jueves, 5 de julio de 2012

Dimensionar.Cómo elegir los motores y Hélices para cuadricópter o multicóptero. Tutorial



Hay que tener en cuenta que hay tomar como un conjunto Motor + Hélice, ya que cada motor se comporta de manera diferente con diferentes tipos de hélices.



Para el dimensionamiento del conjunto se ha usado el programa “Drivecalculator 3.4” que es una herramienta para el análisis de motores Brushless para vehículos aéreos radiocontrol. Este programa contiene una base de datos actualizada con los motores, hélices, ESCs, baterías, estatores y engranajes de transmisión. Así podemos simular el comportamiento de los diferentes elementos.

Para el proceso de elección primero se ha elegido un catálogo de un distribuidor, en este caso Hobbyking un distribuidor de artículos de aeromodelismo y radio control bastante importante y conocido a nivel mundial con almacenes en Hong-Kong, China, Australia, Alemania y Estados Unidos.

De entre los motores disponibles por el distribuidor hemos comparado siete motores brushless de la marca Turnigy, entre un rango de precio alrededor de 20$ la unidad. Turnigy es una marca asociada a hobbyking, así conseguimos una alta relación calidad/precio. Estos motores son:


Modelo
Kv (rpm/V)
peso (g)
precio
Tower Pro 3015
1000
133
$          17.04
Turnigy 2217 16turn
1105
71
$          15.38
Turnigy 2217 20turn
860
71
$          14.04
Turnigy AerodriveXP SK 3548
900
171
$          24.85
Turnigy AerodriveXP SK 3530
1074
79
$          17.86
Turnigy 3632
1134
99
$          19.71
NTM prop drive Series 35-36A
851
112
$         18.83
      Los modelos de  hélices  utilizadas, son quizá las más económicas del mercado actual. Todas las hélices de bajo coste necesitan ser balanceadas, es decir, no son exactamente simétricas en masa y forma. Por lo que precisan de un proceso de calibración previo. Este proceso consiste en colocar la hélice en un eje e ir limando hasta que se quede en equilibrio.
Cómo utilizar el Programa DRIVE CALCULATOR
         Con la ayuda de este programa podemos conocer como se comportaría el conjunto de elementos batería + ESC + motor + caja de cambios + hélice.       El proceso de diseño consiste en fijar todos los elementos menos los motores. Acto seguido pulsar en (buscar motores) y saldrá una lista de los motores adecuados a esa configuración y de entre esta lista seleccionaremos los que aparecen en el catálogo del distribuidor.

  De esta primera gráfica se obtiene numerosa información:
Criterios de selección:

Modelo
Kv (rpm/V)
peso (g)
empuje (g)
corriente (A)
eficiencia (%)
Tower Pro 3015
1000
133
1324
23.6
70
Turnigy 2217 16turn
1105
71



Turnigy 2217 20turn
860
71
851
12.8
76.7
Turnigy AerodriveXP SK 3548
900
171
997
22.3
71.5
Turnigy AerodriveXP SK 3530
1074
79
1064
18.4
69.7
Turnigy 3632
1134
99
1385
26.1
74.3
NTM prop drive Series 35-36A
851
112
921
13.4
76.5
Modelo
Kv (rpm/V)
peso (g)
empuje (g)
corriente (A)
eficiencia (%)
Tower Pro 3015
1000
133
1324
23.6
70
Turnigy 2217 16turn
1105
71
1148
20.5
77.2
Turnigy 2217 20turn
860
71
851
12.8
76.7
Turnigy AerodriveXP SK 3548
900
171



Turnigy AerodriveXP SK 3530
1074
79



Turnigy 3632
1134
99



NTM prop drive Series 35-36A
851
112



·         Peso: 112 gramos.
·         Velocidad de giro: 8015 rpm.
Nota: “NTM prop drive Series 35-36A” es la nueva versión de “Turnigy SK 35-36A 910Kv”


De entre las hélices se han comparado sólo dos: APC 10x5 y APC 10x6. Nuestra estructura soporta un tamaño de hélice máximo de 12'', se ha elegido 10 por que se quiere un vuelo más estable (cuanto más grandes sean las hélices más tarda el helicóptero en reaccionar) y no se han elegido hélices más pequeñas para obtener más capacidad de carga.


En la nomenclatura de las hélices (“X”x”Y”), como se puede observar en la imagen, X corresponde a la longitud en pulgadas, y  Y corresponde al paso, también medidos en pulgadas. El paso es la distancia que recorrería la hélice al girar una vuelta completa.




