为什么要使用齿轮—无芯磁铁舵面驱动器[技术文档]

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外形尺寸的比较：Mueller的电磁舵面驱动器，CETO电磁舵面驱动器和Hitec的HS-50微型舵机，三个驱动器都使用推动连接控制舵面，Mueller驱动器是用于CETO内部的单元；都使用强磁的钕铁硼材料

磁铁更多的特性
　　电磁舵面驱动器已经发展了好几年。最著名的大概要数60年代由Ace R/C销售的Adams的舵面驱动器。更近的时间（早于90年代），我们看到微型电磁舵面驱动器的先锋：Phil Smith of Adrian, MI, George Potensky (CETO-Czech) and Fritz Mueller。
　　由Fritz Mueller制造并由Cloud 9销售的电磁舵面驱动器（我把它命名为BIRD，因为它直接做在方向舵上）已经有几年的历史。它是最轻量的并是最有效的。它的重量少于1g（！）并且不需要连接器，作为整个控制舵面的一部分。其他的电磁舵面驱动器，比如CETO，是远离控制舵面的。所以类似的方案需要一个连接控制杆，并且会给整个飞机增加些重量。
　　无论是连杆传动控制还是作为控制舵面的一部分，电磁舵面驱动器对除上述例子以外的也做出了的贡献；比较显著的有Baldwins-ville的Clarence Hurd, NY, (315) 635-6290, 和荷兰的Rick Ruijsink (distributed by David Lewis)。因此如果想要十分轻巧的控制方案，电磁舵面驱动器是一条可行的路子，现在，我们有诸多设计选择中的几个成果。
　　Meanwhile, Fritz Mueller提供给我们一些他自己设计版权的例子，是连杆控制布局的电磁舵面驱动器，正如上面显示的照片。它简单有一个线圈固定在一小片1/32英寸厚的夹板上，线圈中有一个微型的控制摇臂，这个摇臂连接到一个推/拉棒去控制舵面。因此它十分地小，整个单元的重量是1.5g-几乎两倍于BIRD的方案，因为它没有一个推/拉棒。但是它提供了更多的功率，更重，钕铁硼磁体和线圈一样是矩形的。
　　我们不知道Fritz 是否会量产这个小型的电磁舵面驱动器；这取决于我们了解的市场，如果有足够的数量，他会制作批量的。另外，在两个我们所搜索到最轻量级的舵面驱动器/控制舵面安排方案重，BIRD是最好的选择，它最简单，最容易安装，它固定在舵面的边缘仅仅需要用胶水（垂直或水平），并且两根导线通到控制信号源。就这么简单！
　　有人更喜欢远距离控制电磁舵面驱动器，因为它让尾舵看起来更真实。这是象真模型所必须处理的问题。因为它更需要外观和灵活。
　　在性能上，BIRD比较适合于小而轻的模型；这是它最优秀的原因。如果可以放宽一两克重量的要求，远距离控制电磁舵面驱动器也比较合适，但是更接近舵机的重量（WES-Technik），仅重2.5g。因此，在同等的重量上，电磁舵面驱动器会节约额外的重量，因为它的电流比较最轻的舵机来得低。电池的重量也是考虑的因素。BIRD和其他微型电磁舵面驱动器可以用两枚小型的932号碱性电池来带动，相反，即使最小的舵机则需要镍铬或镍氢电池，大约五倍的重量（2克对10克！）
　　在微型RC模型重，你所要考虑操作系统整体的重量比仅仅对付单个部分更重要。最后元件的组合统计出来后，其中包含折中的方法。

