Come scegliere i motori brushless per drone

Come scegliere i motori brushless per drone

Introduzione

In questo articolo si affronterà il tema dei motori brushless e come scegliere quelli più adatti al proprio modello. Come si vedrà tale scelta sarà il frutto di un’accurata analisi di compromesso tra i diversi parametri in gioco.
Verrà innanzitutto descritto il principio di funzionamento ed introdotte, seppur in maniera semplificata, le relazioni matematiche che caratterizzano un motore brushless per poi passare alla comprensione dei parametri da valutare al fine di individuare quello più adatto alle proprie esigenze.

Come Scegliere I Motori Brushless Per Drone - ProjectEMS

I motori brushless si distinguono in OUTRUNNER e INRUNNER a seconda di come è posizionata la cassa rotante rispetto allo statore. Gli INRUNNER in genere generano una coppia ridotta ma sono in grado di raggiungere parecchi giri per volt di alimentazione; hanno in molti casi bisogno di un riduttore. In questo articolo si farà riferimento solo a motori OUTRUNNER.
Al fine di rendere l’articolo adatto sia a chi si avvicina per la prima volta al mondo dei droni che ai più esperti, i vari passaggi saranno accompagnati da esempi pratici.

Principio di funzionamento dei motori brushless

Il motore brushless, letteralmente senza spazzole, è un motore elettrico a corrente continua trifase che, a differenza di uno brushed, non ha bisogno di contatti elettrici striscianti (ovvero le spazzole) tra rotore e statore per funzionare.
Il suo funzionamento infatti si basa sulle leggi dell’elettromagnetismo: il rotore è costituito da magneti permanenti, mentre sullo statore sono presenti avvolgimenti che, attraversati da corrente, generano un campo magnetico variabile.

Come Scegliere I Motori Brushless Per Drone - Trifase - ProjectEMS

Come è possibile dunque generare una rotazione del campo magnetico (che implica la rotazione del motore) se si fa uso di corrente continua?
La rotazione è garantita da una serie di transistor di potenza collegati ad un microcontrollore che formano un circuito elettronico in grado di invertire il verso della corrente e di conseguenza l’orientamento del campo magnetico. Ciò presuppone però che sia in ogni istante nota la posizione relativa tra rotore e statore in modo da determinare come deve essere orientato il campo magnetico in quell’istante. Per far ciò il circuito viene collegato ad un sensore ad effetto Hall a formare il cosìdetto ESC, che sarà oggetto di esame in un prossimo articolo. Dall’immagine precedente si può vedere che dai motore escono 3 cavetti, corrispondenti alle 3 fasi, che andranno collegati all’ESC.

Come Scegliere I Motori Brushless Per Drone - Connettori - ProjectEMS

Parametri caratteristici dei motori brushless

Tra i vari parametri utilizzati per caratterizzare un motore elettrico brushless, quello che riveste un’importanza rilevante è il KV, definito come il rapporto tra numero di rotazioni al minuto (RPM) e Volt (V) applicati ad un motore senza carico.

Come Scegliere I Motori Brushless Per Drone - Formula - ProjectEMS

Questo implica che la velocità di rotazione di un motore aumenta all’aumentare della tensione applicata fino a raggiungere un limite definito proprio dal KV. Facciamo dunque un esempio pratico: supponiamo di avere un motore da 1100 KV alimentato da una batteria a polimeri di litio (LIPO) a 3 celle (3S), che fornisce quindi 11,1 V. Dalla relazione precedente risulta quindi che questo motore alimentato con questa batteria effettuerà al massimo 11,1 * 1100 = 12.210 giri al minuto.
Se lo stesso motore lo alimentassimo con una batteria a 4 celle (in grado di fornire 14,8 V) il motore potrebbe girare più velocemente fino a raggiungere i 14,8 * 1100 = 16280. Ovviamente non si può pensare di applicare a qualsiasi motore un qualsiasi voltaggio; esistono infatti dei limiti costruttivi per cui nei datasheet viene sempre indicato il voltaggio massimo consentito per quel tipo di motore e viceversa; non si può infatti applicare una tensione troppo bassa altrimenti il motore non sarebbe in grado di generare una coppia sufficiente. Una prima considerazione da fare quindi ai fini della scelta del motore l’accoppiamento ad una batteria adatta.

Come si traduce tutto ciò in termini prestazionali? I motori con alti KV abbiamo visto che girano più velocemente ma ciò implica la generazione di una minor coppia. Di conseguenza un motore che genera una bassa coppia dovrà essere associato ad una piccola elica (che induce una bassa coppia resistente) mentre un motore con bassi KV che genera un’alta coppia deve essere associato ad una grande elica.

