Перейти к содержимому
2

80. Электрическая силовая установка: мотор–ESC–АКБ–винт #

Электрическая установка — батарея, регулятор (ESC), бесколлекторный мотор (BLDC) и винт — это 90 % массы электрического БПЛА и вся его динамика. Здесь — как устроена цепь «аккумулятор → ESC → мотор → винт», где теряется мощность, как считается индуктивная мощность висения \((P = T\cdot \sqrt{\frac{T}{2\rho A}}) \), как подбираются мотор (KV), ESC (ток), батарея (конфигурация, C-rate, просадка) и винт (диаметр, кромка 0,7 Маха). Статья — расчётный инструментарий электрики: после неё мультиротор собирается «по числам», а не «по каталогу».

Содержание

1. Цели статьи

Справочник по электрической силовой установке БПЛА: расчёт и подбор мотора, ESC, батареи и винта. Материал рассчитан на инженера, который собирает мультиротор или электрический крылатый БПЛА и должен подбирать комплектующие по расчёту, а не по «совместимости из магазина».

  • Считать индуктивную мощность висения \(P_{инд} = T\cdot \sqrt{\frac{T}{2\rho A}} \) и ток батареи в висе/полёте.
  • Подбирать мотор (KV под винт и напряжение) и ESC (ток с запасом 1,3–1,5).
  • Подбирать батарею: конфигурация S/P, C-rate, просадка напряжения под нагрузкой, масса.
  • Подбирать винт: диаметр и шаг под обороты, скорость кромки меньше 0,7 Маха.
  • Считывать каталоги: что означают KV, C, ток и «тяга в граммах».
Позиция в категории 8. 79 — рамка выбора (зачем электрика), 80 (здесь) — расчёт электрики, 81–83 — ДВС и турбины (для сравнения), 84–85 — топлива/масла. Аэродинамика винта (полярные) — категория 2 (статьи 20–25).
↑ К оглавлению

2. Глоссарий величин

Полный перечень величин с единицами измерения.

ВеличинаОбозначениеЕдиницыТипичные значения
Константа оборотов мотораKVоб/мин на 1 В500–2500 (5–10")
Частота вращенияnоб/минn = KV·Vбат (холостой)
Ток (средний/пиковый)IАвис 10–50; разгон 50–200
Напряжение батареиVВ11,1 (3S) / 14,8 (4S) / 22,2 (6S)
Внутреннее сопротивление батареиRвнутрмОм3S: 10–25; 6S: 8–20
Просадка напряженияΔVВΔV = I·Rвнутр
Относительный разряд (C-rate)CC (раз в ёмкость)батарея 15–65C; полёт 3–10C
Энергия батареиEВт·чE = Vном·Ah
Тяга (вес в висе)TНT = m·g
Площадь диска ротораAм²5" винт: 0,0127 м²
КПД (мотор, ESC, винт)ηбезразмерный0,7 / 0,96 / 0,5–0,7
↑ К оглавлению

3. Схема установки и потери мощности

Цепь: батарея → ESC (регулятор) → мотор (BLDC) → винт. [Бесколлекторный двигатель — Brushless_dc_motor (рисунок — Wikipedia) / Вентильный двигатель] Каждый звено берёт свою долю:

ЗвеноКПД (тип.)Что теряет
Батарея (химия → клеммы)90–95 %внутреннее сопротивление (нагрев при токе)
ESC95–97 %ключи MOSFET, дроссель (при DShot/BLHeli)
Мотор70–90 %обмотки (I²R), магниты, подшипники
Винт (электрика → воздушный поток)50–70 %срыв на кромках, вихри, неидеальный поток

Итоговый КПД «клеммы батареи → полезная тяга» — 40–60 % в висе. Остальное — тепло (мотор, ESC, батарея) и «просто» унесённый вниз поток воздуха (индуктивные потери — фундаментальный минимум, статья ниже). Поэтому расчёт начинается не с «мотора ватт на 3000», а с индуктивной мощности висения.

↑ К оглавлению

4. Мотор и индуктивная мощность

Индуктивная мощность висения. Минимальная (идеальная) мощность, нужная, чтобы удержать тягу T на площади A дисков (теория аксиального потока):

Pид = T·√(T/(2·ρ·A))

где T (Н) — суммарная тяга (в висе = m·g), A (м²) — суммарная площадь дисков всех роторов, \(\rho = 1{,}2\ \text{кг/м}^{3} \). Это «физический минимум»: реальный расход батареи = Pид/(η_мотор·η_ESC·η_батарея) — в 1,5–2,5 раза больше (задача 1).

