I motori.

Tutti i droni utilizzano tutti dei motori brushless a campana rotante, derivati da quelli usati per gli aeromodelli, ad eccezione dei piccoli droni giocattolo, che invece montano dei micro motori a spazzole.

Come sono fatti.

Per cominciare, differiscono dai motori classici “brushed”, dal fatto che non sono dotati di spazzole, quindi non possono funzionare semplicemente collegandoli all’alimentazione, ma devono essere comandati da una scheda elettronica (ESC).

Vedi anche: https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_elettrico#Motore_senza_spazzole

Il motore è composto da due parti principali, una fissa e una rotante:

Quella fissa è formata da un supporto, che ha una base per fissarlo ai braccetti del drone e un perno sporgente, al cui interno sono inseriti i due cuscinetti dell’albero motore e all’esterno è fissato lo statore.
Lo statore è una serie di bobine di filo di rame avvolte su di un pacco di lamelle metalliche, posizionate in cerchio a formare una sorta di stella; dallo statore fuoriescono i tre fili che andranno collegati all’ESC.
Le bobine sono collegate fra di loro alternativamente, a formare tre fasi.

La parte mobile è una sorta di campana, da cui sopra sporge un albero filettato sul quale si monta direttamente l’elica, mentre all’interno vi è un altro albero rettificato, che infilato nei cuscinetti permette alla campana di ruotare.
Lungo perimetro interno della campana, vi sono incollati una serie di magneti.

Quando la corrente scorre nelle bobine dello statore, il campo magnetico generato attrae o respinge i magneti della campana, facendola ruotare.
Non avendo spazzole, è l’ESC che in base alla posizione della campana decide in quale momento alimentare le tre fasi dello statore, .

Per maggiori info sugli ESC: http://www.qkk-dronefpv.it/2018/08/25/gli-esc/

La qualità dei motori.

Una delle cose più importanti è la qualità dei cuscinetti utilizzati, in quanto il motore deve girare molto velocemente, con poco attrito e l’albero non deve avere gioco radiale, perché provocherebbe vibrazioni che disturberebbero i sensori della FC.

Va tenuto conto anche della robustezza, che però non deve influire troppo sul peso; in questo caso, a fare la differenza sono i materiali utilizzati…
Una buona lega utilizzata sui motori di qualità, è l’alluminio 70xx

Cosa molto importante per le prestazione, è il materiale utilizzato per la costruzione dei magneti, in quanto maggiore è la loro forza di attrazione, maggiore sarà la potenza del motore.
Anche la loro forma è importante, perché se sono sagomati ad arco, possono stare più vicini allo statore, consentendo ulteriore aumento di potenza.
Quindi dei magneti ad arco di tipo “N52SH”, sono da preferire a dei magneti piatti, di materiale sconosciuto…

E’ molto importante anche la qualità della lega di rame utilizzata per gli avvolgimenti:
Una lega di bassa qualità, avrà una resistenza maggiore; più è alta la resistenza, maggiore sarà la percentuale di energia elettrica che al posto di essere trasformata in energia meccanica, si trasformerà in calore, con il conseguente surriscaldamento del motore, la minore durata della batteria, e un calo di prestazioni.

Altra cosa che influenza le prestazioni del motore sono le lamine dello statore. Infatti le bobine sono avvolte attorno ad un’anima, formata da un pacco di lamine di metallo, isolate fra di loro da una speciale vernice, in modo da evitare correnti parassite causate dall’induzione elettromagnetica, che le farebbe scaldare;  minore è lo spessore di queste lamine, maggiore sarà il rendimento del motore.

I valori.

Nelle caratteristiche dei motori, vengono specificati dei valori, che spesso non sono chiari a chi si sta approcciando a questo mondo.

Le dimensioni:

in genere ci si trova a leggere cose tipo “xx2206”;  “xx” potrebbe essere la sigla del motore, mentre “2206” indica direttamente le dimensioni dello statore.
Praticamente, le prime due cifre sono il diametro dello statore e le altre due l’altezza; perciò un motore siglato come 2206, avrà uno statore di 22mm di diametro e 6mm di altezza. Se lo statore fosse 23mm di diametro e 8mm di altezza, ci sarebbe scritto 2308.

