Cách tính toán lực đẩy động cơ máy bay không người lái Hướng dẫn từng bước

 

Trong các bài viết trước, chúng tôi đã nhiều lần đề cập rằng động cơ là hệ thống năng lượng cốt lõi của máy bay không người lái, quyết định máy bay có thể bay được hay không, độ ổn định trên không, khả năng mang tải và thời gian bay. Bạn đã biết động cơ DC không chổi than (BLDC) là gì, cách thức hoạt động của động cơ máy bay không người lái, Và cách lựa chọn các loại động cơ máy bay không người lái khác nhau...

 

Giờ đây, đã đến lúc xem xét kỹ hơn một thông số quan trọng khác: lực đẩy.

 

Lực đẩy quyết định máy bay không người lái có thể cất cánh và bay lơ lửng hay không, đồng thời cũng quyết định bạn có thể lắp camera, mô-đun lập bản đồ, tải hàng hóa và các thiết bị nhiệm vụ khác hay không.

 

Lực đẩy không đủ → không thể bay; lực đẩy quá lớn → lãng phí năng lượng và giảm độ bền.

Chỉ với lực đẩy phù hợp, động cơ, cánh quạt, bộ điều khiển tốc độ điện và pin mới có thể tạo thành một hệ thống ổn định và hiệu quả.

 

Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ hướng dẫn bạn từng bước những ý tưởng cốt lõi về đánh giá lực đẩy, từ định nghĩa về lực đẩy, tính toán công suất động cơ, khuyến nghị tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng, đến các phương pháp kết hợp ESC.

 

Trong vật lý, lực đẩy là lực đẩy một vật thể về phía trước hoặc lên trên, và đơn vị của nó thường là Newton (N) hoặc gam (g)/kilôgam (kg). Trong ngành công nghiệp máy bay không người lái, chúng ta thường sử dụng "gam" hoặc "kilôgam" để đo lực đẩy của động cơ, phản ánh trực tiếp khối lượng mà nó có thể "nâng".

 

1. Định nghĩa cơ bản về lực đẩy

Lực đẩy = Động cơ + lực đẩy của cánh quạt hướng lên trên ở một công suất đầu vào nhất định

 

Ví dụ:

Nếu một động cơ tạo ra lực đẩy 1000g, điều đó có nghĩa là nó có thể "nâng" một vật nặng dưới 1kg trong điều kiện tĩnh.

 

Lực đẩy của mỗi động cơ của máy bay bốn cánh quạt là 1000g, và tổng lực đẩy là 4000g (4kg), về mặt lý thuyết có thể chịu được trọng lượng cất cánh tối đa là 2kg (tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng là 2:1).

Giá trị này liên quan trực tiếp đến "khả năng cất cánh" và "sức chứa tải" của máy bay.

 

2. Lực đẩy tĩnh và lực đẩy động

Trong các ứng dụng thực tế, chúng ta thường phân biệt giữa lực đẩy tĩnh và lực đẩy động:

kiểu	Sự định nghĩa	Phương pháp kiểm tra
Lực đẩy tĩnh	Lực đẩy được tạo ra bởi động cơ + chân vịt trong không khí	Được đặt trên nền tảng kiểm tra lực đẩy
Lực đẩy động	Lực đẩy mà động cơ + chân vịt có thể cung cấp trong chuyến bay/chuyển động	Đường hầm gió hoặc đo trên không (phức tạp hơn)

Giá trị lực đẩy của động cơ mà chúng ta thường nói đến thường đề cập đến "lực đẩy tĩnh", đây cũng là dữ liệu tiêu chuẩn đã được các nhà sản xuất động cơ thử nghiệm và công bố.

 

3. Tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng: Một chỉ báo chính để chọn động cơ

Tỷ lệ lực đẩy-weight=Tổng trọng lượng lực đẩy, là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất chuyến bay:

Sử dụng chuyến bay	Tỷ lệ lực đẩy trên trọng số được đề xuất	minh họa
Chụp ảnh trên không/máy bay không người lái	2:01	Đảm bảo di chuột và ổn định tải trọng
Trinh sát công nghiệp/Hoạt động Tây Nguyên	2.5:1 ~ 3:1	Cải thiện sự dư thừa để đối phó với những thay đổi về áp suất/môi trường không khí
Đua máy bay không người lái FPV	4:1 ~ 6:1	Tăng tốc nhanh và các thao tác mạnh mẽ đòi hỏi tỷ lệ lực đẩy cao

Ví dụ, đối với máy bay không người lái chụp ảnh trên không có trọng lượng cất cánh là 1500g, lực đẩy tổng thể được khuyến nghị là khoảng 3000g, nghĩa là bạn cần chọn giải pháp mà mỗi động cơ có thể cung cấp ít nhất 750g lực đẩy tĩnh.