BLDC-мотор. Характеристики: KV (об/мин на вольт) — определяет обороты \(n \approx KV\cdot V_{бат} \) (холостой); мощность (пиковая/средняя); тяга на винте. Подбор: KV под винт — больший винт требует меньших оборотов (меньше KV), меньший винт — больше KV. Правило: винт 5" — KV 1200–2000 (3S/4S); винт 7–10" — KV 500–1000 (4S/6S); винт 12"+ — KV 200–600 (6S+).

Ток мотора. Средний ток виса: \(I = \frac{P_{бат}}{V_{бат}} \). Пиковый (разгон, рывок) — в 1,5–2,5 раза выше среднего. Оба значения — вход для ESC и батареи.

↑ К оглавлению

5. ESC и аккумулятор

ESC (регулятор). [Регулятор оборотов — Electronic_speed_controller / Электронный регулятор хода] Выбирается по току: \(I_{ESC} \geq 1 \),3–1,5·Iпик мотора (запас на кратковременные перегрузки и нагрев). BEC (встроенный стабилизатор) питает автопилот и электронику: 5 В, 2–3 А (для тяжёлых — отдельный BEC 5–6 А). Протокол управления: PPM/SBUS (классика), DShot (цифровой, точнее, без шумов на силовых проводах).

Аккумулятор (LiPo/Li-ion). [Литий-полимерный аккумулятор — Lithium_polymer_battery / Литий-полимерный аккумулятор] Конфигурация S (сериальные ячейки — напряжение) × P (параллельные — ёмкость): 6S2P = 22,2 В, удвоенная ёмкость. Параметры:

  • Напряжение: \(V_{ном} = 3{,}7\cdot S \) (номинал ячейки 3,7 В; полное 4,2; рабочее 3,5–3,8).
  • Энергия: \(E = V_{ном}\cdot Ah (\text{Вт·ч}) \). Масса: ~150–200 Вт·ч/кг (LiPo), 150–250 (Li-ion 21700).
  • C-rate: максимальный ток = Cбатареи·Ah. Для полёта нужно: \(I_{пик} \leq 0 \),7–0,8·Cбатареи·Ah (запас).
  • Просадка (sag): под нагрузкой напряжение падает: \(V_{раб} = V_{ном} - I\cdot R_{внутр} \). Если просадка уводит напряжение ниже 3,3 В/ячейку — срабатывает защита (или «провал» в полёте). Расчёт — задача 2.
Батарея — узкое место по времени. Мотор и ESC «вечно», а батарея — 200–500 циклов (LiPo) и −10–20 % ёмкости к концу жизни (статья 36). Расчёт времени полёта — от фактической ёмкости «сегодня», а не от «купленной». Цикл — полный разряд до 20 %; хранение — 3,8–3,85 В/ячейка.
↑ К оглавлению

6. Винт

Винт превращает крутящий момент в тягу. [Винт — Propeller (рисунок — Wikipedia) / Лопастной винт] Обозначение D×P (диаметр × шаг, в дюймах): 5×4,3 — диаметр 5", шаг 4,3".

Скорость кромки. \(v_{кромки} = \pi\cdot D\cdot \frac{n}{60} (\text{м/с}) \). Ограничение: v_кромки меньше 0,7·a (\(a = 340\ \text{м/с} \), скорость звука) — выше начинается срыв на кромках, рост шума и падение КПД (задача 4).

Подбор винта:

  • Больше диаметр — выше КПД (больше воздуха, меньше скорости потока), ниже обороты, тише. Ограничение — габариты и масса.
  • Больше шаг — «быстрее винт»: больше тяга на оборот, но выше ток и меньший КПД в висе. Шаг подбирается под KV и напряжение: типично — 50–100 % диаметра (5×4,3; 7×5; 10×7).
  • Проверка по оборотам: \(n_{холостой} = KV\cdot V_{бат} \); под нагрузкой на 15–30 % ниже; кромка при n_рабочем — меньше 0,7 Маха.
  • Балансировка: небалансировка винта — источник вибрации (статья 67) и износа подшипников: новые винты взвешивать, погнутые — в брак.
↑ К оглавлению

7. Практика: типовые задачи

Задача 1. Индуктивная мощность висения

Задача. Мультиротор \(m = 2\ \text{кг} \), 4 ротора с винтами 5" \((D = 127\ \text{мм}) \). Определить идеальную индуктивную мощность висения, реальную мощность на клеммах батареи (\(\eta_{мотор} = 0{,}7 \), \(\eta_{ESC} = 0{,}96 \), \(\eta_{батареи} = 0{,}95 \)) и ток батареи (6S, 22,2 В).

