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Comment fonctionnent les moteurs de drone, les ESC, les systèmes de propulsion et les meilleurs moteurs de drone

Les moteurs de drone ainsi que les contrôleurs de vitesse électroniques et les hélices sont tous des composants du système de propulsion d’un drone. Tous ces éléments sont essentiels à la performance et au vol en toute sécurité du drone ou du quadcopter.

Ci-dessous, nous vous montrons comment fonctionnent les moteurs de drone, y compris les composants d’un système de propulsion de drones ainsi que leur conception. Cela comprend la décomposition du moteur du drone en ses composants tels que le stator, la cloche du moteur, les enroulements et les roulements.

Nous examinons également les contrôleurs de vitesse électroniques (ESC) et la conception de l’hélice, ainsi que la façon dont les moteurs sont conservés au frais. Parallèlement à la conception du moteur, nous examinons comment le système de propulsion est protégé dans divers environnements et conditions météorologiques.

Tout au long de ce post, il existe de nombreuses vidéos pour expliquer davantage les moteurs de drones et le fonctionnement des systèmes de propulsion.

Plus près de la fin, nous énumérons certains des meilleurs moteurs de drones, y compris les fabricants de systèmes de propulsion et de systèmes de propulsion.

Pièces et conception du système de propulsion de drone

Maintenant, jetons un coup d’œil aux principaux composants et pièces d’un moteur de drone. Nous utiliserons un système de propulsion DJI E7000 et d’autres moteurs de drones comme exemples.

Les principaux composants du moteur de drone et du système de propulsion sont les suivants:

  • Stator moteur
  • Cloche de moteur (rotor)
  • Enroulements
  • Roulements
  • Système de refroidissement
  • Contrôleurs électroniques de vitesse
  • ESC Updater
  • Hélices
  • Câblage
  • Bras

Fonctionnement du moteur de drone et du système de propulsion

Stator de moteur de drone

Le stator du moteur est la partie fixe d’un système rotatif, que l’on trouve dans les moteurs électriques. La fonction principale du stator est de générer le champ magnétique rotatif. Le châssis du stator, le noyau du stator et l’enroulement du stator sont les trois parties du stator.

Cloche de moteur de drone

La cloche du moteur est la partie du moteur du drone qui tourne. Sur un quadcopter, qui a 4 moteurs, vous aurez 2 moteurs dans le sens horaire (CW) et 2 moteurs dans le sens antihoraire (CCW). En d’autres termes, la cloche du moteur fonctionne en tournant dans le sens horaire ou antihoraire selon sa configuration.

Les accessoires d’un quadricoptère seront également dans le sens horaire (CW) ou antihoraire (CCW) et doivent être adaptés au moteur du drone.

La plupart des hélices quadcopter sont conçues pour que l’hélice CW ne s’adapte qu’au moteur CW et la même chose pour les hélices CCW.

Comment fonctionne le moteur de drone

Écart d’air (entre le stator et la cloche du rotor)

La distance entre le rotor et le stator est appelée l’entrefer. L’entrefer a des effets importants et est généralement conçu pour être aussi petit que possible. Un grand entrefer a un fort effet négatif sur les performances.

L’entrefer est la principale source du faible facteur de puissance auquel les moteurs fonctionnent. Le courant magnétisant augmente avec l’entrefer. Pour cette raison, l’entrefer doit être minimal.

Enroulements de moteur de drone

Les enroulements des moteurs électriques sont des fils de cuivre, qui sont disposés en bobines. Ils sont généralement enroulés autour d’un noyau magnétique en fer doux revêtu pour former les pôles magnétiques, lorsqu’ils sont alimentés en courant.

Réparer un moteur de drone et réparer les enroulements

Un moteur de drone pourrait devoir être réparé ou remplacé pour les raisons suivantes;

  • Le moteur cesse de fonctionner complètement
  • Ne tourne pas
  • Le moteur saute ou donne des coups de pied
  • Bégaiement ou retard de réponse
  • Les enroulements pourraient être cassés
  • Enroulements brûlés
  • Ça ne sonne pas bien
  • le drone ne vole pas correctement

Vidéo sur le fonctionnement du bobinage du moteur de drone

Cette 1ère vidéo montre comment réparer les enroulements d’un moteur RC et donne de très bonnes explications sur le fonctionnement des enroulements du moteur.