BIRD电磁舵面驱动器和左侧Fritz Mueller的比较。后者可以被安装到模型的前端，并由推/拉杆来连接方向舵。内建的方向舵驱动器实际上是十分轻巧的。
控制效能
　　没有比微型电磁舵面驱动器更适合于小型，轻量级模型的了，空速也决定了可以使用电磁舵面驱动器的飞机的大小。这些舵面驱动器明显地比马达驱动舵机的功率要低，不能指望它们去推动重和快的模型。但是它们可以控制少许大些，飞行十分缓慢的模型。作用在控制舵面上的气动力，随着空速的平方根而减小（在2mph时4g的力会减小到1mph的1g）。
　　舵面会因为它自身的重量而下垂，这至少产生两方面的害处。对于方向舵来说，当模型在进行一个坡度转弯时，下垂会增加额外的力——尽管很小——为了保证模型维持转弯或者增加了原本平坦的坡度。对于升降舵来说，这种效果相当于施加了推杆的微调，因此需要增加一些拉杆的动作。换句话说，这种后果必须矫正，否则模型会产生摇摆并需要更多的修正技巧。
　　气动平衡包括把一些控制面移动到铰链线之前。大约占10~20%的表面面积就足够了；超过这个比例反而达不到效果，并会引起舵面被气流锁定在最大偏转位置。经过静态和/或气动平衡后，一个控制地面也许由能力来控制比给出尺寸达50%的模型，或者由能力控制更快的模型，进而由能力让你在微风中飞行而不是仅能在无风天气飞行。
　　在大多数情况下——特别时在室内无风的环境中——电磁舵面驱动器的工作不需要任何修改，我的经验显示达到4盎司（113g）重的模型对电磁舵面驱动器不需要任何的技巧。我的5150模型（1951年设计，原型尺寸的50%）有23英寸（584mm）的翼展，2.5盎司(70g)的重量可以在过去的4年中在5~7mph（8~11.2km/h）的风速下飞行得很平稳。我猜测它的飞行速度是10mph（16km/h）。这对室内飞机来说太快了。但是它会在仅有方向舵的BIRD原型飞机上工作得很好。
　　经验也显示它比大多数人认为的正常控制模型所需要的力更小，会做出柔和的机动动作。除了非常快的和较重的油动引擎模型，当传统的比较稳定的模型（高翼台）仅需要的很小的舵面力量就可以产生效果。这并不等于说电磁舵面驱动器可以做特技飞行，但是许多小型模型的确不需要舵机的。
　　通常，一个小型的，慢速的，自由飞行的模型用电磁舵面驱动器是很容易控制的。模型的重力中心（CG）也是影响控制力的很重要的因素。一个重心在翼平均弦长前20%处的十分稳定的模型，所需要的控制力肯定比重心在40%处的要大。为了查明那类工作的更好，必须着眼于众多已知的成功地用电磁舵面驱动器控制的模型并和它们做得一样好。
　　电磁舵面驱动器的最后一个要点：它们可以以bang-bang方式（形容舵面摆动到最大位置的声音）、全行程控制方式、象脉冲比例的控制方式、和象平滑的，类似舵机的控制方式。它会给使用这种方式的模型产生些许的不同。可以由眼见的美妙景象给旁观者产生心理影响。bang-bang方式是最原始的，仅需要在遥控器上采用on/off按动开关就可以，需要的机载控制电路也十分简单，花费也最少。对于某些人来说，电磁舵面驱动器只有在平稳地接受遥控器控制杆的移动响应时才能被接受。
　　除此之外的选项才适合你的喜好，这些好的转变从一两年前开始改变。已有的选择产生可喜的效果；有更多的爱好者开始做相同的事情。微型RC飞行器开始令人兴奋起来，因为有许多的新改进有所突破，新的技术，新的产品等等。我发现不断地改进和解决问题会让我兴奋不已。这对于我来说相当于“修理”，这会让我始终保持每天向前看。于是，当又过了一个月后会有新的发现，我希望你和我一样喜爱它！

图：这是5150单方向舵RC模型，由John Worth 设计，23英寸的翼展，是他设计的1951 版本的一半大。用单通道CETO接收机，一个BIRD驱动器并由Brown B-100 CO2 motor. 驱动。这个模型重2.5盎司（70g）。