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Массаm = 2 кг, T = 19,62 Н
Роторов4, D = 0,127 м
ρ1,2 кг/м³
КПД0,7 / 0,96 / 0,95
Vбат22,2 В

Искомые параметры: Pид (Вт); Pбат (Вт); Iбат (А).

Решение.

  1. A1 = π·(0,127/2)² = 0,01267 м²; \(A_{сум} = 4\cdot 0{,}01267 = 0{,}0507\ \text{м}^{2} \).
  2. Pид = T·√(T/(2ρA)) = 19,62·√(19,62/(2·1,2·0,0507)) = 19,62·√161,2 = 249 Вт.
  3. Pбат = 249/(0,7·0,96·0,95) = 249/0,638 = 390 Вт.
  4. Iбат = 390/22,2 = 17,6 А.
Ответ: \(P_{ид} = 249\ \text{Вт} \); \(P_{бат} = 390\ \text{Вт} \) (в 1,57 раза больше минимума); \(I_{бат} = 17{,}6\ \text{А} \) в висе.

Вывод. 2-килограммовый квадрокоптер с 5" винтами жрёт ~18 А в висе — это \(18\cdot 22{,}2 = 390\ \text{Вт} \). Для батареи 6S 5 Ач (111 Вт·ч) время виса: \(\frac{111}{390} = 17\ \text{мин} \) (теоретически; паспортное 10–12 с учётом манёвров). Большие винты (7") снизили бы Pид на ~25–30 %.

Задача 2. Просадка напряжения

Задача. Батарея 6S 5000 мАч, \(R_{внутр} = 20\ \text{мОм} \). Ток разгона \(I = 30\ \text{А} \). Определить просадку, рабочее напряжение и напряжение на ячейке; время полёта при \(P_{ср} = 666\ \text{Вт} (E = 111\ \text{Вт·ч}) \).

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Vном22,2 В
Rвнутр20 мОм = 0,02 Ом
I30 А
E111 Вт·ч

Искомые параметры: ΔV (В); Vраб; Vяч (В); t (мин).

Решение.

  1. ΔV = I·Rвнутр = 30·0,02 = 0,6 В.
  2. Vраб = 22,2 − 0,6 = 21,6 В; на ячейку: \(\frac{21{,}6}{6} = 3{,}6\ \text{В} \) — выше порога 3,3 В: OK.
  3. t = E/Pср = 111/666 = 0,167 ч = 10 мин.
Ответ: \(\Delta V = 0{,}6\ \text{В} \); 3,6 В/ячейку (безопасно); \(t = 10\ \text{мин} \) при 666 Вт.

Вывод. Просадка 0,6 В на 30 А — норма \((R = 20\ \text{мОм}) \). У старой батареи R растёт до 40–60 мОм: \(\Delta V = 1 \),2–1,8 В — уже на пороге защиты. Батарея с высоким Rвнутр «проваливается» в разгоне даже при полной ёмкости.

Задача 3. Подбор ESC

Задача. Мотор: средний ток 30 А, пиковый (разгон/рывок) 45 А. Автопилот + камеры: 2 А на 5 В. Подобрать ESC и BEC.

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Iср30 А
Iпик45 А
Электроника2 А @ 5 В

Искомые параметры: IESC; BEC.

Решение.

  1. IESC ≥ 1,3·45 = 58,5 А → выбираем ESC 60 А (пиковый кратковременно до 75 А — стандарт).
  2. BEC: встроенный 5 В / 3–5 А (2 А автопилот + камеры с запасом).
Ответ: ESC 60 А (пик 75 А); BEC 5 В / 3–5 А.

Вывод. ESC на пиковый ток мотора + 20–30 %: 45 А пик → 60 А. ESC, подобранный «на пределе» (45 А), перегреется в серии разгонов — деградация ключей, срыв в полёте.

Задача 4. Обороты и скорость кромки

Задача. Мотор 2207 KV 1750, батарея 4S (14,8 В), винт \(5\times 4{,}3 (D = 127\ \text{мм}) \). Под нагрузкой мотор развивает 22 000 об/мин. Определить скорость кромки и сравнить с 0,7 Маха \((a = 340\ \text{м/с}) \).

