Scegliere motori ed eliche per il vostro quadricottero

Questo post ha lo scopo di aiutare a capire le basi di motori ed eliche per multirotore, e vi aiuterà a scegliere il motore adatto e eliche più adeguate per costruirvi il vostro drone. Ci sono alcune regole e considerazioni generali da tenere a mente quando si sceglie la combinazione motore/elica per ottenere l’accoppiata ottimale e più efficace.

Da dove si inizia? Primo: definire la misura del motore

Scegliere motori eliche quadricottero

È necessario rispondere a queste 2 domande:

Qual’è il peso totale previsto del vostro quad?
Qual’è la dimensione del telaio?
Il peso totale del multirotore va stimato ad occhio, in quanto ovviamente non è ancora costruito. Però dovrebbe includere tutto: telaio, FC (Flight COntroller – scheda di volo), PDB (Power Distribution Board), fili, motori, ESC, batteria, carico utile (come ad esempio camera HD ed eventuali gimbal [se previsti]). Ricordate che questa è solo una stima, quindi si può sempre tornare indietro e aggiornare il numero quando si ha una migliore idea dei componenti definitivi che si installano.

Innanzitutto, conoscendo le dimensioni del telaio, si dovrebbe sapere le dimensioni massime delle eliche che si possono montare.

Avendo questi 2 dati è ora possibile calcolare approssimativamente quanta spinta dei motori serve per sollevarlo in aria.

Rapporto peso/potenza 2:1

Una regola generale è che si dovrebbe fornire almeno il doppio della spinta rispetto al peso del quad. Questo è il minimo indispensabile per essere sicuri di avere un quad stabile e facile da controllare durante l’hovering.
Se la spinta fornita dai motori è scarsa il quad non risponderà bene al vostro controllo, oltre al fatto che potrebbe avere difficoltà a decollare .

Per esempio, se abbiamo avuto un quadricottero dal peso di 1kg, la spinta totale generata dai motori al 100% del gas dovrebbe essere di almeno 2 kg, o 500g per motore (per un quad a 4 motori quindi).

Per volare più veloci, come si addice a quad da race, il rapporto 2:1 sarà moltiplicato per 2 o per 3. Non sono rari mini quad che raggiungono un rapporto di 8:1, o anche 10:1.
Le performance del quad saranno conseguentemente molto più alte, e il modello sarà agile e scattante, nonchè ne gioverà la velocità generale e il comportamento in virata. Ma quando si ha una spinta troppo elevata, il quad diventa molto difficile da controllare, perché un piccolo aumento di gas è sufficiente a spedire il quad in orbita 🙂

La raccomandazione è, anche se magari inizialmente di pensa solo di volare lenti per fare video o foto, di puntare ad unb rapporto èeso/potenza fra 3:1 e 4:1. QUesti valori non solo danno una migliore manovrabilità, ma danno spazio per una eventuale aggiunta di carico in futuro (come una cam più pesante, o batterie più capienti per estendere il tempo di volo).

Dimensioni del motore e KV

I motori Brushless nel mondo degli hobby RC sono normalmente indicati da un numero a 4 cifre tipo AABB. “AA” è la larghezza dello statore, mentre “BB” è l’altezza dello statore. Fondamentalmente motori più larghi e più alti possono generare coppia più elevate.

KV è un altro parametro importante: indica l’aumento teorico del numero di giri del motore (rotazione al minuto) quando la tensione sale di 1 volt (a vuoto).
Ad esempio quando alimentiamo a 3S (12.6V) un motore da 2300KV , il motore ipoteticamente potrebbe girare a circa 28980 RPM (12.6 x 2300 = 28980 giri al minuto).

Ma una volta montato un’elica sul motore, il numero di giri naturalmente non sarà così elevato a causa della resistenza delle pale con l’aria. I motori con KV alti girano più veloci, ma i motori con minori KV normalmente genera una coppia più elevata. È per questo che vediamo spesso eliche grandi su motori a basso KV, ed eliche più piccole con motori ad alti KV.