Invece, le dimensioni “fisiche” del motore, in genere si trovano in un disegno allegato alle caratteristiche.

Valori fisici:

Ci sono vari valori che sono riportati nelle caratteristiche dei motori:

  • Kv:
    Che significa giri per Volts; ovvero sono i giri che farebbe il motore in assenza di carico per ogni Volt di tensione, quindi più alti sono i Kv, più il motore può girare velocemente. Perciò se alimentiamo un motore da 1000Kv a 10V, questo farà 10.000 giri al minuto, se lo alimentiamo a 15V, girerà a 15.000 giri al minuto, se il motore sarà da 2000Kv, alimentandolo a 15V, i giri al minuto saranno 30.000.
  • V e S:
    V è il valore della tensione, mente S è il numero di celle della batteria; considerando che una batteria LIPO a piena carica raggiunge una tensione di 4.2V, dire che il motore funziona a 4S, è come dire che può funzionare a 4×4.2V=16.8V.
    Teoricamente sarebbe corretto specificare solo la tensione di funzionamento, ma per semplicità in genere viene specificato il valore delle celle (per l’appunto S).
    Normalmente viene dato un intervallo ammissibile (es. 4-6S), ma la cosa è abbastanza relativa; verso il basso non ci sarebbero problemi, mentre eccedere potrebbe danneggiare il motore.
    Comunque non si tratta di un limite inviolabile, in quanto sento di molti che usano motori dichiarati per 4S con LIPO a 5S, senza riportare danni.
  • A:
    Significa Ampere, e indica la corrente massima sopportabile di continuo dal motore (infatti più corrente circola nel motore, più questo si scalda con il rischio di danneggiarsi).
    E’ per questo motivo, che nelle caratteristiche viene specificato questo limite, che però in genere indica il funzionamento continuo, per il semplice motivo che il motore non scaldandosi immediatamente, può essere utilizzato con correnti superiori per brevi periodi.
    La corrente assorbita dal motore, è condizionata dal diametro/passo delle eliche e dal numero di giri, a sua volta legato alla tensione; quindi bisogna ricordarsi, specie nella scelta degli ESC, che non è detto che un motore dichiarato ad esempio per 30A dovrà per forza assorbirne 30, ma potrebbe succedere che con eliche piccole ne assorba 20 o con eliche troppo grosse ne assorba anche di più..
  • W:
    E’ il valore che indica la potenza massima erogabile, espressa in Watts.
    Siccome la potenza W si ottiene moltiplicando la corrente per la tensione, quindi W=V*A, non è comunque detto che il motore arrivi ad erogare tutta la potenza dichiarata, perché questa è legata alla corrente, che come detto sopra è un parametro dipendente dal setup del drone.
  • Resistenza interna:
    Alcuni produttori dichiarano anche la resistenza interna; più questa è bassa, più renderà il motore.
  • Numero statori:
    Il numero di poli dello statore (sempre un multiplo di tre).
  • Numero di magneti:
    Il numero di magneti incollati nella campana rotante (in base a questi, cambiano alcune caratteristiche quali coppia, ecc.).
  • Motor timing:
    Il timing (anticipo) consigliato da impostare nell’ESC.
  • Frequenza PWM:
    E’ la frequenza del PWM che gli ESC inviano al motore, da non confondersi con il protocollo PWM. Praticamente l’ESC non alimenta il motore in modo continuo, ma con una serie di impulsi ad una certa frequenza; la tensione media di questi impulsi, è paragonabile ad una tensione continua (questo serve per regolare la tensione tramite i FET).
    Più la frequenza di PWM è alta, più la tensione sembrerà omogenea, però aumenteranno fenomeni di tipo induttivo nello statore.

La scelta dei motori.