Fonctionnement des roulements de moteur de drone

Fonctionnement des roulements de moteur de drone

Le concept et le fonctionnement des roulements dans un moteur de drone sont très simples. La plupart des choses roulent mieux qu’elles ne glissent. Lorsque les choses glissent, la friction entre elles provoque une force qui les ralentit.

Cependant, si les deux surfaces peuvent rouler l’une sur l’autre, le frottement est fortement réduit.

Les roulements réduisent le frottement en fournissant des billes ou des rouleaux métalliques lisses, ainsi qu’une surface métallique interne et externe lisse contre laquelle les billes peuvent rouler. Ces billes ou rouleaux «supportent» la charge, permettant à l’appareil de tourner en douceur.

Le but d’un roulement dans un moteur électrique est de soutenir et de localiser le rotor, de garder l’entrefer petit, cohérent et de transférer les charges de l’arbre au moteur.

Les roulements doivent pouvoir fonctionner à des vitesses faibles et élevées, tout en minimisant les pertes par frottement. Dans le même temps, le roulement doit être économique et ne nécessiter aucun entretien dans le moteur du drone.

Plus de 50% des pannes de moteur sont dues à des pannes de roulement, de sorte que les roulements sont un élément très critique d’un moteur de drone.

Les moteurs de drone utilisent des roulements blindés. Ces roulements empêchent la contamination de pénétrer dans les éléments roulants lors de l’installation et pendant le fonctionnement. Les boucliers aident à conserver la lubrification dans la chambre de roulement.

Voici une vidéo formidable, qui vous montre comment fonctionnent les roulements de moteur avec de grandes explications. Cette vidéo vous montre comment fabriquer votre propre moteur à roulement à billes.

Conception de moteur de drone

Les moteurs de drone et les systèmes de propulsion sont conçus pour être légers, solides, équilibrés et efficaces en utilisant le moins de batterie possible. Plus le moteur est économe en énergie, plus le temps de vol augmente ou une charge utile plus lourde peut être ajoutée. Les systèmes de propulsion des drones doivent également produire le moins de vibrations possible.

Les moteurs, ESC, y compris le câblage, doivent également être protégés dans tous les types de conditions météorologiques et dans diverses conditions de travail.

Voyons comment le moteur du drone et le système de propulsion sont conçus.

Fonctionnement du système de refroidissement de moteur de drone

Système de refroidissement de moteur de drone du système de propulsion DJI e5000

Chaque moteur doit être conçu pour empêcher l’accumulation de chaleur excessive, qui endommagera le moteur, les contrôleurs de vitesse électroniques et le câblage. De nombreux moteurs de drones sont conçus à l’aide d’un système de refroidissement centrifuge, ainsi que d’ailettes de refroidissement.

Les moteurs de drones haut de gamme comme le KDE10218XF-105 pour les drones de levage lourds et de vol long ont un ventilateur centrifuge intégré.

Protection de moteur de drone contre les intempéries et les environs

Pour qu’un drone puisse voler à l’extérieur dans toutes les conditions météorologiques, le moteur et les composants du drone doivent être résistants aux intempéries. Les moteurs doivent également être protégés contre la poussière, les débris et la corrosion.

Les moteurs et composants de drone supérieurs sont collés et scellés en permanence à l’intérieur. Ils auront un scellant résistant aux intempéries pour couvrir le système de roulements du moteur et les ESC (Electronic Speed ​​Controller). Un autre revêtement est appliqué sur le stator du moteur du drone.

Ces produits d’étanchéité protègent le moteur du drone, les ESC, le câblage et ses circuits de la pluie, de la rouille, de la corrosion et de la poussière. Si le drone est utilisé comme drone agricole pour la pulvérisation des cultures, il sera scellé pour une protection contre les pulvérisations de pesticides.

Moteur de drone et protection des composants

Lors de la lecture des spécifications des moteurs de drone et des ESC, recherchez la cote du code IP (Ingress Protection code).

