無人機馬達型錄規格說明 ( I )

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近日協助廠商製作無人機馬達商品型錄時,發現無人機馬達與其它類型的馬達在規格定義及描述上有顯著差異,故以本文進行說明解釋。附上台灣製造的無人機馬達規格型錄檔案連結,請參考:

無人機馬達型錄

無人機馬達在型號的編列上往往具有三項馬達資訊,包括了定子矽鋼片的直徑、堆疊厚度以及KV值;如下圖中的編碼為28061200,其中前兩碼28就代表定子直徑為28mm,後續的兩碼06是代表矽鋼片的堆疊積厚為6mm,最後四碼1200為本顆馬達的KV值。

無人機馬達編碼及規格

無人機馬達編碼及規格

然而其它馬達並不會採用這三項參數來命名,主要是與馬達的使用特性關聯性並不強,無法直接判斷馬達是否符合規格;由上圖可以看到,雖然定子的直徑為28mm,然而整顆馬達完成的直徑尺寸卻為35.2mm,顯然有落差。因此在工業馬達的編碼上,往往直接採用完成外徑做分類,如80框、110框的名稱,直接了當的告知消費者馬達完成尺寸,讓客戶選擇更為方便。

至於告知定子尺寸資訊是否有所幫助,這點可以由下列的馬達轉矩方程式來窺看一二,其中T為轉矩,B是磁力大小,i代表馬達工作電流,L係馬達的長度,D就是轉子外徑,N則為繞線圈數,Sin(δ)是要定義磁場與電場間的角度影響,kt代表馬達轉矩常數。定子尺寸的積厚可以對應到馬達轉矩方程式當中的L;而定子外徑則勉強與D扯上關聯,但又非轉子正確尺寸無法直接使用,僅能間接協助比對,做為不同馬達間的轉矩強弱差異判斷。

馬達轉矩方程式

馬達轉矩方程式

透過馬達轉矩方程式說明可知,定子矽鋼片僅能略為判斷馬達的轉矩大小變化,如直徑越大或積厚越厚都將造成馬達轉矩越強;但還須注意,直徑的影響為平方倍,遠大於積厚的差異比例。然轉矩方程式中還有許多相關參數,尺寸僅佔了其中的兩項,是無法完整的判斷其影響趨勢;實際的例子就是鮮少看到超長的馬達,雖然轉矩方程式中告知持續增長L就可以得到更大的轉矩力量,但實務上會導致馬達內部的漆包線圈長度也增加,進而影響電阻值也提高,最終限制工作電流,反而造成馬達輸出轉矩下降,因此馬達加長到某種程度後,會改用直徑變大的手法。

而KV值雖然是對馬達轉速的一種描述方式,但除了無人機與遙控模型類的應用外,其它馬達領域完全不會採用KV值。這當中最主要的原因是速度會受到負載而改變,如下圖中的方塊圖所示,一開始馬達輸入的電壓V,會經過馬達內部的電阻R及電感L影響後,轉換為電流i的形式,在經過轉矩常數kt的比例變化,轉換為轉矩力量T。此時轉矩除了克服本身的慣量J及一些流體阻力Bv之外,最主要就是應付外部負載的阻力Load;若是無人機就是扇葉的風阻,車輛則是地面磨擦力。當轉矩解決掉本身的阻礙,以及外部的力量需求後,剩餘的能量才會抵達最右側,轉換為馬達的角速度ω,此時才會再受到反電動勢的作用,經過反電動勢常數ke,發電返回最左側的電壓處,形成完整的馬達系統迴路。

馬達系統方塊圖

馬達系統方塊圖

由馬達系統方塊圖可知,馬達速度ω與電壓V之間的關係是反電動勢常數ke,而方向則是馬達動能剩餘的速度能量,轉換為發電狀態的電能回授。然而無人機的KV值則是反方向的思考,認定輸入電壓經過KV值的比例計算,就是馬達轉速RPM,完全忽略的負載Load的存在;會有此種誤解,主要是過往的模型玩具當中,相對馬達所產生的力矩而言,負載確實相對弱小到可以忽略不計的情況,所有的能量都會轉換為速度展現,才導致此項參數沿用至今。對於模型玩具等級的應用,無人機還可以保持著參考的KV值做控制,但隨著規格的增加,無論是反應速度以及載重能力的需求,負載已然無法輕視,那KV值也就越來越不準確了。

而正規的馬達會採用轉矩常數kt作為扭力的評估,kt越高的馬達代表電流所生成的轉矩越大;用反電動勢常數ke則是作為無載轉速的判斷,而非負載轉速的預估。但由於這兩項常數值,實際上還會受到馬達工作溫度的影響而變化,因此一般馬達也不會將這些常數項作為產品的型號定義,僅會列於規格書中,讓客戶比較參考而已。

另外需注意,反電動勢常數的單位為(V.s/rad),以中文描述就是反電動勢電壓值(V)除以角速度(rad/s),因此反電動勢常數越高,代表馬達無載的最高轉速越慢。而KV值得單位為(RPM/V),也就是馬達轉速(RPM)除以電壓(V),則當KV值越高,代表馬達轉速越快。藉此可知,反電動勢常數ke與KV值雖然都是用於描述馬達電壓與轉速的關係式,但卻是兩個定義相反的參數,不可混為一談。

附上台灣製造的無人機馬達規格型錄檔案連結,請參考:

無人機馬達型錄

重點整理:

不同領域就會有不同規格定義,切忌搞混。


特別申明:筆者目前確認國內有自製無人機馬達能力的廠商,商業規格請找虹印機電,軍規請找六俊電機。筆者會知道,是因為這兩家有購買無人機馬達的生產設備,因此確認他們有生產能力。


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