Motores sem escova: 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Este instrutível é um guia / visão geral da tecnologia do motor por trás dos motores quadcopter para entusiastas modernos. Só para mostrar do que os quadricópteros são capazes, assista a este vídeo incrível. (Assista ao volume. Ele fica muito alto) Todo o crédito vai para o editor original do vídeo.

Etapa 1: Terminologia

A maioria dos motores sem escova é geralmente descrita por dois conjuntos de números; como: Hyperlite 2207-1922KV. O primeiro conjunto de números refere-se ao tamanho do estator do motor em milímetros. Este estator de motor específico tem 22 mm de largura e 7 mm de altura. Os antigos DJI Phantoms usavam 2212 motores. As dimensões do estator geralmente seguem uma tendência:

O estator mais alto permite um desempenho superior superior (faixas de RPM mais altas)

Estator mais largo permite um desempenho de extremidade inferior mais forte (faixas de RPM mais baixas)

O segundo conjunto de números é a classificação KV do motor. A classificação KV do motor é a constante de velocidade desse motor específico, o que basicamente significa que o motor criará um EMF traseiro de 1V quando o motor é girado naquela RPM ou girará a uma RPM sem carga do KV quando 1V for aplicado. Por exemplo: Este motor emparelhado com um 4S lipo terá um RPM nominal teórico de 1922x14,8 = 28, 446 RPM

Na verdade, o motor pode não atingir esta velocidade teórica porque existem perdas mecânicas não lineares e perdas de potência resistiva.

Etapa 2: fundamentos

Um motor elétrico desenvolve torque alternando a polaridade de eletroímãs rotativos fixados ao rotor, a parte rotativa da máquina e ímãs estacionários no estator que circunda o rotor. Um ou ambos os conjuntos de ímãs são eletroímãs, feitos de uma bobina de fio enrolada em torno de um núcleo ferromagnético. A eletricidade que passa pelo enrolamento do fio cria o campo magnético, fornecendo a energia que faz o motor funcionar.

O número da configuração informa quantos eletroímãs existem no estator e o número de ímãs permanentes no rotor. O número antes da letra N mostra o número de eletroímãs que existem no estator. O número antes do P mostra quantos ímãs permanentes existem no rotor. A maioria dos motores sem escova out-runner segue a configuração 12N14P.

Etapa 3: Controlador eletrônico de velocidade

Um ESC é o dispositivo que converte a eletricidade DC da bateria em AC. Ele também recebe a entrada de dados do controlador de vôo para modular a velocidade e a potência do motor. Existem vários protocolos para esta comunicação. Os analógicos primários são: PWM, Oneshot 125, Oneshot 42 e Multishot. Mas eles se tornaram obsoletos para os quadricópteros à medida que novos protocolos digitais chegaram, chamados Dshot. Ele não tem nenhum dos problemas de calibração de protocolos analógicos. Uma vez que existem bits digitais sendo enviados como informação, o sinal não é interrompido pelos campos magnéticos variáveis e picos de voltagem, ao contrário de sua contraparte. O Dhsot não é muito mais rápido do que o Multishot até o DShot 1200 e 2400, que só pode ser executado em alguns ESCs neste momento. Os benefícios reais do Dshot são principalmente a capacidade de comunicação bidirecional, particularmente a capacidade de enviar dados da sala de volta ao FC para uso no ajuste dos filtros dinâmicos e a capacidade de fazer coisas como o modo tartaruga (inverter temporariamente os ESCs para virar o quadrilátero se estiver preso de cabeça para baixo). Um ESC é feito principalmente de 6 mosfets, 2 para cada fase do motor e um microcontrolador. O mosfet basicamente alterna entre inverter a polaridade em uma certa frequência para regular o RPM do motor. Os ESCs têm uma classificação atual, pois é a amperagem máxima que o ESC pode sustentar por longos períodos de tempo.

Etapa 4: Eficiência

(Multi strand: Purple Motor Single Strand: Orange Motor)

Arame:

Fios multifilares podem empacotar mais volume de cobre em uma determinada área em comparação com um único fio grosso enrolado em torno do estator, de modo que a força do campo magnético é um pouco mais forte, mas o consumo de energia geral do motor é limitado devido aos fios finos (dado que o o motor multifilamentado é construído sem nenhum cruzamento dos fios, o que é altamente improvável devido à qualidade de fabricação). Um fio mais grosso pode transportar mais corrente e sustentar uma maior saída de energia em comparação com um motor multifilamentar igualmente construído. É mais difícil construir um motor multifilar corretamente construído, portanto, a maioria dos motores de qualidade são construídos com um único fio de fio (para cada fase). As pequenas vantagens da fiação multifilar são facilmente superadas pela fabricação e pelo design medíocre, sem mencionar que há muito mais espaço para acidentes se algum dos fios finos superaquecer ou entrar em curto-circuito. A fiação de fio simples não tem nenhum desses problemas, pois tem um limite de corrente muito mais alto e pontos mínimos de curto-circuito. Portanto, para confiabilidade, consistência e eficiência, os enrolamentos de cabo único são os melhores para motores sem escova quadcopter.