Le code IP (Ingress Protection code) classe et évalue le degré de protection fourni par les boîtiers mécaniques et les boîtiers électriques contre les intrusions, la poussière, les contacts accidentels et l’eau. La norme du code IP vise à fournir des informations plus détaillées plutôt que des termes tels que «étanche».

Par exemple, l’ALPHA 40A LV ESC (régulateur de vitesse électronique) de T-Motor a un indice de protection IP55, qui est une protection contre la poussière et les jets d’eau.

Le système de propulsion DJI E5000 (moteur, ESC, accessoires) a un indice de protection IP66. Cela signifie que le système de propulsion du drone E5000 est protégé contre l’eau projetée dans des jets puissants (buse de 12,5 mm) au niveau du moteur dans toutes les directions sans aucun effet nocif. Il est également étanche à la poussière.

Contrôleurs électroniques de vitesse de drone (ESC)

Fonctionnement des contrôleurs électroniques de base

Fonctionnement du contrôleur de vitesse électronique ESC pour moteur de drone

Un régulateur de vitesse électronique ou ESC est un circuit électronique, qui contrôle et régule la vitesse, l’accélération et la décélération des moteurs de drones. De nombreux ESC assurent également l’inversion du moteur et le freinage dynamique.

Les derniers ESC haut de gamme des quadricoptères utilisent des algorithmes FOC (Field-Oriented Control) pour plus de réactivité et de contrôle de précision du moteur. FOC peut également être implémenté sur le matériel ESC réel.

Le FOC utilise le contrôle du courant pour contrôler le couple des moteurs triphasés et des moteurs pas à pas avec une précision et une bande passante élevées. Les ESC Alpha de T-Motor utilisent tous la technologie FOC.

La télécommande de la station au sol envoie des signaux de données au contrôleur de vol du drone, qui transmet ensuite le signal à l’ESC puis au moteur du drone.

Câblage du moteur du drone et de l’ESC

En général, les câbles suivants font partie de la configuration de l’ESC et du moteur de drone;

  • ESC aux fils du connecteur du moteur (3 fils et peuvent être de différentes couleurs)
  • Fils du moteur du drone aux fils ESC (3 fils et généralement rouge, jaune et noir)
  • Fils du connecteur d’alimentation ESC (1 rouge et 1 noir)
  • Connecteur ESC vers Flight Controller pour le signal ESC (fil noir et blanc)

ESC Updater

Lorsque vous achetez l’un des derniers drones les plus récents, le fabricant publiera des mises à jour du firmware tous les quelques mois. Les mises à jour du firmware ajoutent de nouvelles fonctionnalités au drone et corrigent également tous les bugs logiciels dans le drone. Les mises à jour pourraient corriger ou ajouter des fonctionnalités à n’importe quelle partie du quadcopter, comme le contrôleur de vol, le cardan, la caméra et même la télécommande.

C’est la même chose si vous achetez plusieurs ESC. Ils sont livrés avec un composant appelé la mise à jour ESC qui permet au contrôleur de vitesse électronique d’avoir le firmware mis à jour dans l’ESC. Le système de propulsion DJI E1200 contient un programme de mise à jour ESC.

Fonctionnement des ESC

Cette vidéo suivante explique tout sur les ESC et leur fonctionnement.

Régulateurs de vitesse électroniques intelligents de haute technologie

En plus de changer la vitesse des moteurs, la direction et le freinage, les ESC haut de gamme ont de nombreuses fonctionnalités intelligentes et de sécurité ajoutées.

Jetons un coup d’œil aux 2 meilleurs contrôleurs de vitesse électroniques sur le marché et voyons quelle technologie supplémentaire ils incluent.

DJI Takyon Z14120 ESC

Voici quelques-unes des fonctionnalités de l’ESC Takyon Z14120;

  • Boîte noire – enregistreur de données de vol.
  • Alarme vocale – alerte le pilote des défaillances du système causées par l’ESC.
  • Systèmes à double accélération – lorsqu’il est utilisé avec les contrôleurs de vol DJI (DJI N3, DJI A3).
  • Protection de l’environnement – étanche, étanche à la poussière et anti-corrosion (indice de protection IP66).

