Bezjadrové motory vs. inrunner/outrunner: mapy účinnosti a termika

Prečo porovnávať bezjadrové, inrunner a outrunner motory v dronoch

Voľba elektromotora zásadne ovplyvňuje letový čas, ovládateľnosť aj spoľahlivosť dronu. V praxi sa používajú tri architektúry: bezjadrové (coreless), inrunner a outrunner bezkomutátorové motory. Každá z nich má iný profil strát, teplotné správanie, mapu účinnosti a priradené prevádzkové „sweet spoty“. Tento článok systematicky porovnáva ich mechaniku, elektromagnetiku, mapy účinnosti a termiku s dôrazom na drony – od mikrokoptér po ťažšie multirotory a VTOL platformy.

Terminológia a kinematika: čo sa točí a kde je magnetický obvod

• Bezjadrový (coreless): vinutie tvorí samonosnú „korbovú“ cievku bez železného jadra; magnetický tok uzatvárajú permanentné magnety a vzduchová medzera. Často brushed v mikrodronoch (Tiny Whoop), existujú aj brushless coreless varianty pre špecifické aplikácie.
• Inrunner (BLDC): rotor s magnetmi vo vnútri; stator s plechovaným jadrom je zvonka. Typicky vysoké otáčky, nižší krútiaci moment na objem; často spárované s prevodom alebo malou vrtuľou.
• Outrunner (BLDC): rotor je zvon s magnetmi zvonka; stator je v strede. Vyšší krútiaci moment pri nižších otáčkach, ideálne pre priame pohony vrtúľ bez prevodu – štandard pri FPV a multirotoroch.

Elektromagnetické parametre: Kv, Kt, odpor a medzera

• Konštanta rýchlosti (Kv) [RPM/V]: vyššie Kv → vyššie otáčky na volt, nižší krútiaci moment na ampér.
• Konštanta momentu (Kt) [N·m/A]: Kt ≈ 60/(2π·Kv) (pri vhodných jednotkách). Väčšie Kt uľahčuje pohon veľkých vrtúľ.
• Vnútorný odpor (R): určuje medené straty P_Cu = I²R; bezjadrové cievky majú často vyšší R na jednotku momentu.
• Železné straty (hysterézia + vírivé prúdy): v plechovanom jadre rastú s frekvenciou (otáčky) a amplitúdou toku. Bezjadrové konštrukcie ich prakticky eliminujú.
• Vzduchová medzera: väčšia medzera znižuje permeabilitu obvodu → menší tok → viac ampérov na rovnaký moment.

Mapa účinnosti: definícia, osi a ako ju čítať

Mapa účinnosti je 2D plocha, kde os x býva otáčky (RPM) alebo mechanický výkon a os y moment (alebo prúd). Každý bod zobrazuje účinnosť η = P_mech / P_elektr. Izokontúry (napr. 70 %, 80 %, 90 %) odhaľujú, kde motor pracuje „najľahšie“ z hľadiska strát. Pre drony do mapy prenášame aj krivku požiadaviek vrtule M = k · ω² a hľadáme prienik s najvyššou η pri požadovanom ťahu.

Typické profily účinnosti podľa architektúry

• Bezjadrové: najlepšie η pri nižšom momente a stredných až vyšších otáčkach; absencia železných strát pomáha pri čiastočnom zaťažení. Limitom je hustota momentu a ohrievanie medenými stratami.
• Inrunner: vrchol η často vo vyšších RPM a strednom momente; na vrtule bez prevodu sa ťažšie triafa optimálny bod – výhodné pre duktované malé vrtule alebo s prevodom.
• Outrunner: plošne širšie „ostrovy“ vysokej η v oblasti nižších RPM a vyšších momentov – ideálne pre priame pohony väčších vrtúľ.

Straty a ich škálovanie: kde sa energia stráca

• Medené straty I²R: rastú kvadraticky s prúdom; významné pri zrýchľovaní a manévroch.
• Železné straty: približne P_Fe ≈ k_h·f·Bⁿ + k_e·f²·B²; v coreless takmer nulové.
• Mechanické straty: ložiská a aerodynamika rotora; rastú s RPM.
• Spínacie straty ESC: rýchle PWM pri vysokom prúde a napätí; zlepšuje ich vyššie napätie a nižší prúd pri rovnakej moci.

Termika: od tepelného zdroja k okoliu

Teplotný model motora a okolia možno aproximovať RC sieťou: C_th (tepelná kapacita) a R_th (tepelný odpor). Rovnica bilancie:

C_th · dT/dt = P_straty − (T − T_amb)/R_th.