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无芯磁铁舵面驱动器的设计注意事项

自从HILMAR BENTERT几年前发明了无芯磁铁舵面驱动器后，还没有人可以超越他的这项设计：一小块磁铁在一个无芯线圈中摆动，和无芯马达（无刷电机）的工作原理相同。
　　最小的磁铁舵面驱动器产品重量是7.4克，后来，Gasparin做出了仅仅1g重的磁铁舵面驱动器，我按照他的思路做出了我自己的设计，后来被接受成为BIRD方向舵驱动器。但是Gaggl,Ruijsing和其他无芯磁铁舵面驱动器的专家们用一根连杆来连接方向舵面。这说明除了降低重量外还有更多的改进要做，包括在比例模型中保持不损害外观。
　　由线圈产生的电磁扭力和线圈匝数乘以电流的大小成正比（A x 角度，或者A.t）。无芯线圈所产生的磁场是微弱且离散的，这就要求永久磁铁必须是高磁强的——用钕铁硼的材料制造。这样的做法可以预见——在一个设计合理的驱动器中，线圈的重量要比磁铁重。
　　线圈必须尽量保持紧密，最重要的是，集中足够的电磁场。这就必须承载更多的电流只要它不会过热。41号线承载电流的容量，在数据表上的建议为11mA，但是，相同的电线，当他们用于敞开环境下时，可以承载4倍的容量，并且保持散热良好。另外，还有50%的机会在于线圈是间歇操作的。不过，当线圈在接近上限状态工作时，它需要谨慎地来选择正确的线圈，电池和驱动线路。在大多数情况下，避免达到极限是明智的选择。
　　表1中所列出的三种无芯磁铁舵面驱动器是基于正常电流的。1和2的例子用到了相同的磁铁，但线圈不一致。只有例2的35%的重量的线圈就可以产生它60%的转矩。在这里，微小的改变会产生十分大的效果。但是磁铁和线圈两者重量之间的重量比超过1:3.5的话不是合理的做法，有很多理由表明了这一点。BIRD磁铁舵面驱动器用到的最大比例，但是，产生的转矩只有1.3g，足以证明在如此之小的磁铁上增加转矩是十分困难的。
　　在比较例2和BIRD120舵面驱动器后，你会发现放大2.7倍的磁铁可以产生4倍的转矩。又证明，微小的改变会产生十分大的效果。
　　这些知识足够初学者开始研究，因为事实上并不需要过多的基础知识，如果在这个项目上进行更多的数学计算会有助于减少胡乱猜测。
　　例如，最小的线圈是例1，使用0.220W的功率来产生3.4g/cm的扭矩。，这大约是每0.65W/g，乘以5.3g/cm的转矩，在例2的情况下，大约是0.345W，那么在这个转矩下测量出的输出功率几乎有10个百分点的提高——0.374W。因此，显示出大线圈在降低其尺寸是所得到的功效。
　　10个百分点的损失解释如下：
l         　线圈的外层把它所产生的电磁场扩散到离磁铁更远的地方，这会减少两个磁场的交感作用。
l         　每增加一匝线圈，就会有更长的圆周尺寸，这意味这增加了导线的长度，和电阻，初此之外，更长的导线也增加了更多的线圈重量。
见表2，“Max”意味着这个线圈增加50%的负载。最后三项显示了转矩和三个设计基本要点之间的关系：设备的重量，消耗的电功率和电流x线圈匝数。
小型RC飞机第一要考虑的是重量，“转矩对重量”栏中显示了在半功率，例1和例2仅仅能举起它自身的重量：1cm的摇臂上。在全功率下会激增，BIRD会突然发作起来。
　　另外一个烦恼是功率的消耗：需要更大的电池组增加了系统的重量。下一栏中显示的例1和例2在低电流下一个非常高的转矩—功率比例。这是因为，你在低功耗下得到了更大的转矩，如果你使用更大驱动器。
　　最后一栏中确认所获得的转矩十分接近于“电流.匝数”的外形乘以磁铁的尺寸。
　　BIRD的2.8转矩——重量比对于小型设备来说是十分优秀的。但是图中低转矩对电流.匝数为0.037表示小磁铁只能产生有限的转矩，尽管当电流.匝数图已经到最大了。
　　注意：当用37号线来绕制例2时，会时40号线绕制的尺寸的两倍，这将要求减少一半的匝数来达到同样的线圈重量，因此同样的转矩要求一半的电压和两倍的电流。根据这个信息，你可以推算出自己的公式。同样地，在不使用计算尺和铜制表的情况下会很惊讶所绘制线圈数据图，因为AWG线圈尺寸的平方数是对数曲线。

