[Elettronica] Motori: Brushed – Brushless


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La famiglia dei motori elettrici per impiego modellistico è divisibile, a grosse linee, in due famiglie: Brushed e Brushless.

Partiamo dai motori “Brushed”, conosciuti anche come motori a spazzole. Sono i classici motori che troviamo all’interno dei kit base o nei modelli RTR; ovviamente ne esistono in commercio versioni dalle prestazioni più “spinte”.

I motori “Brushed” sono alimentati da due fili (positivo/negativo) e sono composti da:

  • un indotto interno (o rotore) che gira su cuscinetti e sul quale sono montati un insieme di lamierini isolati tra loro che vanno a formare l’armatura;
  • su quest’ultima sono presenti delle cave attorno alle quali sono avvolte numerose spire di filo di rame che vanno a formare le “bobine”;
  • l’indotto è poi inserito all’interno di una cassa in metallo sulle cui pareti sono montate in maniera fissa due calamite che sono poste in modo tale che una rivolga il proprio polo N verso il rotore, mentre l’altra, il proprio polo S;
  • il tappo del motore dove sono collocate le spazzole che andranno a sfiorare il collettore del rotore, chiudendo in questo modo il circuito elettrico. Collegando le spazzole ad una batteria, esse faranno scorrere la corrente elettrica nel rotore; passando attraverso le bobine presenti su quest’ultimo, si genererà un campo elettromagnetico che trasforma di fatto le bobine stesse in un vero e proprio magnete. Il motore è costruito in modo tale che il campo magnetico generato dalla corrente che percorre una bobina sia unanime a quello presente nelle calamite nell’armatura; la bobina posta di fronte al polo S dell’armatura verrà percorsa dalla corrente, in modo tale che il campo magnetico in essa generato opponga all’armatura il proprio polo S. In questo modo, essendo i due poli uguali, essi tenderanno a respingersi, mentre i poli diversi tenderanno ad attrarsi. Ragion per cui la bobina S, di fronte alle calamite S, verrà respinta, imprimendo in questo modo il senso di rotazione al rotore. Per poter continuare a ruotare su se stesso, il rotore dovrà dunque essere sfiorato dai contatti delle spazzole in parti inverse, facendo scorrere in questo modo la corrente attraverso le bobine nel verso opposto; il campo magnetico presente nella bobina quindi invertirà i propri poli e la rotazione del rotore sarà in grado di continuare. Se ciò non accadesse, il rotore tenderebbe ad allinearsi con i campi magnetici delle calamite restando del tutto fermo. Ora questo tipo di motori sono diventati, con l’avvento dei motori “Brushless”, prodotti generalmente economici e sono governati da regolatori elettronici semplici da gestire e settare. Nel complesso offrono ancora discrete prestazioni, ma il loro rendimento è influenzato dalla presenza delle spazzole le quali, sfregando contro l’indotto, generano scintille e attrito, il quale è responsabile, a sua volta, del consumo delle parti in movimento e di una perdita di potenza del motore stesso. In ultimo,  va ricordato che l’attrito generato tra le parti crea calore sprecando di fatto dell’energia.

Parliamo ora dei motori “Brushless”, che sono poi i motori che ci interessano maggiormente. Come per i motori “Brushed”, ne esistono di tutti i tipi, prezzi, dimensioni e prestazioni.

Sono motori di ultima generazione alimentati da tre fili “tri-fase” che fanno a meno delle spazzole per funzionare, poichè la commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti dello statore, e quindi la variazione dell’orientamento del campo magnetico da essi generato, avviene elettronicamente per mezzo dall’ESC (Electronic Speed Controller), ossia il regolatore di velocità. Il primo vantaggio di questo tipo di motorizzazioni è, come detto, l’assenza delle spazzole quindi dell’attrito che generano quest’ultime sul collettore dell’indotto interno, a tutto vantaggio delle prestazioni e dell’uso quasi nullo degli organi in movimento; va anche detto che, a parità di alimentazione e spiraggio, sono in grado di fornire una potenza maggiore a tutti i regimi di lavoro. Il loro funzionamento è l’esatto opposto di quello dei motori “Brushed”; all’interno della cassa si trova uno statore fisso sul quale sono avvolte le spire di filo di rame che formano le “bobine”. Nello statore vi è inserito il rotore mobile che gira su cuscinetti a sfera e sul quale sono montati i magneti. Alimentando le bobine presenti sullo statore con tre poli e in modo alternato tra loro, si creeranno i campi elettromagnetici che respingeranno i magneti presenti sul rotore e di conseguenza faranno ruotare quest’ultimo sul proprio asse. Come detto in precedenza, l’intero sistema, per funzionare ed essere gestito in modo corretto, deve essere collegato per forza di cose ad un regolatore elettronico o ESC, il quale, essendo più complesso di quelli utilizzati per i motori “Brushed”, ha a suo sfavore un costo più elevato, ma ha a suo vantaggio la possibilità di intervenire su numerosi parametri e di poterne modificare i settaggi. E’ poi possibile, collegandolo ad un pc, poterne aggiornare anche il firmware interno.