Perciò l’importante è trovare un equilibrio tra giri e coppia, nella scelta del motore / elica.

Associando motori con alti KV ad eliche eccessivamente grandi, il motore tenterà di farle girare veloci come avrebbero fatto con eliche più piccole, e quindi consumerà molta corrente che genererà calore invece che resa. Un motore in questi condizioni di utilizzo può tranquillamente bruciarsi irreparabilmente.

N e P

Potreste anche trovare motori con diciture del tipo “12N14P”. Il numero prima della lettera N indica il numero di eletromagneti dello statore, ed il numero prima P indica il numero di magneti permanenti nel motore.

La maggior parte dei motori hanno la configurazione 12N14P, mentre alcuni motori con KV inferiori potrebbero avere più elettromagneti e magneti permanenti per contribuire ad aumentare la coppia in modo più efficiente (e quindi sono più costosi). Non è una informazione essenziale nella scelta dei motori, però è bene saperlo per eventualmente fare dei confronti se vi capitano in mano motori con sigle diverse.

Misura telaio => Misura elica => grandezza del motore e KV

La maggior parte delle volte sapere la “taglia” del telaio permette di stimare il tipo di motore che dovremmo usare. Questo perché il telaio stesso limita il montaggio di eliche troppo grandi, e il limite dimensionale dell’elica limita asua volta la misura e i KV del motore. In ogni caso vanno verificati sempre i dati di spinta, del motore per verificare che l’assorbimento di corrente non superi il grado di sicurezza del motore, in base alle eliche che si desidera installare.

La tabella seguente è solo un esempio semplificato per darvi alcune idee e si presuppone che si utilizzino lipo 4S, ma si trovano piloti che utilizzano KV leggermente superiori o inferiori. Per inciso la dimensione del frame (telaio) si riferisce all’interasse di 2 motori opposti diagonalmente.

Dimensioni telaio  Misura eliche  Motore KV
150mm o più piccolo 3″ o più piccolo  1306 o più piccolo  3000KV o maggiore
180mm 4″  1806  2600KV
210mm 5″  2204-2206  2300KV-2600KV
250mm 6″  2204-2208  2000KV-2300KV
350mm 7″  2208  1600KV
450mm 8″, 9″, 10″  2212 o maggiore  1000KV o minore

Tensione e assorbimento di corrente

E’ anche importante capire che la tensione di alimentazione influisce molto sulla scelta del vostro motore ed elica. Vostro motore spingerà di più se viene applicata una tensione maggiore (batterie con + celle), con utilizzo maggiore di corrente.

Leggere le specifiche dei motori

scegliere motori eliche quadricottero

Quando si scelgono i motori, di solito ci sono le specifiche fornite con il motore dal venditore o dal produttore stesso. Si dovrebbero quindi trovare informazioni sulla potenza, sulla spinta, sul numero di giri ect
L’esempio seguente è del motore Micro Brushless Outrunner (10g) 18-11 da 2000kv.

quadcopter-motor-datasheet

quadcopter-motor-spec

Confrontare i motori

Dopo aver deciso la dimensione e KV dei motori adeguati, ci si potrebbe trovare a scegliere tra una manciata di motori alternativi tra loro. Per scegliere il miglior motore per il vostro progetto, devono essere valutati i seguenti fattori:

Spinta
Assorbimento di corrente
Efficienza
Peso – Momento di inerzia

La decisione qui in realtà varia in base alle vostre preferenze, ovvero come desiderate che il velivolo si comporti.
Maggiore spinta ti dà velocità massima, ma va considerata anche l’efficienza, facendo attenzione che non sia richiesta una quantità troppo elevata di energia, magari superiore a quello che il vostro hardware in grado di supportare/fornire.