·         Baterías: los parámetros a definir es el número de celdas de la batería que se ha fijado a 3 celdas, es decir 3x3.7 = 11.1Voltios. Al elegir una determinada batería indica el peso correspondiente.
·         ESC: Para el variador de velocidad de motores brushless, el único parámetro que nos interesa es la máxima corriente que permite manejar. Para determinar qué ESC necesitamos basta con elegir el inmediatamente superior a la máxima corriente de consumo de los motores. Al elegir un determinado variador indica el peso correspondiente.
·         Motores: Los motores van a ser el parámetro a variar, para así obtener el empuje y rendimiento deseado.
·         Caja de cambios: Para este caso no usaremos reductora, ya que no es necesario.
·         Hélices: Elegiremos dos hélices diferentes para comparar.


Realizando una búsqueda con los siguientes parámetros se obtienen 215 motores:
Parámetros:
·         Batería: voltaje constante 10.8 Voltios.
·         ESC: no registrado.
·         Hélice: 10x6 GWS HD.

La gráfica muestra en puntos grises los motores que se adaptan a nuestros parámetros iniciales, marcando con un punto verde el motor seleccionado en ese momento. Los datos que se obtienen son el empuje (Schub) medido en gramos, Potencia (P) medida en Watios, rendimiento (Eta %) y velocidad (n) en revoluciones por minuto.



·         Elegir sólo modelos del catálogo de nuestro distribuidor.
·         El empuje de cada motor debe ser alrededor de 1000 gramos, pero no mucho más,  ya que la estructura sólo soporta alrededor de 1kg por brazo.

·         Limitamos las revoluciones de trabajo a 1000Kv (rpm/V) para evitar vibraciones excesivas.
Eligiendo los motores se elabora una tabla comparativa con cada hélice a testear:
 Hélice APC 10x6:




Hélice APC 10x5:




Conclusiones: Los tres motores tienen similar curva de potencia a baja potencia hasta 20A. La velocidad del eje sí varía considerablemente entre los tres motores. Para evitar vibraciones se selecciona un motor que trabaje a bajas revoluciones.
Descartamos el modelo 3632, debido a las críticas de los consumidores que apuntan a una mala alineación de los polos magnéticos.

Elegimos el modelo 35-36A por trabajar a menos revoluciones y porque la curva de eficiencia no cae tanto como la otra, por lo que se reduce el calentamiento en el motor.
Una vez elegido el motor y hélice analizamos la información:

En la ilustración tenemos los parámetros del motor:

·         Torque: 0.914 Ncm/A.

·         Resistencia interna: 99.8 mOhm.
·         Velocidad de giro: 851 rpm/V.
·         Corriente de pico: 30A.
·         Rendimiento máximo 76.8%.


En la segunda imagen obtenemos los resultados de simular la combinación del motor con la hélice 10x6 :

·         Empuje estático: 896 gramos.

·         Velocidad pitch:73 km/h.
·         Eficiencia del empuje: 6.4 gramos/W.
·         Corriente: 13.1A.
·         Potencia de entrada: 141.0W.
·         Potencia de salida: 108.1W.
·         Eficiencia: 76.7%.

7 comentarios:

  1. me podrian asesorar en el manejor del programa

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  2. tengo 4 motores brushless outrunner 20-28M http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewitem.asp?idproduct=4701 y 4 ESC Hobbyking SS Series 18-20A ESCs (card programmable)http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewitem.asp?idproduct=6548
    cuando voy a ingresar los datos me pide la resistencia interna Rm[mOhm] y otros datos, que no se refieren en ninguna parte,
    quien podria ayudarme a calcular la mejor bateria para estos motores y estas ESCs

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    1. No hace falta ingresar esos datos para seguir con el proceso. Además en motores de bajo coste, como los de hobbyking, creo que no proporcionan muchos datos técnicos. Tendrías que medirla tu experimentalmente.

      Para elegir las baterías hay que dimensionar la cantidad de energía que almacena (mAh) y capacidad de descarga (C). La capacidad de descarga la dimensionas con el pico de voltage que pueden consumir tus motores, que en tu caso son 15A. Los ESC's tienen que tener un margen, 3 o 4 A por encima (si los ESC son de baja calidad). Y los mAh se dimensionan dependiendo el tiempo de vuelo que quieras tener. Eso depende de muchos factores, pero te puedes guiar por unos valores medios que esté montando la gente, que creo que con unos 4000mAh o 5000mAh irá bien.
      Ten en cuenta que hay una capacidad óptima de tamaño de baterías. Si vas muy cargado de baterías pesa más y consume más amperaje, por lo que vuelas menos, y si vas con poca batería, consume menos, pero vuelas menos. Hay bastante información circulando por ahí.
      1 saludo y suerte!

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  3. de que tienda me recomendarias comprar los motores, ESC, baterias, hélices, etc. (alguna pagina donde pueda ver)

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    1. la mas barata es hobbyking, aunq de peor calidad (por lo general) también existe tower hobbies que está bien de precio. Depende del presupuesto q tengas, quizá te recomendaría no comprar lo más más barato y gastarte más.

      1 saludo

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  4. Muchas Gracias....Me sirvió muchisimo

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