I motori “Brushless” sopra descritti hanno la cassa esterna ferma, mentre gira il loro rotore interno; questo tipo di motori vengono definiti “Brushless inrunnner”. Accanto a quest’ultimi trovano posto i motori “Brushless”, in cui a ruotare è la cassa esterna; vengono definiti motori “Brushless outrunner”. Il funzionamento dei due motori è lo stesso, mentre è la costruzione interna ad essere diversa. Nei modelli a cassa rotante (outrunner), lo statore, sul quale sono avvolte le spire di filo di rame che formano le bobine, si trova al centro del motore ed è montato in maniera fissa, mentre i magneti sono montati all’interno della cassa esterna o campana. Quando le bobine presenti sullo statore genereranno i campi elettromagnetici, quest’ultimi respingeranno i magneti presenti all’interno della cassa e di conseguenza la faranno ruotare sul proprio asse.

I modelli “inrunner” sono in grado di ruotare ad altissimi giri, però generalmente presentano una coppia modesta; i modelli “outurunner”, a parità di diametro, hanno una coppia maggiore ma, presentando al loro interno un numero maggiore di “bobine” (poli), risultano essere più lenti degli “inrunner”.

I motori si differenziano in base alle loro caratteristiche tecniche tra cui: dimensioni, KV, peso, voltaggio, etc. . Vediamo nel dettaglio queste specifiche tecniche prendendo ad esempio un motore scelto a caso:

Dimensioni del motore o Motor size: Ø 28×30 mm

La forma standard di un motore è generalmente cilindrica, quindi con il segno Ø sarà indicato il suo diametro che, in questo caso, è di 28 mm; il secondo valore indica la lunghezza della cassa motore, che in questo caso è pari a 30 mm.

Diametro dell’albero o Shaft size: Ø 5 mm

Questa valore indica il diametro dell’albero del motore, dove noi andremo a montare un pignone di un automodello o di un’elica di elicottero, drone etc. Va sempre letto perché, nel caso dovessimo acquistare degli adattatori per le nostre eliche, questi ultimi dovranno avere dei fori di attacco con diametro da 5 mm.

Peso o Weight: 62,5 g

Questo valore indica il peso del motore; in questo caso è pari a 62,5 grammi. Generalmente il peso è direttamente proporzionale alla potenza del motore stesso; va detto che tale proporzione non è legge assoluta.

KV giri /min x Volt: 980 KV

Con la sigla KV, che si trova scritta direttamente sui motori brushless o sulle loro schede tecniche, si indica il massimo numero di giri per Volt che il motore può arrivare a compiere; quindi avremo KV giri/min x Volt. Nel nostro caso, abbiamo un motore che indica 980 Kv, che andremo ad alimentare con una batteria 2 celle Li-Po, quindi con una tensione di 7,4 Volt.

KV 980 x 7,4 Volt = 7.252 giri al minuto

Il risultato ottenuto si riferisce ad un motore a cui non è applicato nessun carico e nessuna resistenza, perciò i KV ottenuti non ci andranno ad indicare i giri che otterremmo con una data elica; per far ciò si rende necessario l’utilizzo di uno strumento digitale in grado di misurare i reali giri del motore con l’elica installata. Quindi, di fatto, a cosa serve tale valore? A indicare la velocità con cui il motore lavora e per mezzo della quale saremo in grado di decidere le dimensioni dell’elica da abbinargli. Motori con bassi numeri di giri ben si sposano con eliche di grandi dimensioni; viceversa motori con alti numeri di giri andranno accoppiati con eliche di piccole dimensioni.

Potenza Massima o Max Power: 225 watt

Questo dato indica la potenza del motore espressa in watt ed equivale alla quantità di energia assorbita nell’unità di tempo. Va da sé il discorso che, maggiore è la potenza, maggiore è la forza del motore e il suo consumo. Motori con watt nell’ordine dei 100/150 sono adatti a multirotori di piccole dimensioni; motori con watt nell’ordine dei 200/400 sono adatti a multirotori di medie dimensioni; oltre i 400 watt sono motori generalmente abbinabili a multirotori di grandi dimensioni.