Per cominciare, se non si hanno certezze, sarebbe meglio evitare di fare spese folli (tipo 25 Euro per motore) e anche evitare di comprare quei motori che a momenti vendono a peso (tipo alcuni modelli che con 36 Euro ne porti a casa cinque, ma di quei cinque ne butti via due e ne devi comprare altri cinque per averne quattro che funzionano…)
Sul mercato ci sono dei motori che costano dai 12 ai 15 Euro, che sono un ottimo compromesso fra qualità e prezzo

Le dimensioni:

In genere la potenza aumenta con l’aumentare sia del diametro che dell’altezza, ma il diametro maggiore elargisce un po’ più di coppia rispetto ad un equivalente più piccolo di diametro, ma più alto.
Va anche detto che avere motori troppo potenti non sempre da dei vantaggi, in quanto si potrebbero avere più consumi e dei disturbi elettrici indesiderati; oltretutto motori con molta coppia disturbano maggiormente i giroscopi, rispetto a motori più soft.

Al momento sui classici racers con eliche da  4/5/6″ di peso medio,  vengono molto utilizzati motori 2206 o 2306, mentre su droni particolarmente leggeri (al di sotto dei 300g senza LIPO) possono andare anche motori 2205 o 2304.

Su micro modelli, si può arrivare a mettere anche motori dal diametri di 11mm, ma quello è un altro discorso dettato dal rapporto peso dimensioni eliche.

I Kv:

Per la maggiore, utilizzando LIPO a 4S su droni con eliche tri-pala da 5″, si utilizzano motori che vanno dai 2300Kv ai 2700Kv, in base ai gusti del pilota; c’è da dire che mentre molti Kv regalano un po’ più velocità, i motori con meno Kv in genere sono dotati di una coppia maggiore, quindi più pronti alla risposta dei comandi.
Con eliche da 6″ vanno bene motori dai 2000Kv ai 2400Kv e con eliche da 4″ si parte dai 2500Kv fino ai 3000Kv o più.

Ci sono anche in commercio motori da 1700Kv, studiati per utilizzare eliche da 5″ ma con LIPO a 6S, questo perché aumentando il numero di celle della LIPO (quindi la tensione), si possono mantenere le stesse prestazioni diminuendi i Kv.

3S, 4S, 5S o 6S?

La maggior parte dei droni racer, viene alimentata a 4S, perché fin’ora si è rivelato il compromesso migliore, ma le cose potrebbero cambiare….

C’è chi aumenta il numero di celle per andare più veloce; però la velocità non dipende dalla tensione, ma dal numero di giri del motore, quindi per andare veloci si potrebbero semplicemente usare motori con più Kv. La differenza fondamentale, è che utilizzando motori alimentati a tensione più alta, a parità di potenza viene richiesta meno corrente, quindi si possono usare LIPO con meno C di scarica, ESC più piccoli, fili di sezione inferiore, ecc.

Per ora c’è l’ostacolo che ci sono migliaia di LIPO e droni a 4S sparsi per il mondo e le LIPO a 5/6S sono più costose, quindi a chi sta iniziando conviene ancora dimensionare i motori per utilizzare LIPO a 4S.

Nb: Il regolamento FAI prevede l’utilizzo di batterie LIPO con al massimo 4 celle in serie, quindi se si ha intenzione di gareggiare, la scelta di motori utilizzabili a 4S è d’obbligo!

Dado CW o CCW?

A parte i tricotteri, tutti i droni hanno metà delle eliche che girano in senso orario e l’atra metà in senso anti-orario; questo in passato ha comportato che venissero prodotti alcuni motori dotati di albero con filettatura inversa, da montare sui motori che ruotavano in senso orario, per evitare che il dado si svitasse durante il volo.

Quel tipo di motori erano scomodissimi e obbligavano a tenere due motori di scorta al posto di uno solo, senza contare le difficoltà nel reperire i dadi/ogive a filetto inverso.

Oramai quel genere di motori non viene quasi più utilizzato, perché è sufficiente utilizzare dei dadi autobloccanti per essere sicuri di non perdere le eliche, che comunque non si staccavano neanche usando dadi normali….

In conclusione: avere motori CW e CCW non serve, anzi quelli che si trovano sul mercato, probabilmente sono di vecchia concezione. 

Autore dell'articolo: Luigi Bomben

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