotorku. Zjednodušeně řečeno je elektromagnet kotvy spojený s kontakty na její ose, a těch se dotýkají jiné kontakty (většinou v podobě uhlíků přitlačovaných pružinami) od přívodních drátků. Této části motoru se říká komutátor, přítlačným kontaktům kartáče.

obr: Schéma stejnosměrného motoru

Dál už je to ale stejné jako u našeho improvizovaného motorku: na kotvu působí magnetické pole části motoru, která se neotáčí, což je takzvaný stator - v našem původním provedení jím byl neodymový magnet. I v motorku dronu může mít podobu permanentních magnetů, u velkých strojů to často jsou elektromagnety. V každém případě musí být kontakty na komutátoru uspořádané tak, aby magnetické pole vyvozované v daném okamžiku rotorem v magnetickém poli statoru způsobovalo rotační pohyb kotvy.

Problém je, že kartáče komutátoru se obrušují, opalují, dochází tu k jiskření... a tak vůbec. Někdy jdou vyměnit, ale zrovna u nejmenších motorů, které potřebujeme pro drony, obvykle ne - tam nezbude než měnit celý motor. Na druhou stranu jsou stejnosměrné motorky levné, takže sečteno a podtrženo: pro děti a začátečníky, kde se cení láce, a pro závodníky s minidrony, kterým nevadí odrovnat několik strojů za sezónu, celkem ideální pohon - jinak ale nic moc.

obr: Stejnosměrné motorky v desce minidronu Tiny Whoop

Pro úplnost se u nich ale přece jen ještě chvilku zastavíme, protože mají i pár zajímavých vlastností. Tou první je, že změna polarity přiváděného napětí obrátí směr rotace, což sice v dronech není k ničemu, ale v celé řadě další aplikací (mimo jiné i u podvodních dronů) se to naopak moc hodí. Při létání je užitečná jiná vlastnost: zvyšováním napětí se zvyšuje výkon. Obvody pro jejich ovládání (a tedy ovládání celého dronu) tak mohou být malé, levné a jednoduché - opět výhoda pro děti, začátečníky a závodníky s minidrony.

Bezkartáčové elektromotory

Jenže pro výkonnější létající stroje potřebujeme lepší pohon. Jsou jím takzvané bezkartáčové motory nesprávně (ale o to častěji) označované jako střídavé. Někdy je také najdeme pod zkratkou BLDC (Brush Less Direct Curent, bezkartáčový na stejnosměrný proud). Princip bezkartáčového motoru je složitější, ale dá se skvěle vysvětlit na mé dětské stavebnici, kterou jsem shodou okolností nedávno našel při vyklízení bytu.

Dodnes si pamatuji, že tenhle dárek mi někdy v 7. nebo 8. třídě pod stromečkem udělal obrovskou radost: stavebnice Merkur Elektro - krabice plná úžasných věcí, žárovičkami počínaje a malým elektromagnetem konče. Nechyběla ani brožurka s návody, kde nejlepší bylo na konec: návod na sestavení motoru. Ale úplně jiného, než jsem tehdy znal: v podstatě pracoval na stejném principu jako dnešní výkonné bezkartáčové motory pro drony.

Základem motoru "model Merkur Elektro" bylo obyčejné železné kolo s výběžky pravidelně uspořádanými po jeho obvodu. Na ose kola bylo menší ozubené kolečko se stejným počtem zubů jako je výčnělků na velkém kole. Zuby přerušují kontakt obvodu, který napájí elektromagnet pod velkým kolem. Malé kolo je oproti velkému pootočené tak, aby výčnělky na velkém kole přitahoval elektromagnet - ale jen do chvíle, kdy je výčnělek přímo nad ním. V té chvíli se obvod rozepne a velké kolo dál pokračuje setrvačností. Elektromagnet se znovu sepne, když se v jeho dosahu ocitne další výčnělek kola. A tak to jde pořád dokola.

