Motori Brushless: 7 Passi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Questa guida è una guida/panoramica della tecnologia del motore alla base dei moderni motori quadricotteri per appassionati. Solo per mostrarti di cosa sono capaci i quadricotteri, guarda questo fantastico video. (Guarda il volume. Diventa molto alto) Tutto il merito va all'editore originale del video.

Fase 1: Terminologia

La maggior parte dei motori brushless è solitamente descritta da due serie di numeri; come: Hyperlite 2207-1922KV. La prima serie di numeri si riferisce alla dimensione dello statore del motore in millimetri. Questo specifico statore del motore è largo 22 mm e alto 7 mm. I vecchi DJI Phantom usavano 2212 motori. Le dimensioni dello statore seguono solitamente un andamento:

Lo statore più alto consente prestazioni di fascia alta più elevate (gamme di giri più alte)

Lo statore più ampio consente prestazioni più elevate nella fascia bassa (gamme di giri inferiori)

La seconda serie di numeri è la valutazione KV per il motore. La valutazione KV del motore è la costante di velocità di quel motore specifico, il che significa sostanzialmente che il motore creerà un EMF posteriore di 1 V quando il motore viene fatto girare a quel numero di giri o girerà a un regime senza carico del KV quando viene applicato 1 V. Ad esempio: questo motore abbinato a un lipo 4S avrà un RPM nominale teorico di 1922x14,8 = 28, 446 RPM

In realtà, il motore potrebbe non raggiungere questa velocità teorica perché ci sono perdite meccaniche non lineari e perdite di potenza resistiva.

Fase 2: Fondamenti

Un motore elettrico sviluppa coppia alternando la polarità di elettromagneti rotanti fissati al rotore, la parte rotante della macchina, e magneti stazionari sullo statore che circonda il rotore. Uno o entrambi i set di magneti sono elettromagneti, costituiti da una bobina di filo avvolto attorno a un nucleo ferromagnetico. L'elettricità che scorre attraverso l'avvolgimento del filo crea il campo magnetico, fornendo la potenza che fa funzionare il motore.

Il numero di configurazione ti dice quanti elettromagneti ci sono sullo statore e il numero di magneti permanenti ci sono sul rotore. Il numero prima della lettera N indica il numero di elettromagneti presenti nello statore. Il numero prima della P mostra quanti magneti permanenti ci sono nel rotore. La maggior parte dei motori brushless outrunner seguono la configurazione 12N14P.

Passaggio 3: regolatore elettronico della velocità

Un ESC è il dispositivo che converte l'elettricità CC dalla batteria in CA. Prende anche i dati in ingresso dal controller di volo per modulare la velocità e la potenza del motore. Esistono più protocolli per questa comunicazione. I principali analogici sono: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 e Multishot. Ma questi sono diventati obsoleti per i quadricotteri con l'arrivo di nuovi protocolli digitali chiamati Dshot. Non ha nessuno dei problemi di calibrazione dei protocolli analogici. Poiché ci sono bit digitali inviati come informazioni, il segnale non viene interrotto dai campi magnetici mutevoli e dai picchi di tensione rispetto alla loro controparte. Dhsot non è molto più veloce di Multishot fino a DShot 1200 e 2400, che a questo punto possono essere eseguiti solo su pochi ESC. I veri vantaggi di Dshot sono principalmente la capacità di comunicazione bidirezionale, in particolare la capacità di inviare i dati della stanza all'FC per l'uso nella regolazione dei filtri dinamici e la capacità di fare cose come la modalità tartaruga (invertire temporaneamente gli ESC per capovolgere il quad se è bloccato sottosopra). Un ESC è composto principalmente da 6 mosfet, 2 per ogni fase del motore e un microcontrollore. Il mosfet sostanzialmente alterna l'inversione della polarità ad una certa frequenza per regolare i giri del motore. Gli ESC hanno una valutazione corrente in quanto questo è il massimo assorbimento di amperaggio che l'ESC può sostenere per lunghi periodi di tempo.

Fase 4: Efficienza

(Multi filo: motore viola a filo singolo: motore arancione)

Filo:

I fili a più fili possono contenere più volume di rame in una data area rispetto a un singolo filo spesso avvolto attorno allo statore, quindi l'intensità del campo magnetico è leggermente più forte ma l'assorbimento di potenza complessivo del motore è limitato a causa dei fili sottili (dato che il il motore a più fili è costruito senza avere alcun incrocio dei fili che è altamente improbabile a causa della qualità di produzione). Un filo più spesso può trasportare più corrente e sostenere una potenza maggiore rispetto a un motore a più fili ugualmente costruito. È più difficile costruire un motore a più fili correttamente costruito, quindi la maggior parte dei motori di qualità sono costruiti con un singolo filo (per ogni fase). I piccoli vantaggi del cablaggio multifilare sono facilmente superati dalla produzione e dalla progettazione mediocre, per non parlare del fatto che c'è molto più spazio per contrattempi se uno qualsiasi dei fili sottili si surriscalda o va in cortocircuito. Il cablaggio a filo singolo non presenta nessuno di questi problemi in quanto ha un limite di corrente molto più elevato e punti minimi di cortocircuito. Quindi, per affidabilità, coerenza ed efficienza, gli avvolgimenti a singolo filo sono i migliori per i motori brushless quadricotteri.