Batteria o Battery: Li-Po 3S-4S

Questo dato indica il range di voltaggio in cui il motore può operare in tutta sicurezza. Nel caso si indichi l’utilizzo di batterie ai polimeri di litio (Li-Po) da 3S a 4S, vuol dire che il nostro motore potrà lavorare con un voltaggio minimo pari a 11,1 Volt fino ad arrivare ad un massimo di 14,8 Volt. Questi valori ci vengono dati dal numero di S (celle) presenti all’interno di una batteria. Ogni cella ha un voltaggio teorico medio pari a 3,7 Volt; quindi, se una batteria Lipo è una 2S, vuol dire che al suo interno sono presenti due celle da 3,7 Volt; nel caso di un 3S le celle da 3,7 Volt presenti saranno tre e così via, Quindi avremo ad esempio:

2S: 2 celle x 3,7 Volt = 7,4 Volt / 3S: 3 celle x 3,7 Volt = 11,1 Volt / 4S: 4 celle x 3,7 Volt = 14,8 Volt

Ovviamente dovremo andare a calcolare i “KV giri /min x V” per ogni tipo di voltaggio che applicheremo al nostro motore e optare per quello più consono alle nostre esigenze. Sapendo che il motore preso ad esempio è un 980 KV avremo:

KV 980 x 11,1 Volt (3S) = 10.878 giri al minuto

KV 980 x 14,8 Volt (4S) = 14.504 giri al minuto

In base a questi valori ed alle dimensioni del multirotore saremo in grado di scegliere come abbinare tra loro la batteria, il motore e le dimensioni delle pale. L’abbinamento non sarà perfetto al 100%, ma sarà sicuramente un buon set up base da cui partire.

Misura eliche: da 8 inch x 3,8 inch a 10 inch x 4,7 inch

Questo dato tecnico, espresso in pollici (1 pollice = 2,54 cm), indica le misure delle pale che possono essere montate sul motore preso ad esempio. Essendo un motore 2312 da 980 KV, adatto a multirotori classe 450, potrà montare pale con misure a partire da 8 inch x 3,8 inch fino ad arrivare a pale da 10 inch x 4,7 inch. Ovviamente più ci orienteremo su pale di grandi dimensioni e minori dovranno essere i giri prodotti dal motore in un minuto; perciò dovremmo accoppiarlo a batterie Lipo a 3S. Invece scegliendo pale di piccole dimensioni, i giri del motore al minuto dovranno aumentare; ragion per cui dovrà essere accoppiato a una batteria Lipo a 4S. E’ possibile montare pale anche di un pollice più grandi di quelle massime consigliate, arrivando a 11 inch x 4,5 inch, ma, aumentando il carico applicato al motore, quest’ultimo farà aumentare il fabbisogno di corrente fornita dalla batteria, con il conseguente surriscaldamento del motore stesso e con la seria possibilità di mettere in crisi anche l’elettronica.

Resistenza interna (mΩ) o Resistance (mΩ): 0,88ohms

Questo dato è espresso in ohms e ci indica la capacità di rendimento del motore. Il motore elettrico non è altro che una macchina meccanica e come tutte le macchine possiede un suo specifico rendimento. Il motore preso a esempio ha un rendimento pari 0.88 ohms; questo significa che se assorbe a monte 1 kw elettrico, renderà 0.88 kw meccanici all’albero e dissiperà sotto forma di calore 120 watt, indipendentemente dalla tensione e dalla corrente di alimentazione. Ne segue quindi che, più è basso questo valore, meno sarà efficiente il motore perchè aumenterà la quantità di corrente elettrica dispersa sotto forma di calore.

Regolatore di velocità o Electronic Speed Controller “ESC”: 20 ampere

Con questo dato viene indicato il numero massimo di ampere che il regolatore di velocità (o electronic speed controller “ESC”) deve essere in grado di fornire al motore quando quest’ultimo ne avrà bisogno per lavorare sotto un determinato tipo di carico. Il motore da noi scelto come esempio, quasi certamente, sotto carico massimo, avrà un’assorbenza di corrente compresa tra gli 8 ed i 10 ampere, ma ciò non toglie che, in determinate situazioni, potrebbe arrivare ad assorbirne anche 15 di ampere. Ecco perchè il costruttore consiglia l’utilizzo di un ESC da 20 ampere, garantendo così di operare in tutta sicurezza e senza andare a stressare l’elettronica. Si potrebbe optare, a nostro rischio, anche per un ESC da 15 ampere, risparmiando in termini di costi dai 3 ai 5 euro e in termini di peso dai 3 ai 4 grammi per ogni ESC acquistato. Di fronte a tali risparmi, soprattutto in termini di peso, personalmente ho sempre acquistato gli ESC indicati dai costruttori dei motori e, in determinate situazioni, anche leggermente più potenti.

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Gettermachine

Informazioni su Gettermachine

Credo che il modellismo abbia fatto sempre parte del mio DNA, ricordo infatti che sin da piccolo avevo la passione di lavorare con degli attrezzi, costruire oggetti, aprire giocattoli per verificare come fossero fatti al loro interno e per capirne il loro funzionamento. A consacrare questa mia passione fu una macchinina radiocomandata con motore a miscela che mi fu regalata per il mio decimo compleanno nel lontano 1986. Negli anni, questa mia passione si è sempre più consolidata fino ad abbracciare diversi settori modellistici e collezionistici, gokin, A/F, prop repliche, busti, auro r/c etc. Dal 1991 sono sulla rete come vortice11 e gettermachine, e dal 2006 ho dato vita al forum MetalRobot e ai siti gokin.it, metalrobot.it e onroadrc.it!