Ce Takyon Z14120 comprend 2 processeurs monocœur DJI 32 bits, offrant une surveillance en temps réel de l’ESC, un contrôle précis du moteur et une réponse extrêmement rapide. Si le 2ème processeur n’est pas requis, il se mettra en veille pour réduire la consommation d’énergie globale. Lorsque le 2ème processeur est requis, il redémarre pour maintenir les performances globales élevées.

Surveillance ESC

En plus des caractéristiques ci-dessus, le régulateur de vitesse électronique Takyon Z14120 surveillera la tension, le courant, la température, l’humidité intérieure et d’autres paramètres critiques en temps réel.

Il empêche le drone de dépasser les surtensions, les surintensités, les surchauffes et les courts-circuits internes. Le moteur est également protégé contre le blocage et les coupures de phase.

Ce système de surveillance en temps réel offre une protection complète et réduit les pertes causées par des dysfonctionnements. Une conception spéciale de circuit anti-étincelles empêche les connecteurs de produire des étincelles lors du branchement à chaud des batteries, augmentant la durabilité du fil de la prise et réduisant le temps et les coûts de maintenance.

Dissipation thermique ESC

Une nouvelle technologie de dissipation thermique développée spécifiquement pour le Takyon Z14120 ESC permet aux drones de haute puissance de voler plus régulièrement.

Grâce à une technologie de dissipation thermique brevetée, le MOSFET de puissance augmente jusqu’à 20 fois la conductivité thermique vers la coque extérieure, par rapport à l’utilisation d’une feuille de cuivre traditionnelle. Il permet aux avions de grande puissance de fonctionner jusqu’à une journée complète sans ajouter de ventilateurs.

ESC KDE-UAS125UVC-HE

Voici certaines des caractéristiques de l’ESC KDE-UAS125UVC-HE;

KDECAN – permet un retour de télémétrie en direct avec le contrôleur de vol pour plus de sécurité et de fonctionnement. Les composants critiques du système peuvent être surveillés en temps réel et des signaux de commande supplémentaires peuvent être envoyés à l’ESC.

Enregistrement de données – grâce à l’utilisation d’un stockage à haute mémoire, EEPROM intégrée, qui permet une journalisation continue des paramètres critiques (tension, ampérage, température, signal de papillon, sortie de papillon, eRPM, etc.) avec la possibilité de télécharger et de consulter via une connexion PC à USB standard .

Freinage récupératif – freinage actif pendant la phase de décélération du moteur, fournissant une réponse instantanée aux commandes du contrôleur de vol

Rectification synchrone à température contrôlée – un nouvel algorithme pour le bon fonctionnement des moteurs à faible régime, une réponse plus rapide améliorée sous des charges de pointe élevées, tout en augmentant considérablement l’efficacité du temps de vol et en réduisant les températures de fonctionnement. Ceci est parfois appelé roue libre active (Brushless DC Electric Motor DLDC active freewheeling »).

Surveillance active – le matériel interne et les algorithmes spécialisés surveillent en permanence la tension, le courant, la température, la détection de décrochage et de nombreux autres paramètres critiques pour un fonctionnement fiable et sûr et la prévention des dommages.

Timing dynamique et puissance de démarrage – optimisé pour un démarrage fluide et contrôlé avec précision dans toute la gamme des moteurs sans balais UAS (sans hésitation, bégaiement ou retard de réponse).

Augmentation de la résolution de la fréquence d’entraînement et de l’accélérateur – réponse de l’accélérateur linéaire de haute précision dans toute la gamme de contrôle de fonctionnement.

Synchronisation du moteur – ESC calibrés en usine pour un contrôle des gaz cohérent et des protocoles de démarrage à fréquence assortie.

Circuit anti-étincelle – protège l’intégrité et la durée de vie des connecteurs critiques à chaque connexion initiale et mise sous tension du système.

Ainsi, vous pouvez voir que ces ESC ont de nombreuses fonctions intelligentes pour voler et aident également à garder le drone en sécurité en vol.

Bras de drone

Le bras du drone fait partie de l’apparence et de la convivialité du drone ou du quadcopter. En outre, le bras du drone contient un câblage critique entre la carte principale du contrôleur de vol dans le corps du drone et l’ESC, qui peut également être dans le bras du drone ou assis au bas du moteur du drone.