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[这个贴子最后由vidct在 2003/05/25 08:53pm 编辑]

线圈用做舵机的控制原理
编者按：虽然Clarence Hurd已经把新的舵面驱动器带入了市场，如本文所示，我们更注意到作为一个行业惯例，另一个在以前的“设计概念”里所做到的平行系统的同一元素的设计先驱。比如Fritz Mueller已经制造并销售了舵面驱动器，作为实际应用，一个线圈固定机翼，并由可动磁体连接控制舵面的做法已经有5年的历史了。Cloud 9也已经承认了这些舵面驱动器并持续地销售他们。模型爱好者已经在一些模型上使用这些早期的系统很多年，与此紧密相连的各种电子系统包括老Albin Rx。同样感兴趣的，类似的舵面驱动器也已经在最近被法国队制造出来并用于10g飞行器（！）3通道室内电动遥控模型(我们正在探讨未来那些故事)。在某些场合，与这些项目有关的新的带有Sky Hooks & Rigging动态控制器的接收机是唯一全新的电子系统，值得报道。我们最近拍摄了描述Farman的录象片段。  
翼展：514mm，机翼面积5.67sq.dm，重量33.6g,电源：3.5mAh电池
2盎司室内飞机的第一报道：
由Markham Ontario Canada室内飞行器协会会长Jack McGillivray制造， 这是一个仿造1910年古董飞机的很小比例模型。Jack第一次表演Farman，见这些照片，是关于这个模型的静态细节照片。
在这种场合下，Jack用他自己的覆盖材料：开始的时候用“超级聚脂薄膜”，通常用于室内耐久飞行的模型，Jack轻轻地用田宫涂料在覆盖材料表面喷吐 ，这样就可以保证又薄又轻的涂料层，它的重量仅仅是0.0091盎司每100平方英寸（0.04g/sq.dm）当这些材料被用于飞机的时候，彩色的衬套被用于内部，防止色彩的破坏。

  
近观Sky Hooker，左边是接收机，右边是动态控制器 近观安装好的舵面驱动器
　 　
遥控器材微型舵机
在这个飞行系统中大多数令人兴奋的革新是全新型的比例舵面驱动器，或者是微型舵机，只有0.75g的重量，可以把舵面每一边最大移动30到40度的幅度。这个微行舵机和控制电路，由Clarence Hurd开发。接收机是重量1.9g的RX72-PRO，由Sky Hooks&Rigging制造。DUC(dynamics Unlimited controller)设备拾取SH&R接收机的脉冲电流，把信号转换成DC比例电流来推动线圈里的磁铁。线圈的举动和耳机中的线圈极其相似；他们推动和控制表面连接的细小磁铁。
控制表面的铰链由1/32英寸厚的黑色橡胶制作，控制面和固定面要间隔1/16英寸的距离（见示意图），为了使微型舵机达到最好的效果，就要对控制表面做好气动平衡。3/8英寸直径的控制线圈固定在固定面实际铰链线的中心。这套系统使用的细小磁铁，被固定在控制面上，因此，移动中心通过线圈。在舵面驱动器工作的时候不要使用磁钢和起子，因为磁铁的磁性十分强，会把导线弯曲到控制面内部去。



适合这套系统的接收机和控制系统花费近$240,或者使用分离器件的SH&R Dynamics Unlimited。


电源和马达
整个系统由2到3节50mAh的镍铬电池带动。我们推荐3节电池。正在实验用430mAh的锂电池做谨慎的实验，但是我们对实际中会产生什么没有预测。镍铬电池只能提供3分钟的飞行时间。
马达选用的使细小的Knight&Pridham KP00，驱动一个直径80mm（3 1/8英寸直径）的U-80螺旋桨，在模型协会里，KP00马达和螺旋桨，由Sky Hooks &Rigging 提供的价格使$21.95。

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现在通用的接收机可否驱动?如可以,制作这种驱动器在业余条件下应该不是很难的.