Tuttavia associare il motore ad eliche eccessivamente grandi fa si che la coppia resistente e, di conseguenza, la corrente assorbita sia troppo elevata aumentando le probabilità che il motore si bruci. La scelta dell’elica è un argomento che esula da questo articolo, ma in breve si può dire che motori con bassi kv (alta coppia, eliche grandi) sono adatti per modelli grandi con una tipologia di volo più dolce e si prestano dunque ad applicazioni come riprese video, aerofotografia, ecc. Al contrario motori con alti KV (bassa coppia, eliche piccole) sono adatti a modelli piccoli, agili e scattanti quali ad esempio quelli usati per le gare in fpv. Si faccia attenzione che in generale all’aumentare dei KV aumentano le dimensioni e il peso dei motori.

Come Scegliere I Motori Brushless Per Drone - Motore - ProjectEMS

Dimensionamento dei motori brushless

Una prima considerazione sulla tipologia di motore da utilizzare è stata introdotta nel paragrafo precedente. Abbiamo dunque visto che un modello grande implica motori con bassi KV e viceversa. Abbiamo inoltre visto che la batteria utilizzata limita la scelta dei motori utilizzabili.
Ma come quantificare KV? Il punto di partenza è conoscere il peso e le dimensioni del vostro modello. Una condizione necessaria è che la spinta generata dai quatto motori deve essere almeno il doppio del peso del drone. In realtà si preferisce introdurre un fattore di sicurezza pari al 20% così che la spinta totale sarà:

Come Scegliere I Motori Brushless Per Drone - Formula KV - ProjectEMS

dove: F è la forza totale [N] prodotta dai 4 motori, n è un numero che deve essere maggiore o uguale a 2, P [N] è il peso del modello e k è il fattore di sicurezza (di solito 1,2 o 1,3).
N.B.: In realtà in modelli di tipologia racer ad elevate prestazioni, non è raro trovare un rapporto F/P che arriva fino a 10.
Dividendo F per il numero di rotori si ottiene la forza che dovrà generare ciascun motore/elica.
Avendo dunque un quadricottero con una massa da 500 g possiamo determinare il peso (in Newton) moltiplicando la massa (in kg) per 9,81. Avremo dunque P = 0,5 kg * 9,81 m/s2 = 4,9 N che possiamo approssimare per essere ancora più conservativi a 5 N. Scegliendo n pari a 3 e k =1,2 avremo che Ftot=3 x 5 N x 1,2 = 18 N e di conseguenza ogni motore (accoppiato ad un’opportuna elica) dovrà sviluppare 4,5 N.
Come si è detto in precedenza, oltre al peso del modello è importante conoscerne la dimensione ( distanza diagonale motore-motore), in quanto ciò limita il montaggio di eliche eccessivamente grandi influenzando di conseguenza il massimo valore di KV che possiamo utilizzare.
Infine, altre considerazioni da fare sono riguardanti la ridondanza del sistema. Nel caso di un quadricottero, l’avaria di un motore porta a conseguenze catastrofiche per il modello (a meno che non sia dotato di sistemi che ne riducano l’energia di impatto al suolo, come ad esempio un paracadute) in quanto la forza generata dai tre motori rimanenti non sarebbe sufficiente a sostenere il modello ed inoltre entrerebbero in gioco effetti giroscopici tali per cui il modello risulterebbe incontrollabile. Questo può essere evitato facendo ricorso per esempio ad un esa/ottocottero, ma naturalmente in questo modo aumenterebbe la complessità di costruzione e il costo.

Conclusioni

A valle di tutte le considerazioni che sono fin’ora state fatte sui motori brushless per droni si è avuta un idea della tipologia di motore più adatto alle nostre esigenze fisico/prestazionali. Non esiste tuttavia un motore ideale, ma tutte le scelte sono frutto di un compromesso tra diversi fattori ed utilizzando un processo iterativo come mostra l’immagine seguente è possibile arrivare alla scelta del motore migliore al nostro caso.

Come Scegliere I Motori Brushless Per Drone - Diagramma - ProjectEMS

Solitamente i produttori allegano un datasheet, ovvero una scheda tecnica, con le informazioni (più o meno dettagliate a seconda dei casi) sul motore, come ad esempio le dimensioni fisiche, i volt supportati, le eliche da abbinare e come ciò influisce sulla spinta prodotta.

Dove acquistare

Per l’acquisto di componenti elettroniche, il mercato cinese non ha eguali per il numero di modelli disponibili di ottima qualità. Suggeriamo quindi l’acquisto da siti conosciuti e affidabili. Noi vi consigliamo Banggood, da cui abbiamo già acquistato numerose volte, ottimo sito con alti sconti.
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