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%.