Comment fonctionnent les hélices de drone

Pour avancer, vous devez pousser vers l’arrière. Cette loi de la physique a été décrite pour la première fois au XVIIIe siècle par la troisième loi du mouvement de Sir Isaac Newton (parfois appelée «action et réaction»). C’est l’essence de tout ce qui bouge, y compris les drones et la conception de leurs systèmes de propulsion.

Conception d’hélice de moteur de drone

Des hélices, souvent raccourcies en «hélices», et parfois appelées «vis», sont utilisées pour pousser le drone vers l’avant en envoyant une masse d’air derrière lui. L’hélice attire l’air dedans et le pousse du côté éloigné. Il en est de même lorsque le drone monte verticalement, les hélices repoussent l’air sous le drone.

Quelle que soit la direction dans laquelle le quadcopter veut voler, l’air doit être aspiré à travers les hélices et expulsé dans la direction opposée.

Force de l’hélice du drone

Les hélices de haute qualité comme le système de propulsion DJI E7000 utilisent un matériau appelé Ultra Carbon Pro pour une résistance et une rigidité maximales.

De nombreuses hélices de T-Motor sont fabriquées à partir d’époxy CF +. CF est en fibre de carbone et la résine époxy est le revêtement protecteur.

Les hélices sont de différentes tailles et de conception, qu’elles soient pour quadricoptères, multirotors et avions à voilure fixe. D’autres facteurs pour les hélices de drone dépendent de l’utilisation du drone. Par exemple, le drone pourrait être destiné aux courses FPV, transportant des caméras ou des capteurs tels que des capteurs Lidar ou ToF.

Pales d’hélice inclinées

Les pales d’hélice sont fixées à un angle par rapport à l’arbre. Cela s’appelle le pas (ou l’angle de pas) d’une hélice et il détermine la vitesse à laquelle l’hélice fait avancer le drone lorsqu’il est tourné et la force que vous devez utiliser dans le processus.

L’angle de la pale d’hélice ainsi que sa taille et sa forme globales affectent la poussée, ainsi que la vitesse du moteur du drone.

Voici l’une des meilleures vidéos, qui explique tout sur les hélices et leur fonctionnement.

Comment tourne un moteur quadricoptère en vol

Comment un quadricoptère et une hélice tournent pour piloter un drone

Parce que les quadcoptères ont 4 moteurs tournés vers le haut, le travail des moteurs de drone et du système de propulsion est très différent d’un avion à voilure fixe.

Les quadricoptères utilisent la vitesse du moteur et la direction de l’hélice pour la propulsion. Le système de propulsion contrôle la force de gravité contre l’avion et contrôle également l’air à travers les hélices.

Quadcopter volant le long d’un plan vertical

Un quadricoptère peut faire trois choses dans le plan vertical: planer, monter ou descendre.

  • Survolez toujours
  • Climb Ascend
  • Descente verticale

Système de propulsion de drone pour lacet, tangage et roulis

Un quadcoptère en vol est également libre de tourner en trois dimensions;

Les moteurs de drones CW et CCW reçoivent diverses combinaisons de signaux de vitesse du contrôleur de vol aux contrôleurs ESC pour ralentir ou accélérer, ce qui affecte les mouvements de vol des drones.

Nous avons un article complet, qui vous montre exactement comment la vitesse des différents moteurs CW et CCW est ajustée pour faire voler le quadcopter vers l’avant, vers l’arrière et sur le côté et vers le lacet, le tangage et le roulis. L’article est intitulé «Comment vole un quadricoptère».

Fonctionnement des moteurs de drone et des ESC – Vidéo

Avant de regarder les meilleurs fabricants de moteurs de drones et de systèmes de propulsion, voici une excellente vidéo sur le fonctionnement des moteurs Brushless avec les ESC.

Acheter des drones et des systèmes de propulsion

De nombreux fabricants de drones, y compris les fabricants ci-dessous, recommanderont d’acheter le système de propulsion complet qui comprendra le moteur du drone, l’ESC et les hélices. Ils donneront également des options pour que les hélices fonctionnent avec leurs différents systèmes. Beaucoup recommandent également des contrôleurs de vol qui fonctionnent avec leurs systèmes de propulsion.