obr: Nákres "bezkartáčového" motorku z dětské stavebnice Merkur

Bezkartáčový motor dronu pracuje prakticky stejně, jen je jinak uspořádaný. Místo jednoho elektromagnetu je jich tu hodně a jsou uspořádané po obvodu kruhu. Nepohybují se - jsou tedy tím, čemu se říká stator. Místo velkého kola s výčnělky z mé dětské stavebnice je tu prstenec se silnými neodymovými magnety po obvodu. Ten se otáčí (k jeho ose se připevňuje vrtule), takže jde o rotor. A místo malého ozubeného kola přerušující proud tu je sonda snímající pohyb rotoru. Její data putují do regulátoru, který dělá v podstatě totéž, co to ozubené kolo, jenže složitěji. Zjednodušeně řečeno: podle údajů ze sondy a pokynů z řídící desky posílá proud do cívek střídavého motoru tak, aby se rotor otáčel požadovaným směrem a rychlostí.

obr: Bezkártačový elektromotor pro drony

Základní parametry bezkartáčového ("střídavého") motoru

- jakým směrem se otáčí

- KV (viz dál)

- počet závitů vodiče na každé cívce motoru

- pro jakou velikost vrtulí je určený (většinou v palcích)

- způsob uchycení vrtule (závit, bajonet...)

- pro jaké akumulátory (počet článků, tj. 2S, 3S atd.)

- průměr (mm)

- výška (mm)

- hmotnost (g)

- někdy se udává počet magnetů/cívek

U veličiny KV se musíme na chvíli zastavit. Nejedná se naštěstí o kilovolty, ale o počet otáček motoru na jeden volt. Čím menší je průměr vrtule, tím vyšší musí být KV a naopak. Kombinace KV a vrtulí jsou obvykle uvedeny v tabulkách specifikací, protože dohromady dává vztlak. Vztlak na jeden motor by měl být přibližně hmotnost stroje krát 2,5 lomeno počtem motorů, tedy ve většině případů čtyřmi.

Význam má i údaj o počtu závitů drátu na každé cívce motoru: stejný motor s více závity má nižší otáčky a vystačí si přitom s akumulátorem s menším počtem článků. Pokud mu dáme akumulátor s více články, roztočí se víc, ale snese nižší proudové zatížení, protože delší drát ve vinutí bude mít větší odpor a vyprodukuje víc tepla, hrozí tedy zničení vinutí.

Regulátory

Bez regulátoru (ESC, Electronic Speed Controller) je bezkártáčový motor k ničemu, takže jde o velmi důležitou součást dronů. Méně často je společná deska regulátorů pro všechny motory - většinou u malých strojů. U větších dronů s bezkartáčovými motory je obvykle pro každý motor jeden regulátor. Fyzicky mívá podobu podlouhlé desky plošných spojů, z níž na každém konci vychází několik kablíků. Na jedné straně jsou vždycky tři a barevně rozlišené - ty patří připájet k vývodům bezkartáčového motoru, přičemž správné pořadí je důležité. Na druhé straně jich je víc: dva z nich vedou do desky napájení (BEC), zbytek do příslušných konektorů řídící jednotky.

obr: Regulátor bezkartáčového motoru

Abychom věděli jaké regulátory k jakým motorům vybrat, musíme znát jak hlavní parametry motoru (viz výše) tak i regulátoru.

Hlavní parametry regulátoru

- maximální trvalý proud (A)

- maximální nárazový proud (A)

- pro jaké akumulátory (počet článků, tj. 2S, 3S atd)

- parametry napájecí desky (A,V)

- rozměry (mm)

- hmotnost (g)

- zda je nebo není programovatelný (a pokud je, tak s jakými vysílači je kompatibilní, případně jak se programuje)

Problematika elektromotorů a regulátorů se týká i modelářů (leteckých u jiných), proto není problém k tomu najít další zdroje informací. Cenná je např. publikace Ivana Hořejšího Elektrolety a jak na to (Apex Art 2008). U dronů jen připomínám, že sousední motory se vždy musí točit opačným směrem, protilehlé stejným. Důležité je i uchycení motoru na rameni rámu: nesmí motor deformovat, proto tu často bývá silná kovová podložka.

Jan A. Novák