P. S. Uno dei motivi per cui i cavi a più fili sono peggiori per alcuni motori specifici è dovuto all'effetto pelle. L'effetto pelle è la tendenza di una corrente elettrica alternata a distribuirsi all'interno di un conduttore in modo tale che la densità di corrente sia maggiore vicino alla superficie del conduttore e diminuisca con una maggiore profondità nel conduttore. La profondità dell'effetto pelle varia con la frequenza. Alle alte frequenze la profondità della pelle diventa molto più piccola. (Per scopi industriali, il filo litz viene utilizzato per contrastare la maggiore resistenza CA dovuta all'effetto pelle e risparmiare denaro) Questo effetto di spellatura può far sì che gli elettroni saltino attraverso i fili all'interno di ciascun gruppo di bobine, cortocircuitandoli l'uno con l'altro. Questo effetto di solito si verifica quando il motore è bagnato o utilizza alte frequenze superiori a 60Hz. L'effetto di spellatura può causare correnti parassite che a loro volta creano punti caldi all'interno dell'avvolgimento. Questo è il motivo per cui l'utilizzo di un filo più piccolo non è l'ideale.

Temperatura:

I magneti permanenti al neodimio utilizzati per i motori brushless sono abbastanza potenti, di solito vanno da N48 a N52 in termini di forza magnetica (più alto è più forte N52 è il più forte per quanto ne so). I magneti al neodimio del tipo N perdono permanentemente parte della loro magnetizzazione ad una temperatura di 80 °C. I magneti con magnetizzazione N52 hanno una temperatura massima di esercizio di 65°C. Un vigoroso raffreddamento non danneggia i magneti al neodimio. Si consiglia di non surriscaldare mai i motori poiché anche il materiale isolante smaltato sugli avvolgimenti in rame ha un limite di temperatura e se si fondono, può causare un cortocircuito che fa bruciare il motore o, peggio ancora, il controller di volo. Una buona regola empirica è che se non riesci a tenere il motore per un periodo di tempo molto lungo dopo un breve volo di 1 o 2 minuti, probabilmente stai surriscaldando il motore e quella configurazione non sarà praticabile per un uso prolungato.

Passaggio 5: coppia

Proprio come esiste una costante di velocità del motore, esiste una costante di coppia. L'immagine sopra mostra la relazione tra la costante di coppia e la costante di velocità. Per trovare la coppia basta moltiplicare la costante di coppia per la corrente. La cosa interessante della coppia nei motori brushless è che a causa delle perdite resistive dei circuiti tra la batteria e il motore, la relazione tra la coppia e il KV del motore non è così direttamente correlata come suggerisce l'equazione. L'immagine allegata mostra la relazione effettiva tra coppia e KV a vari RPM. A causa della resistenza aggiunta dell'intero circuito, la variazione % della resistenza non è equivalente alla variazione % del KV e quindi la relazione ha una curva strana. Poiché le modifiche non sono proporzionali, la variante a KV più bassa di un motore ha sempre più coppia fino a un certo numero di giri elevato in cui l'altezza di RPM del motore ad alto KV assume forza e produce più coppia.

Sulla base dell'equazione, KV cambia solo la corrente necessaria per produrre la coppia o, inversamente, quanta coppia viene prodotta da una certa quantità di corrente. La capacità di un motore di produrre effettivamente coppia dipende da fattori come la forza del magnete, il traferro, l'area della sezione trasversale degli avvolgimenti. All'aumentare degli RPM, la corrente aumenta drammaticamente principalmente a causa della relazione non lineare tra energia e RPM.

Passaggio 6: funzionalità aggiuntive

La campana del motore è la parte del motore che subirà la maggior quantità di danni in un'imbarcazione, quindi è imperativo che sia realizzata con il materiale migliore per lo scopo. La maggior parte dei motori cinesi economici sono realizzati in alluminio 6061 che si deforma facilmente in caso di incidente, quindi stai lontano dall'asfalto durante il volo. Il lato più premium dei motori utilizza l'alluminio 7075 che offre una durata molto maggiore e una maggiore durata.

La recente tendenza nei motori dei quadricotteri è quella di avere un albero cavo in titanio o acciaio poiché è più leggero di un albero solido e ha una grande resistenza strutturale. Rispetto ad un albero pieno, un albero cavo ha un peso inferiore, a parità di lunghezza e diametro. Inoltre è una buona idea andare avanti con gli alberi cavi, se puntiamo sulla riduzione del peso e dei costi. Gli alberi cavi sopportano meglio i carichi torsionali rispetto agli alberi pieni. Inoltre, l'asta in titanio non si spezzerà facilmente come l'asta in acciaio o alluminio. L'acciaio temprato può effettivamente essere migliore in termini di resistenza funzionale rispetto ad alcune delle leghe di titanio comunemente utilizzate in questi alberi cavi. Dipende molto dalle leghe specifiche in discussione e dalla tecnica di tempra utilizzata. Supponendo che il caso migliore per entrambi i materiali, il titanio sarà più leggero, ma leggermente più fragile e l'acciaio temprato sarà più duro ma leggermente più pesante.

Passaggio 7: Riferimenti/Risorse

Per test estremamente dettagliati e una panoramica di motori quadricotteri specifici, dai un'occhiata a EngineerX su YouTube. Pubblica statistiche dettagliate e prova al banco i motori con varie eliche.

Per teorie interessanti e altre informazioni extra sul mondo delle corse FPV/freestyle, guarda KababFPV. È una delle persone migliori da ascoltare per discussioni educative e intuitive sulla tecnologia dei quadricotteri.

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Godetevi questa foto.

Grazie per la visita.