Il est très utile d’étudier les spécifications du moteur de drone pour savoir quels ESC et hélices fonctionneront avec le moteur de drone. Si vous ne trouvez pas les détails, contactez le fabricant.

Des entreprises comme DJI et T-Motor fournissent généralement tout, y compris le contrôleur de combat, ce qui facilite la recherche du bon système de propulsion.

Meilleurs moteurs de drone et systèmes de propulsion

Voici quelques-uns des principaux fabricants et fournisseurs de systèmes de propulsion de moteurs de drone.

KDE Direct

KDE Direct est une société américaine basée dans l’Oregon et a été fondée par Leslie Koegler. Ils sont un fabricant leader de moteurs sans balais, d’électronique et de composants pour le marché des drones depuis plus d’une décennie. KDE Direct reste le premier choix pour les entreprises militaires, industrielles et commerciales.

Ils conçoivent continuellement des moteurs plus grands et plus puissants pour les marchés, qui ont besoin de plus de poussée et d’une fiabilité toujours croissante. KDE conçoit et teste également de nouvelles hélices pour plus de résistance et de durabilité.

Voici les liens vers les pages KDW pour leurs moteurs de drones, ESC et hélices.

Contrôleurs de vitesse électroniques KDE

Moteurs KDE

Hélices KDE

T-MOTOR

T-MOTOR est une entreprise chinoise fondée par un spécialiste des modèles réduits d’avions appelé Wu Min. T-Motor fournit des solutions de système de propulsion pour les drones depuis 2007. Ils sont spécialisés dans les moteurs de drones, les ESC, les contrôleurs de vol, les bras de drones et les hélices.

Les drones T-Motor disposent d’une vaste sélection de systèmes de propulsion, qui sont largement utilisés pour la photographie aérienne, l’industrie, l’agriculture et de nombreuses applications commerciales.

L’un des meilleurs produits est le moteur de drone de transport lourd U15 II KV80 avec une poussée maximale de 79 lb (36 kg).

Composants MAD

MAD Components conçoit, développe et fabrique des systèmes de propulsion pour une large gamme de drones multirotors. Ils livrent dans le monde entier et ont des bureaux à Varsovie en Pologne et à Hong Kong.

MAD produit de gros moteurs lourds comme le MAD M30 100 KV, avec une poussée maximale jusqu’à 55 lbs (25 kg). Ils produisent également des moteurs de drone plus petits pour les courses FPV, y compris la série MAD 2306.

iFlight

iFlight Innovation Technology Limited a été fondée en mars 2014. Elle est située à Huizhou, dans la province du Guangdong, en Chine.

Ils fabriquent des drones de course FPV très populaires, des ailes, des avions, des drones UAV, des systèmes de contrôle de vol, des ESC, des moteurs sans balais, des caméras FPV, des émetteurs vidéo et des cardans.

iFlight est bien connu pour ses drones FPV racing et Whoop qui sont rapides, fiables et très amusants.

DJI

DJI fournit environ 70% du marché des drones grand public et commerciaux. DJI est l’entreprise que le reste du marché poursuit. Leurs derniers drones sont le Mavic Air 2 et le Mavic Mini. Leur drone industriel haut de gamme est le Matrice 300 RTK.

DJI est également une entreprise chinoise dont le siège est à Shenzhen. Ils ont également des bureaux aux États-Unis (Los Angeles), en Allemagne, aux Pays-Bas, au Japon, en Corée du Sud, à Pékin, à Shanghai et à Hong Kong.

En plus des drones haut de gamme, DJI fabrique également des systèmes de propulsion, qui comprennent le moteur, l’ESC et les hélices.

Les systèmes de propulsion DJI sont de qualité exceptionnelle et conçus pour des applications industrielles intensives. DJI fabrique également le Takyon ESC et les contrôleurs de vol.

Avec DJI fournissant le système de propulsion complet et les contrôleurs de vol, vous avez tout pour la solution UAV dont vous avez besoin.

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