Anche la scelta del motore ed elica può influenzare la scelta delle batterie. Ipotizzando che il quad possa assorbire una quantità elevata di corrente, anche la batteria deve essere capace di dare, in uscita, una corrente sufficiente a colmare la richiesta. Perciò è importante sempre conoscere il valore “C” sulle LiPo (C è la corrente di scarica massima della singola batteria)

Una cosa che spesso si trascura è il peso del motore, specialmente quando si costruiscono droni da corsa. Non solo influisce sul peso totale del vostro quad e quindi sul rapporto spinta/peso, ma va pesantemente ad aumentare anche il momento di inerzia del vostro quad. Quando il quad sta facendo flip o roll per esempio, se i motori sono pesanti, ci vorrà più tempo per recuperare l’accelerazione angolare e prima di passare nella posizione desiderata. Quindi motori pesanti meno reattività.

Altri suggerimenti sull’efficienza del motore

Un multicottero è più efficace quand’è più leggero possibile.

Come quando si va in bicicletta, alla marcia inferiore si corre più veloce, ma è più difficile pedalare. Se state andando in salita, arriverete ad un punto in cui la pedalata sarà estremamente pesante e nonostante si spinga come dei dannati, si va piano quasi fermi. Questo è quando si perde efficienza.

Lo stesso vale per motore brushless. Un motore efficiente che gira al 70% produce energia per il 70% ed il restante 30% è calore. Un motore efficiente che gira al 90% produce energia per il 90% e il 10% in calore.

Con i motori meno efficienti, non solo si spreca un sacco di energia (e quindi tempo di volo!), ma anche a tutto gas (levetta del gas al max) si ottiene una spinta spinta molto bassa. E ancora peggio è il fatto che faticando di più per raggiungere i giri/m desiderati, ci impiega più tempo. Quindi il quad sarà meno scattante e con stabilità compromessa.

Alcuni dati che i produttori non dicono – Scegliere motori eliche quadricottero

– Risposta
– Temperatura
– Eliche più adatte
– Vibrazioni

Risposta intende quanto velocemente il motore può cambiare giri al minuto. Il modo più semplice per scoprirlo è misurando quanto tempo un motore impiega per passare da 0 giri a pieno regime. Questo sarà indicativo di quanto scattante sarà un motore.

Motori CW e CCW (senso di rotazione dei motori)

Fondamentalmente la differenza tra un motore CW (senso orario) e CCW (motore in senso antiorario) è la filettatura sull’abero. Ci sono 2 correnti di pensiero: chi usa tutti motori con lo stesso senso (con la stessa filettatura quindi) e poi mezzo saldatura o programmazione ESC ne definirà il senso, oppure a coppie di 2 (due destri e due sinistri).
La situazone ideale è usare 2+2, così i dadi che stringono le eliche possono essere sempre contro il senso dell’elica, con l’automatico serraggio quando l’elica gira.
Usando tutti i motori uguali invece solo 2 motori avranno questo vantaggio, mentre per gli altri 2 bisogna assicurarsi di stringere per bene i dadi di fissaggio (dato che il senso di rotazione tende a svitarli)

Scegliere le eliche

scegliere motori eliche quadricotteroLe eliche generano la spinta girando, e muovendo l’aria. Più aria muovono, più spinta daranno.

Le basi – Dimensione / Pitch (passo)

Abbiamo detto che su ogni quad ci sono due motori (qundi eliche) che girano CW (senso orario) e due CCW (senso antiorario). Ci sono eliche di lunghezza e passo diverso, per esempio le eliche 9 × 4,7 (a volte definite 9047) sono eliche sono lunghe 9 pollici con un passo di inclinazione pari a 4.7 pollici. 5x3x3 (a volte 5030 × 3) significa elica a 3 pale da 5 pollici con passo da 3 pollici.

La dimensione di una elica è misurata da punta a punta, comunemente detto diametro.

Il passo (pitch) indica quanta distanza l’elica percorre durante una rotazione completa. Si traduce perciò in quanta aria può spostare in un giro. Una elica con passo 3 significa che sposterà una colonna d’aria lunga 3 pollici (7.62cm).