 

Để hiểu cơ chế tạo lực đẩy động cơ, bạn phải hiểu mối quan hệ vật lý cơ bản:

Công suất động cơ (W)=điện áp (v) × dòng điện (a)

 

Việc tạo lực đẩy về cơ bản là sau khi động cơ tiêu thụ một lượng năng lượng điện nhất định, nó tăng tốc không khí xuống qua cánh quạt, do đó tạo ra lực phản ứng hướng lên . Lực đẩy càng cao, mức tiêu thụ điện năng càng cao và nhiệt độ càng cao .

 

1. Ảnh hưởng của điện áp, dòng điện và sức mạnh lên lực đẩy

tham số	Tuyên bố tác động
Điện áp (V)	Điện áp càng cao, công suất đầu ra càng lớn khi dòng điện bằng nhau → phù hợp hơn với các bệ đẩy lớn.
Hiện tại (a)	Biểu thị cường độ tải hiện tại của động cơ. Tải càng lớn, công suất tiêu thụ càng lớn và nhiệt độ tăng càng cao. Cần kết hợp với ESC đủ mạnh.
Sức mạnh (W)	Công suất càng lớn, lực đẩy trong lý thuyết càng lớn, nhưng hãy cẩn thận cho dù nó có vượt quá giới hạn của động cơ và ESC .

 

Tăng lực đẩy không thể đạt được chỉ bằng cách tăng một thông số duy nhất. Ví dụ, việc chỉ tăng điện áp hoặc dòng điện có thể gây ra quá nhiệt, cháy ESC, sụt áp pin hoặc thậm chí mất kiểm soát bay.

 

2. Mối quan hệ giữa giá trị KV và lực đẩy: Đừng nhầm lẫn bởi "tốc độ cao"

Giá trị KV (RPM/V) cho biết tốc độ mà động cơ có thể đạt được khi động cơ ở chế độ không tải và điện áp đầu vào là 1V. Ví dụ, đối với động cơ 1000KV, tốc độ lý thuyết là 10.000 RPM ở điện áp 10V.

 

Giá trị KV cao: tốc độ cao, nhưng mô-men xoắn thấp, phù hợp với cánh quạt nhỏ, tải nhẹ và các tình huống đua;

 

Giá trị KV thấp: tốc độ thấp nhưng mô-men xoắn cao, phù hợp với cánh quạt lớn, lực đẩy lớn và các bệ chịu lực.

Quan niệm sai lầm: KV cao hơn không nhất thiết có nghĩa là lực đẩy lớn hơn. Lực đẩy thực tế phụ thuộc vào công suất và hiệu suất mà động cơ có thể liên tục tạo ra dưới một tải nhất định (cánh quạt).

 

3. Phân tích ví dụ: Sự khác biệt lực đẩy của các KV khác nhau trên cùng một nền tảng

Lấy hai động cơ VSD làm ví dụ:

người mẫu	Giá trị KV	Phạm vi điện áp	Công suất tối đa	Lực đẩy tối đa	ứng dụng
2306	2400kv	6S	901W	1683g	Máy đua FPV
3115	900kv	6S~8S	1617W	4185g	Nhiếp ảnh trên không đa cánh quạt

 

Với cùng một điện áp 6s, mặc dù 2306 có tốc độ cao, nhưng lực đẩy của nó rõ ràng thấp hơn so với 3115. Đây là lời giải thích tốt nhất rằng giá trị KV không tỷ lệ thuận với lực đẩy .

 

Việc tính toán lực đẩy của động cơ không hề "siêu hình" như nhiều người nghĩ. Ngay cả khi bạn không có thiết bị kiểm tra tinh vi, chỉ cần nắm vững logic cơ bản, dữ liệu tham khảo và ước tính hợp lý, bạn vẫn có thể đưa ra đánh giá sơ bộ về việc liệu một động cơ có phù hợp với dự án máy bay không người lái của mình hay không.

 

Chúng tôi hướng dẫn bạn ở ba cấp độ:

1. Phương pháp ước tính tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng (áp dụng cho hầu hết các tình huống ứng dụng)

Đây là cơ sở lựa chọn phổ biến và thiết thực nhất:

Tổng lực đẩy khuyến nghị = trọng lượng cất cánh × tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng khuyến nghị

Loại chuyến bay	Tỷ lệ lực đẩy trên trọng số được đề xuất
Chụp ảnh/ánh xạ trên không	2:01
Điều tra hàng hóa/công nghiệp	2.5–3:1
Đua xe qua	4–6:1

 

Ví dụ:

Bạn sẽ lắp ráp một máy bay không người lái bốn cánh quạt để chụp ảnh trên không. Trọng lượng cất cánh khi đầy tải của nó là 2,2 kg.

Tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng được khuyến nghị là 2:1, vì vậy bạn cần tổng lực đẩy ≥ 4,4 kg (4400 g).

Khi đó, lực đẩy tối thiểu của mỗi động cơ phải là: 1100 g.

 

2. Phương thức so sánh bảng (áp dụng khi có dữ liệu kiểm tra nhà sản xuất)

Nếu bạn chọn một động cơ có dữ liệu thử nghiệm chi tiết, chẳng hạn như chuỗi VSD, bạn có thể trực tiếp tham khảo các tham số lực đẩy tĩnh tối đa của nó và so sánh chúng với nhu cầu của bạn .

Mô hình động cơ	Điện áp được đề xuất	Lực đẩy tối đa	Tải tối đa được đề xuất (Tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng 2: 1)
3115	6S–8S	4185g	Nhỏ hơn hoặc bằng2.1kg
2808	6S	2910g	Nhỏ hơn hoặc bằng1.45kg
2306	6S	1683g	Nhỏ hơn hoặc bằng0,8kg

 

Theo cách này, bạn có thể nhanh chóng lọc ra phạm vi động cơ đáp ứng các yêu cầu tải của toàn bộ máy .

 

3. Phương thức tính toán thủ công (để ước tính chi tiết hoặc người dùng DIY)

Nếu bạn rất nhạy cảm với các thông số hoặc không có sẵn dữ liệu lực đẩy, bạn cũng có thể ước tính dựa trên mối quan hệ sau:

(1) Phương pháp ước tính công suất:

Lực đẩy lý thuyết ≈ C × √(công suất × đường kính cánh quạt)

Trong đó C là hệ số thực nghiệm, thường dao động từ khoảng 6 đến 9. Cánh quạt càng lớn thì hiệu suất càng cao.

 

Ví dụ: Bạn ước tính công suất động cơ tối đa là 1600W với cánh quạt 13 inch.

Lực đẩy ước tính là ≈ 7 × √(1600 × 13) ≈ 7 × √20800 ≈ 7 × 144 ≈ 1008g

 

Phương pháp này phù hợp để ước tính gần đúng, và lực đẩy thực tế vẫn cần dựa trên các phép đo thực tế.

 

Sau khi xác định được lực đẩy và mô hình động cơ cần thiết, bước tiếp theo là xem xét sự phù hợp của hệ thống hỗ trợ, đặc biệt là ESC và pin. Nếu dòng điện ESC không đủ và đầu ra pin không ổn định, hệ thống sẽ không hoạt động ổn định ngay cả khi lực đẩy đủ mạnh.

 

Dưới đây là ba nguyên tắc phù hợp cốt lõi:

1. dòng ESC phải lớn hơn dòng động cơ tối đa

Xếp hạng dòng ESC phải vượt quá dòng điện liên tục tối đa của động cơ theo hệ số 1,2 đến 1,5

 

Lời khuyên thực tế: Chọn một ESC là 20-50% cao hơn dòng điện tối đa của động cơ

 

ví dụ:

Động cơ VSD 3115, dòng điện tối đa là khoảng 50A

→ Dòng ESC được đề xuất lớn hơn hoặc bằng 60A

 

Động cơ VSD 2306, dòng điện tối đa là khoảng 35a

→ Dòng ESC được đề xuất lớn hơn hoặc bằng 45A

 

Lưu ý: Mặc dù việc chọn ESC quá lớn là an toàn, nhưng nó cũng có thể làm tăng trọng lượng và tiêu thụ năng lượng, dẫn đến chất thải hiệu quả .

 

2. Điện áp pin phải khớp với giá trị KV động cơ và môi trường sử dụng

Giá trị KV xác định số lượng pin S bạn nên sử dụng (1S=3.7 V) . Chọn điện áp pin sai sẽ dẫn đến lực đẩy hoặc quá tải không đủ và quá tải .

Phạm vi KV	Số pin được đề xuất	Đề xuất ứng dụng
800–1000kV	6S ~ 8S	Nhiếp ảnh/khảo sát trên không quy mô lớn và quy mô lớn
1300–1500kv	4S ~ 6S	Nền tảng đa cánh quạt
1800kV trở lên	4S ~ 6S	Đua xe FPV, máy bay hạng nhẹ

 

ví dụ:

Động cơ VSD 4720, 420kV → 6s ~ 8s được đề xuất

Động cơ VSD 2808, 1500kV → 6s được đề xuất

Động cơ VSD 2306, 2400kV → 4S hoặc 6S được đề xuất (tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ)

 

3. Kích thước chân vịt ảnh hưởng đến hiệu quả lực đẩy và tải hệ thống

Kích thước cánh quạt càng lớn, mô-men xoắn và lực đẩy càng lớn, nhưng gánh nặng lên ESC và động cơ càng lớn. Nên chọn loại cánh quạt phù hợp dựa trên dữ liệu thử nghiệm do nhà sản xuất cung cấp.