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
KV × Vбат1750 × 14,8 = 25 900 об/мин (холостой)
n_рабочий22 000 об/мин
D0,127 м
a340 м/с

Искомые параметры: v_кромки (м/с); доля от 0,7 Маха.

Решение.

  1. n = 22 000 об/мин = 366,7 об/с.
  2. v_кромки = π·D·n = π·0,127·366,7 = 146 м/с.
  3. 0,7·a = 238 м/с; 146/238 = 0,61 — меньше 1: OK.
Ответ: \(v_{кромки} = 146\ \text{м/с} \) (0,43 Маха) — в пределах нормы (меньше 0,7 Маха = 238 м/с).

Вывод. 5" винт на 4S/KV 1750 — «тихая» рабочая точка. Винт 7" на том же моторе: кромка = π·0,178·366,7 ≈ 205 м/с (0,6 Маха) — ещё в норме, но запас меньше. Маленькие винты (3") на высоких KV — кромка ближе к пределу: шум и КПД страдают.

Задача 5. Конфигурация батареи

Задача. Мультиротор: \(P_{ср} = 600\ \text{Вт} \), время полёта 15 мин (запас 20 % учтём), пиковый ток 80 А. Подобрать конфигурацию батареи (LiPo, 175 Вт·ч/кг) и проверить C-rate.

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Pср600 Вт
t15 мин = 0,25 ч
Iпик80 А
Уд. ёмкость175 Вт·ч/кг

Искомые параметры: E (Вт·ч); конфигурация; масса (кг); C-rate проверка.

Решение.

  1. E = 600·0,25 = 150 Вт·ч; с 20 %: 180 Вт·ч.
  2. На 6S (22,2 В): \(Ah = \frac{180}{22{,}2} = 8{,}1 \) Ач → 6S 8000 мАч (177,6 Вт·ч).
  3. Масса: \(\frac{177{,}6}{175} = 1{,}0\ \text{кг} \).
  4. C-rate: \(\frac{I_{пик}}{Ah} = \frac{80}{8} = 10C \). Батарея 6S 8000 мАч обычно 25–45C: 10C меньше 0,7·25C — проходит.
Ответ: 6S 8000 мАч, ~1,0 кг; рабочий разряд 10C — в пределах безопасного (нужно 25C+).

Вывод. Конфигурация «S — под напряжение мотора, P/ёмкость — под время и ток». 6S 8000 — тяжёлая батарея (1 кг из ~3 кг БПЛА): если время можно сократить до 10 мин — 6S 5000 (0,75 кг) экономит 250 г.

↑ К оглавлению

8. Чек-лист самопроверки знаний

Отметьте пункты, которые вы действительно понимаете и можете применить без подсказок.

✓НавыкПроверка
Pид = T·√(T/(2ρA))физический минимум висения; реальный ×1,5–2,5 (КПД).
n_холостой = KV·Vбатпод нагрузкой −15–30 %.
ESC ≥ 1,3·IпикBEC 5 В / 3–5 А.
Просадка напряженияΔV = I·Rвнутр, меньше 3,3 В/ячейку — защита; у старой батареи R ×2–3.
Винткромка меньше 0,7 Маха; шаг 50–100 % диаметра.
Батарея — узкое место по времени200–500 циклов, −10–20 % к концу жизни.
↑ К оглавлению

9. Источники

  1. Wikipedia, «Brushless DC motor» — BLDC-моторы. en.wikipedia.org/wiki/Brushless_dc_motor / ru.wikipedia.org/wiki/Вентильный_двигатель (Вентильный двигатель) Brushless_DC_electric_motor
  2. Wikipedia, «Electronic speed controller» — регуляторы. en.wikipedia.org/wiki/Electronic_speed_controller / ru.wikipedia.org/wiki/Электронный_регулятор_хода (Электронный регулятор хода) Electronic_speed_control
  3. Wikipedia, «Propeller» — воздушные винты. en.wikipedia.org/wiki/Propeller / ru.wikipedia.org/wiki/Лопастной_винт (Лопастной винт)
  4. Wikipedia, «Lithium polymer battery» — LiPo-аккумуляторы. en.wikipedia.org/wiki/Lithium_polymer_battery / ru.wikipedia.org/wiki/Литий-полимерный_аккумулятор (Литий-полимерный аккумулятор)

Проверено: 05.09.2026.

↑ К оглавлению
  • мод. : Воскресенье, 13 сентября 2026