In generale, aumentando il passo dell’elica o il suo diametro porterà ad un assorbimento di corrente più alto, perché per spostare più aria il motore fatica di più.
In poche parole, l’eliche più grandi o con pitch maggiore aumentano la velocità del veicolo, ma anche il consumo di corrente.

propeller-pitch

 

Effetti delle dimensioni e del passo di un’elica

Dimensioni e passo dell’elica devono essere equilibrate.

Generalmente un’elica con passo inferiore può girare più velocemente (RPM più alti), i motori non sono sotto sforzo per farla girare, e quindi serve anche meno corrente. Se si vuole fare acrobazie, servono eliche a passo più basso che forniscono maggiore accelerazione e si stressa meno il sistema di alimentazione. Se sono anche più piccole migliora anche la stabilità.

Un elica a passo più alto muove una maggiore quantità di aria e crea più turbolenza. Però genera anche più spinta, anche se a scapito di un maggiore assorbimento di corrente, restituendo una maggiore velocità massima.

Eliche piccole sono più rapide a partire e fermarsi,mentre eliche grandi richiedono più tempo per cambiare RPM.

Materiali – Scegliere motori eliche quadricottero

Le eliche possono essere fatte di materiali diversi, plastica, fibra di carbonio, legno, ecc Ogni tipo di materiale conferisce caratteristiche uniche, per esempio, la fibra di carbonio ed il legno sono materiali rigidi che danno alle eliche prestazioni molto regolari.

Forma – Scegliere motori eliche quadricottero

forma delle eliche bullnose a punta ibride

Anche la forma dell’elica riveste un ruolo importante nelle prestazioni di un quadricottero. La differenza più evidente è probabilmente la punta delle eliche: eliche a punta, a naso di toro (BN – bullnose) e Hybrid toro (HBN). Fondamentalmente per eliche della stessa misura e passo, quelle a punta sono le più efficienti, anche se producono leggermente meno spinta. Le eliche BullNose produconto una spinta maggiore, ma fanno consumare più corrente. Questo deriva dal fatto che hanno una superficie più maggiore rispetto alle corrispondenti eliche a punta. Infine le ibride sono a metà tra le due citate.

Numero di pale (o lame) – Scegliere motori eliche quadricottero

Le eliche più comuni sono probabilmente le 2 lame (o doppia pala). Stanno diffondendosi sempre più anche le Tripala, particolarmente popolari tra i piloti race e freestyler.
Come avrete ormai capito, più lame comportano maggiore spinta dovuta alla maggiore superficie, ma per contro consumano più energia e possono essere meno efficienti.

eliche bipala e tripala

I dati di test come riferimento

Importante è quindi verificare le prove di spinta del motore, e vedere quali eliche funzionano meglio con i motori che si prevede di montare. Eliche uguali spesso hanno rese diverse se montate su motori diversi.

Inoltre anche eliche uguali in dimensione e passo se sono in materiale diverso (o prodotte da diverse marche) hanno prestazioni differenti.

Tuttavia, quanto si trova nei siti dei produttori o rivenditori sono dati generati al banco,in ambiente statico, e quindi non rappresentano la realtà, dove eliche e motori lavorano in aria, dove già so
no presenti flussi di aria naturali oppure diverse condizioni climatiche. Generalmente è stato rilevato che la differenza di valori tra quelli dichiarati (generati al banco) e quelli realmente misurati si attesta in differenze del 5% -10% in meno sul volo vero rispetto al banco di prova.

Conclusioni

È tutta questione di equilibri. Con la giusta combinazione di motore ed elica, il quad dovrebbe risultare efficiente, avere dei consumi normali (quindi tempi di volo corretti) e soprattutto dare un bel feeling di pilotaggio, in modo che l’esperienza di volo sia appunto ‘una esperienza’ nel senso più soddisfacente.

[via Oscarliang blog]

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