• Bezjadrové: medené vinutie je zlepené lakom/pryskyricou; horší tepelný most k telu → vyšší R_th. Rýchlo sa ohrejú, rýchlo aj vychladnú (malé C_th), no ľahko prekročia limity izolácie.
• Inrunner: teplo sa tvorí v statore pevne spojenom s telom; lepší odvod tepla cez plášť, horšie ofukované rotorom.
• Outrunner: rotor je zvon, stator v strede spojený s nosníkom; ofuk vrtuľou pomáha, no teplo musí prejsť cez stredový nosník. Pri kontinuálnom ťahu sa ohreje „jadro“ a teplota stúpa pomalšie, ale vytrvalo.

Teplotné limity a derating

• Magnety: N52/N48 neodým okolo 80–100 °C začína strácať remanenciu; vysokoteplotné triedy (H, SH) zvládnu viac, ale za cenu momentu.
• Izolácia vinutia: triedy 155–200 °C; dlhodobý pobyt nad 120 °C urýchľuje degradáciu laku a skracuje životnosť.
• Ložiská: mazivo degraduje nad 100 °C; vibrácie a prach znižujú životnosť skôr než teplo.

Meranie a zostrojenie mapy účinnosti v dielenských podmienkach

1. Stend: pevný držiak motora, kalibrovaný load cell (ťah/krútiaci moment), optický tachometer alebo telemetria ESC, prúdový a napäťový snímač.
2. Skúšobná matica: skenujte RPM (alebo PWM duty/frekvenciu) a záťaž (rôzne vrtule/uhly stúpania). Pre každý bod merajte U, I, RPM, T, ťah.
3. Výpočty: P_elektr = U·I, P_mech = M·ω; η = P_mech/P_elektr. Z bodov vytvorte kontúry účinnosti.
4. Teplotný profil: pre frekventované body držte záťaž 60–120 s, sledujte stabilizáciu T a urobte derating krivku (max. prúd vs. T_amb).

Bezjadrové motory v dronoch: kde dávajú zmysel

• Ultraľahké mikrodrony (1–2″): krátke lety, nízka zotrvačnosť, výborná odozva; obmedzený ťah a vyššie I²R pri vyššom zaťažení.
• Vysoká manévrovateľnosť pri nízkych momentoch: eliminácia železných strát zlepšuje účinnosť v „idle“ a pri jemnom polohovaní (cinewhoop indoor).
• Limity: pri dlhšom plnom plyne sa rýchlo prehrievajú; slabší tepelný most do rámu, vyššia závislosť od ofuku.

Inrunner: nižšia hmotnosť rotora, vysoké RPM

• Vysoké Kv motory vhodné pre malé duktované vrtule alebo s prevodom; dobré pre dlhé horizontálne lety s menším vrtuľovým diskom.
• Výhody: presné riadenie, menšie vibračné momenty; dobrý odvod tepla cez plášť.
• Nevýhody: potreba vyšších otáčok (vyšší hluk), užšie pásmo vysokej η bez prevodu.

Outrunner: vysoký moment „od prírody“

• Priamy pohon 3–12″ vrtúľ; široké pásmo vysokej účinnosti v oblasti požiadaviek typickej vrtule (M ~ ω²).
• Výhody: jednoduché, lacné, účinné; dobrá kompatibilita s ESC v otvorenej slučke (FOC/PWM).
• Nevýhody: väčšia čelná plocha a moment zotrvačnosti rotora; pri kolíziách vyššie riziko poškodenia zvona/magnetov.

Spárovanie s vrtuľou: preklad mapy motora do mapy pohonu

1. Krivka vrtule (ťah a moment vs. RPM) sa prekreslí do rovnakých osí ako mapa motora.
2. Prevádzkový bod je prienikom krivky vrtule a charakteristiky motora pri danom napätí a ESC riadení.
3. Optimalizácia: zvoľte priemer/stúpanie tak, aby väčšina letu (kruiz ~ 40–70 % plynu) prebiehala v kontúrach vysokej η a zároveň s teplotnou rezervou.