 

Kết hợp với vỏ động cơ VSD, việc lựa chọn hệ thống lực đẩy và hỗ trợ sẽ nhanh chóng được hoàn tất.

Trong các phần trước, chúng tôi đã giải thích định nghĩa về lực đẩy, phương pháp tính toán, mối quan hệ điện áp-dòng điện và cách lựa chọn ESC và pin. Bây giờ, chúng tôi sẽ sử dụng dữ liệu thực tế của động cơ drone VSD để minh họa cho bạn một logic lựa chọn thực tế.

 

Sau đây là một số mô hình điển hình của các đề xuất lựa chọn phù hợp, phù hợp cho các kịch bản chuyến bay khác nhau từ máy bay không người lái xuyên quốc gia nhẹ đến đa lượt lớn:

Mô hình động cơ	Giá trị KV	Khuyến nghị điện áp	Lực đẩy tối đa	Giới thiệu lưỡi vịt	Đề xuất ESC hiện tại	Kịch bản áp dụng
2306 Động cơ máy bay không người lái	1800–2400kv	4S~6S	1683g	5×4.3×3 chân vịt ba lưỡi	Lớn hơn hoặc bằng40A	FPV Racing/ Drone
2808 Động cơ máy bay không người lái	1300–1950kv	6S	2910g	7-9 inch chân vịt	Lớn hơn hoặc bằng45A	Cuộc đua vừa/ Đa tải tải nhỏ
Động cơ máy bay không người lái 2207	1960kv	6S	1702g	Chân vịt 5 inch	Lớn hơn hoặc bằng40A	Đua máy bay không người lái
Động cơ máy bay không người lái 3115	900–1520kv	6S~8S	4185g	13×6.5 chân vịt	Lớn hơn hoặc bằng60A	Chụp ảnh trên không/máy bay không người lái trinh sát
Động cơ máy bay không người lái 2812	900kv	6S	2710g	10-12 inch chân vịt	Lớn hơn hoặc bằng50A	Nhiếp ảnh hàng không tải trung bình/nền tảng chuyến bay công nghiệp
2807 Động cơ máy bay không người lái	1350–1750kv	4S~6S	2728g	6-8 inch chân vịt	Lớn hơn hoặc bằng50A	Nền tảng đa lực / linh hoạt khả năng cơ động cao
4720 Động cơ máy bay không người lái	420kV	6S~8S	7232g	15×7×3 hoặc 13×9×3	Lớn hơn hoặc bằng80~100A	Khảo sát trên không trung bình và lớn
5315 Động cơ máy bay không người lái	380kv	6S~12S	9034g	18×5.5 chân vịt	Lớn hơn hoặc bằng100A	Nền tảng phân phối/tải trọng tải trọng cấp công nghiệp

 

Lưu ý: Giá trị dòng ESC trong bảng được khuyến nghị lớn hơn hoặc bằng với dòng động cơ tối đa × 1 . 2 ~ 1.5. Kích thước chân vịt được khuyến nghị dựa trên hiệu suất kiểm tra .

 

Mẹo lựa chọn nhắc nhở:

 

Nếu bạn lo lắng về tuổi thọ pin, bạn nên ưu tiên kết hợp KV thấp + chân vịt lớn;

 

Nếu bạn đang tìm kiếm sức mạnh bùng nổ hoặc phản ứng nhanh, lựa chọn KV cao + chân vịt nhỏ sẽ linh hoạt hơn;

 

Nên sử dụng pin có tốc độ dòng điện C cao để tránh hiện tượng nghẽn dòng ảnh hưởng đến hiệu suất lực đẩy.

 

Bộ điều khiển điện tử (ESC) cần có đủ dòng điện để tránh bị cháy do tải nặng trong thời gian dài.

 

Tại VSD, chúng tôi đã cung cấp dữ liệu thử nghiệm đầy đủ và các khuyến nghị hỗ trợ cho từng mẫu máy để giúp bạn nhanh chóng hoàn tất việc lựa chọn hệ thống điện và giảm chi phí thử nghiệm và sai sót.

 

Để biết bảng dữ liệu chi tiết, đường cong hiệu suất lực đẩy hoặc khuyến nghị hệ thống điện tùy chỉnh, vui lòng liên hệ với đội ngũ của chúng tôi. Chúng tôi cung cấp hỗ trợ toàn diện cho khách hàng OEM/ODM - từ tư vấn thiết kế đến sản xuất hàng loạt. Chúng tôi cung cấp hỗ trợ trọn gói từ việc kết hợp giải pháp đến sản xuất hàng loạt cho khách hàng OEM/ODM.