Motores sin escobillas: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Este instructivo es una guía / descripción general de la tecnología del motor detrás de los modernos motores quadcopter entusiastas. Solo para mostrarte de lo que son capaces los cuadricópteros, mira este increíble video. (Mire el volumen. Se pone muy alto) Todo el crédito es para el editor original del video.

Paso 1: Terminología

La mayoría de los motores sin escobillas se describen generalmente con dos conjuntos de números; tales como: Hyperlite 2207-1922KV. El primer conjunto de números se refiere al tamaño del estator del motor en milímetros. Este estator de motor específico tiene 22 mm de ancho y 7 mm de alto. Los viejos DJI Phantoms usaban motores 2212. Las dimensiones del estator suelen seguir una tendencia:

El estator más alto permite un rendimiento superior más alto (rangos de RPM más altos)

El estator más ancho permite un rendimiento en el extremo inferior más fuerte (rangos de RPM más bajos)

El segundo conjunto de números es la clasificación KV del motor. La clasificación KV del motor es la constante de velocidad de ese motor específico, lo que básicamente significa que el motor creará un EMF trasero de 1V cuando el motor gira a esas RPM o girará a una RPM descargada del KV cuando se aplica 1V. Por ejemplo: este motor emparejado con una lipo 4S tendrá un RPM nominal teórico de 1922x14,8 = 28, 446 RPM

En realidad, es posible que el motor no alcance esta velocidad teórica porque hay pérdidas mecánicas no lineales y pérdidas de potencia resistiva.

Paso 2: Fundamentos

Un motor eléctrico desarrolla par al alternar la polaridad de los electroimanes giratorios unidos al rotor, la parte giratoria de la máquina y los imanes estacionarios en el estator que rodea el rotor. Uno o ambos conjuntos de imanes son electroimanes, hechos de una bobina de alambre enrollado alrededor de un núcleo ferromagnético. La electricidad que corre a través del devanado del cable crea el campo magnético, que proporciona la energía que hace funcionar el motor.

El número de configuración le dice cuántos electroimanes hay en el estator y cuántos imanes permanentes hay en el rotor. El número antes de la letra N muestra el número de electroimanes que hay en el estator. El número antes de la P muestra cuántos imanes permanentes hay en el rotor. La mayoría de los motores sin escobillas más avanzados siguen la configuración 12N14P.

Paso 3: controlador de velocidad electrónico

Un ESC es el dispositivo que convierte la electricidad CC de la batería en CA. También toma la entrada de datos del controlador de vuelo para modular la velocidad y la potencia del motor. Existen múltiples protocolos para esta comunicación. Los principales analógicos son: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 y Multishot. Pero estos se volvieron obsoletos para los cuadricópteros a medida que llegaron nuevos protocolos digitales llamados Dshot. No tiene ninguno de los problemas de calibración de los protocolos analógicos. Dado que se envían bits digitales como información, la señal no se ve interrumpida por los campos magnéticos cambiantes y los picos de voltaje a diferencia de su contraparte. Dhsot no es apreciablemente más rápido que Multishot hasta DShot 1200 y 2400, que solo pueden ejecutarse en unos pocos ESC en este momento. Los beneficios reales de Dshot son principalmente la capacidad de comunicación bidireccional, en particular la capacidad de enviar datos de la habitación al FC para usarlos en el ajuste de los filtros dinámicos y la capacidad de hacer cosas como el modo tortuga (invierta temporalmente los ESC para voltear el quad sobre si está atascado al revés). Un ESC está compuesto principalmente de 6 mosfets, 2 para cada fase del motor y un microcontrolador. El mosfet básicamente alterna entre invertir la polaridad a una cierta frecuencia para regular las RPM del motor. Los ESC tienen una clasificación actual, ya que ese es el consumo máximo de amperaje que el ESC puede sostener durante largos períodos de tiempo.

Paso 4: eficiencia

(Varias hebras: motor morado hebra única: motor naranja)

Cable:

Los cables de múltiples hilos pueden acumular más volumen de cobre en un área determinada en comparación con un solo cable grueso enrollado alrededor del estator, por lo que la fuerza del campo magnético es un poco más fuerte, pero el consumo de energía general del motor está limitado debido a los cables delgados (dado que el El motor de múltiples hilos se construye sin tener ningún cruce de los cables, lo cual es muy poco probable debido a la calidad de fabricación). Un cable más grueso puede transportar más corriente y mantener una mayor potencia de salida en comparación con un motor de múltiples hebras igualmente construido. Es más difícil construir un motor de múltiples hilos correctamente construido, por lo tanto, la mayoría de los motores de calidad se construyen con un solo hilo de alambre (para cada fase). Las pequeñas ventajas del cableado de múltiples hilos son superadas fácilmente por la fabricación y el diseño mediocre, sin mencionar que hay mucho más espacio para contratiempos si alguno de los cables delgados se sobrecalienta o cortocircuita. El cableado de una sola hebra no tiene ninguno de esos problemas, ya que tiene un límite de corriente mucho más alto y puntos mínimos de cortocircuito. Entonces, por confiabilidad, consistencia y eficiencia, los devanados de una sola hebra son los mejores para los motores sin escobillas de quadcopter.