ESC a riadenie: vplyv na účinnosť a teplo

• FOC vs. trapézové/pseudo-sínusové PWM: FOC znižuje pulzačný moment a akustiku, často mierne zvyšuje η a znižuje teplo v medzných bodoch.
• Spínacia frekvencia: príliš nízka zvyšuje straty v mede (prúdové zvlnenie), príliš vysoká zvyšuje straty v ESC; hľadajte optimum podľa prúdu a napätia.
• Napätie vs. prúd: vyššie napätie a nižší prúd pre tú istú mechanickú moc znižujú I²R, ale dbajte na limity ESC a izolácie.

Praktické príklady dimenzovania

• 3″ cinewhoop indoor: nízky disk loading, prioritná jemnosť riadenia a nízky šum. Outrunner 1104–1106 s nižším Kv alebo coreless pre extrémne ľahké platformy; mapy ukážu optimá pri 30–60 % plynu. Teplotná rezerva min. 20 °C.
• 5″ FPV freestyle: krátke špičky prúdu, veľké dynamické zmeny. Outrunner 2207–2306, vyššie Kv; kontrolujte prúdy pri punch-out, aby η neklesla pod 70 % a teplota neprekročila 100 °C po 60 s záťaže.
• VTOL prieskumný dron: krúzový režim preferuje inrunner s prevodom alebo nízko-Kv outrunner s väčšou vrtuľou; mapa ukáže „ostrov“ η > 85 % pri krúzovej moci a miernom momente.

Konštrukčné zásahy pre lepšiu termiku

• Vetracie otvory a kanály v ramene k ofuku statora.
• Tepelné mosty: kovové dištančné vložky medzi statorom a ramenom rámu.
• Povrch: tmavšie eloxovanie pomáha sálaniu; zmysluplné najmä pri nízkom prietoku vzduchu.
• Telemetria: NTC na statore, monitorovanie prúdu a napätia; softvérový derating pri prekročení teploty.

Hmotnosť rotora vs. ovládateľnosť

Zotrvačnosť rotora J ovplyvňuje odozvu plynu. Outrunnery majú vyššie J (viac hmoty ďalej od osi), čo zlepšuje plynulosť, ale spomaľuje prudké zmeny. Inrunnery/bezjadrové majú nižšie J → rýchlejšia odozva, no väčšie zvlnenie a citlivosť na riadiace špičky.

Akustika a vibrácie

• Bezjadrové: veľmi hladký chod pri nízkych momentoch; pri vyššom prúde rastie elektromagnetický brum kvôli väčšiemu zvlneniu prúdu.
• Inrunner: vyššie frekvencie zvuku (vyššie RPM), relatívne ľahko tlmiteľné pena/krytmi.
• Outrunner: nižšia dominantná frekvencia; kvalita vyváženia zvona kritická pre IMU/noise.

Checklist pre výber a validáciu motora

1. Definujte ťah pri krúze a max. ťah na rotore; vyberte priemer/stúpanie vrtule.
2. Predvyberte motory podľa Kv a Kt, ktoré posúvajú prevádzkový bod do ostrova vysokej účinnosti na mape.
3. Skontrolujte teplotnú rezervu pri 60–120 s záťaži; nastavte derating v softvéri ESC.
4. Vyhodnoťte zotrvačnosť rotora vs. požadovanú ovládateľnosť.
5. Overte akustiku a vibrácie (spektrum z IMU, notch filtre, vyváženie).

Tabuľkové porovnanie: stručný prehľad plusov a mínusov

Najčastejšie chyby pri interpretácii máp účinnosti

• Ignorovanie teploty: mapa pri 25 °C neplatí pri 90 °C (R stúpa, magnety slabnú).
• Zamieňanie η motora a η pohonnej vetvy: zahrňte ESC a káble; rozdiel 3–8 % je bežný.
• Výber podľa max. ťahu namiesto dominantného profilu letu.
• Nesprávne Kv k napätiu: príliš vysoké Kv posunie prevádzku do nízkej η a horúcej oblasti.

Mapy a termika ako dvojitý kompas návrhu

Správny výber motora pre dron nie je len o papierovom ťahu. Kľúčom je prienik mapy účinnosti s krivkou vrtule v režimoch, kde trávite väčšinu letu, a teplotná udržateľnosť týchto bodov v reálnych podmienkach. Bezjadrové motory excelujú v ultraľahkých platformách s nízkym momentom, inrunnery v aplikáciách s vysokými otáčkami a outrunnery zostávajú univerzálnou voľbou pre priame vrtuľové pohony. Keď k týmto mapám pridáte disciplinované termálne testy a správne nastavené ESC, získate pohon, ktorý je nielen rýchly a efektívny, ale aj dlhodobo spoľahlivý.