P. S. Um dos motivos pelos quais os fios multifilares são piores para alguns motores específicos é o efeito de pele. O efeito de pele é a tendência de uma corrente elétrica alternada se distribuir dentro de um condutor de forma que a densidade da corrente seja maior perto da superfície do condutor e diminua com maiores profundidades no condutor. A profundidade do efeito cutâneo varia com a frequência. Em altas frequências, a profundidade da pele torna-se muito menor. (Para fins industriais, o fio litz é usado para neutralizar o aumento da resistência CA devido ao efeito de pele e economizar dinheiro). Esse efeito de pele pode fazer com que os elétrons saltem através dos fios dentro de cada grupo de bobinas, causando um curto-circuito eficaz entre eles. Este efeito geralmente ocorre quando o motor está molhado ou usando altas frequências de mais de 60Hz. O efeito de esfola pode causar correntes parasitas que, por sua vez, criam pontos quentes dentro do enrolamento. É por isso que usar fios menores não é o ideal.

Temperatura:

Os ímãs permanentes de neodímio usados para motores sem escova são bastante fortes, eles geralmente variam de N48-N52 em termos de força magnética (quanto maior é mais forte, N52 é o mais forte, até onde sei). Os ímãs de neodímio do tipo N perdem parte de sua magnetização permanentemente a uma temperatura de 80 ° C. Os ímãs com magnetização N52 têm uma temperatura máxima de trabalho de 65 ° C. Um resfriamento vigoroso não prejudica os ímãs de neodímio. Recomenda-se nunca superaquecer os motores, pois o material isolante de esmalte dos enrolamentos de cobre também tem um limite de temperatura e se derreter, pode causar um curto-circuito queimando o motor ou, pior ainda, seu controlador de vôo. Uma boa regra prática é que se você não conseguir segurar o motor por um longo período de tempo após um curto vôo de 1 ou 2 minutos, provavelmente está superaquecendo o motor e essa configuração não será viável para uso prolongado.

Etapa 5: Torque

Assim como existe uma constante de velocidade do motor, existe uma constante de torque. A imagem acima mostra a relação entre a constante de torque e a constante de velocidade. Para encontrar o torque, basta multiplicar a constante de torque pela corrente. O interessante sobre o torque em motores sem escova é que, devido às perdas resistivas do circuito entre a bateria e o motor, a relação entre o torque e o KV do motor não está tão diretamente relacionada como a equação sugere. A imagem anexa mostra a relação real entre o torque e o KV em vários RPMs. Devido à resistência adicionada de todo o circuito, a% de mudança na resistência não é equivalente à% de mudança no KV e, portanto, a relação tem uma curva estranha. Uma vez que as mudanças não são proporcionais, a variante de menor KV de um motor sempre tem mais torque até um certo alto RPM onde o headroom de RPM do motor alto KV assume força e produz mais torque.

Com base na equação, KV altera apenas a corrente necessária para produzir o torque, ou inversamente, quanto torque é produzido por determinada quantidade de corrente. A capacidade de um motor de realmente produzir torque é um fator de fatores como a força do ímã, entreferro e a área da seção transversal dos enrolamentos. À medida que os RPMs aumentam, a corrente aumenta dramaticamente, principalmente devido à relação não linear entre a energia e os RPMs.

Etapa 6: recursos adicionais

A campainha do motor é a parte do motor que sofrerá mais danos em uma embarcação, por isso é imperativo que seja feito do melhor material para esse fim. A maioria dos motores chineses baratos são feitos de alumínio 6061, que se deforma facilmente em uma colisão forte, portanto, fique longe do asfalto enquanto voa. O lado mais premium dos motores usa o alumínio 7075, que oferece maior durabilidade e vida útil mais longa.

A tendência recente nos motores quadcopter é ter um eixo oco de titânio ou aço, pois é mais leve do que um eixo sólido e tem grande resistência estrutural. Em comparação com um eixo maciço, um eixo oco tem menos peso, para um determinado comprimento e diâmetro. Além disso, é uma boa ideia ir em frente com eixos ocos, se nossa ênfase for na redução de peso e corte de custos. Os eixos ocos são muito melhores para suportar cargas de torção em comparação com os eixos sólidos. Além disso, o eixo de titânio não se descasca tão facilmente quanto o eixo de aço ou alumínio. O aço temperado pode realmente ser melhor em termos de resistência funcional do que algumas das ligas de titânio comumente usadas nesses eixos ocos. Realmente depende das ligas específicas que estão sendo discutidas e da técnica de endurecimento usada. Assumindo o melhor caso para ambos os materiais, o titânio será mais leve, mas um pouco mais frágil, e o aço endurecido será mais resistente, mas ligeiramente mais pesado.

Etapa 7: Referências / Recursos

Para testes extremamente detalhados e visão geral de motores quadcopter específicos, verifique EngineerX no YouTube. Ele publica estatísticas detalhadas e testa os motores com várias hélices.

Para teorias interessantes e outras informações extras sobre o mundo de corrida / estilo livre FPV, assista KababFPV. Ele é uma das melhores pessoas a se ouvir para uma discussão educacional e intuitiva sobre a tecnologia de quadricópteros.

www.youtube.com/channel/UC4yjtLpqFmlVncUFE…

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