PD Una de las razones por las que los cables de múltiples hilos son peores para algunos motores específicos se debe al efecto de piel. El efecto piel es la tendencia de una corriente eléctrica alterna a distribuirse dentro de un conductor de manera que la densidad de corriente sea mayor cerca de la superficie del conductor y disminuya con mayores profundidades en el conductor. La profundidad del efecto de la piel varía con la frecuencia. A altas frecuencias, la profundidad de la piel se vuelve mucho menor. (Para fines industriales, el cable litz se utiliza para contrarrestar el aumento de la resistencia de CA debido al efecto piel y ahorrar dinero) Este efecto piel puede hacer que los electrones salten a través de los cables dentro de cada grupo de bobinas, cortocircuitándolos efectivamente entre sí. Este efecto suele ocurrir cuando el motor está mojado o utiliza altas frecuencias de más de 60Hz. El efecto de despellejar puede causar corrientes de Foucault que a su vez crean puntos calientes dentro del devanado. Es por eso que usar cables más pequeños no es ideal.

Temperatura:

Los imanes de neodimio permanentes utilizados para motores sin escobillas son bastante fuertes, por lo general van desde N48-N52 en términos de fuerza magnética (más alto es más fuerte, N52 es el más fuerte que yo sepa). Los imanes de neodimio del tipo N pierden parte de su magnetización de forma permanente a una temperatura de 80 ° C. Los imanes con magnetización N52 tienen una temperatura máxima de trabajo de 65 ° C. Un enfriamiento vigoroso no daña los imanes de neodimio. Se recomienda que nunca sobrecaliente los motores ya que el material aislante de esmalte en los devanados de cobre también tiene un límite de temperatura y si se derriten, puede causar un cortocircuito quemando el motor o peor aún, su controlador de vuelo. Una buena regla general es que si no puede sostener el motor durante un período de tiempo muy largo después de un vuelo corto de 1 o 2 minutos, probablemente esté sobrecalentando el motor y esa configuración no será viable para un uso prolongado.

Paso 5: apriete

Al igual que hay una constante de velocidad del motor, hay una constante de par. La imagen de arriba muestra la relación entre la constante de torque y la constante de velocidad. Para encontrar el par, simplemente multiplique la constante de par por la corriente. Lo interesante del par en los motores sin escobillas es que debido a las pérdidas resistivas del circuito entre la batería y el motor, la relación entre el par y el KV del motor no está tan directamente relacionada como sugiere la ecuación. La imagen adjunta muestra la relación real entre el par y KV a varias RPM. Debido a la resistencia agregada de todo el circuito, el% de cambio en la resistencia no es equivalente al% de cambio en el KV y, por lo tanto, la relación tiene una curva extraña. Dado que los cambios no son proporcionales, la variante de menor KV de un motor siempre tiene más torque hasta un cierto RPM alto donde el margen de RPM del motor de KV alto adquiere fuerza y produce más torque.

Según la ecuación, KV solo cambia la corriente necesaria para producir el par o, a la inversa, la cantidad de par que produce cierta cantidad de corriente. La capacidad de un motor para producir torque es un factor de cosas como la fuerza del imán, el espacio de aire, el área de la sección transversal de los devanados. A medida que aumentan las RPM, la corriente aumenta drásticamente debido principalmente a la relación no lineal entre la energía y las RPM.

Paso 6: Funciones adicionales

La campana del motor es la parte del motor que sufrirá la mayor cantidad de daño en una embarcación, por lo que es imperativo que esté hecha del mejor material para ese propósito. La mayoría de los motores chinos baratos están hechos de aluminio 6061 que se deforma fácilmente en un choque fuerte, así que manténgase alejado del asfalto mientras vuela. El lado más premium de los motores usa aluminio 7075 que ofrece una durabilidad mucho mayor y una vida útil más larga.

La tendencia reciente en los motores de cuadricóptero es tener un eje hueco de titanio o acero, ya que es más ligero que un eje sólido y tiene una gran resistencia estructural. En comparación con un eje macizo, un eje hueco pesa menos, para una longitud y un diámetro determinados. Además, es una buena idea seguir adelante con ejes huecos, si nuestro énfasis está en la reducción de peso y reducción de costos. Los ejes huecos son mucho mejores para soportar cargas de torsión en comparación con los ejes macizos. Además, el eje de titanio no se pelará tan fácilmente como el eje de acero o aluminio. El acero endurecido puede ser mejor en términos de resistencia funcional que algunas de las aleaciones de titanio comúnmente utilizadas en estos ejes huecos. Realmente depende de las aleaciones específicas que se analicen y de la técnica de endurecimiento utilizada. Suponiendo el mejor de los casos para ambos materiales, el titanio será más liviano, pero un poco más frágil, y el acero endurecido será más resistente pero un poco más pesado.

Paso 7: Referencias / Recursos

Para obtener pruebas extremadamente detalladas y una descripción general de los motores de cuadricópteros específicos, consulte EngineerX en YouTube. Publica estadísticas detalladas y pruebas en banco de motores con varias hélices.

Para obtener teorías interesantes y otra información adicional sobre el mundo de las carreras / estilo libre FPV, mira KababFPV. Él es una de las mejores personas a las que hay que escuchar para discusiones educativas e intuitivas sobre la tecnología de los cuadricópteros.

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