MOTORES ELECTRICOS BRUSHLESS INRUNNER-OUTRUNNER [PARTE 1]
Los distintos tipos de drones aéreos requieren generar fuerza de sustentación para contrarrestar la acción de la gravedad terrestre y mantenerse en vuelo.
Esta fuerza de sustentación se genera por; alas fijas, alas rotatorias (helicópteros, autogiros y Tilt-rotor) o sistemas de múltiples hélices (tricópteros, cuadricópteros, octacópteros).
Además durante el desplazamiento, las aeronaves deben vencer la resistencia aerodinámica del aire, conocida como "drag", la cual se opone al movimiento de la aeronave e intenta ralentizar y frenar su traslación.
También en aviación hay otro tipo de resistencias como las resistencias inducidas y las parasitas, pero su impacto se logra disminuir diseñando y haciendo la aeronave lo mas aerodinámica posible, con diferentes diseños de alas y/o rotores y que su piel o estructura externa sea lo mas lisa posible, los dispositivos enfrentados a la corriente de aire, (antenas, cámaras, sensores, bahías externas de carga, etc.) deben ser diseñados lo mas aerodinámicos posibles.
Los sistemas de propulsión especialmente los motores brushless (Inrunne-Outrunner) desempeñan un papel fundamental al proporcionar la energía mecánica necesaria para generar el empuje requerido por medio de hélices y/o rotores, sostener el vuelo de manera eficiente.
Antes de la de cada de 1960 solo teníamos los típicos motores con escobillas o Brushed, se usaron mucho en la aviación en grandes fabricantes Aeronáuticos como Bell Helicopter, Sikorsky, Lockheed Martin entre otros; para sus maquetas a radiocontrol y proyectos experimentales, análisis en túneles de viento, pero este motor eléctrico Brushed tiene varias desventajas:
Alguna vez en nuestra niñez, jugamos con este tipo de motores.
Posee componentes que siempre están en contacto, generando calor, chispas eléctricas y desgaste por fricción, potencia y torque muy bajos, consumo eléctrico alto, entre otros....pero a día de hoy se siguen comercializando y tienen su lugar en pequeños juguetes motorizados, algunas pequeñas herramientas eléctricas, ventiladores pequeños, licuadoras, secadores de cabellos, se utilizan mucho en proyectos didácticos escolares, vamos es un motor sencillo, barato de construir y fácil de poner en marcha.
En la década de 1960 y finales del 1970 fue en donde aparecieron los primero diseños de BLCD Brushless Direct Current, diseñados para entornos industriales y aeroespaciales por su alta fiabilidad y bajo mantenimiento, justificaban su costo, complejidad de diseño y electrónica.
Aunque requerían controladores voluminosos y caros; el verdadero punto de inflexión llegó en los años 1980 y 1990 con la evolución de la electrónica de potencia, componentes innovadores como los MOSFET, condensadores y los microcontroladores, lo que permitió desarrollar sistemas de control más compactos y precisos, impulsando su adopción en robótica industrial, discos duros, y en sistemas de automatización, aprovechando ventajas con mayor eficiencia, menor ruido y mejor control de velocidad y posicionamiento.
A finales de los años 90 y principios de los 2000, el crecimiento del aeromodelismo eléctrico marcó un cambio clave, ya que la aparición de controladores electrónicos de velocidad (ESC) más accesibles permitió a los aficionados reemplazar motores brushed(con escobillas) por brushless (sin escobillas), logrando aviones y helicópteros de aeromodelismo más ligeros, potentes y eficientes.
El uso de baterías de polímero de litio (LiPo), microcontroladores más potentes y algoritmos de estabilización y control mas robustos, permitió el nacimiento y expansión masiva de los drones aéreos multirrotor, donde los motores brushless se volvieron indispensables por su rápida respuesta, durabilidad y eficiencia energética, siendo clave en plataformas comerciales, recreativas y profesionales; paralelamente en robótica, estos motores se integraron en robots móviles, brazos manipuladores y sistemas autónomos, especialmente con técnicas avanzadas de control, en la actualidad, los motores brushless son un estándar en múltiples industrias, desde drones aéreos, autos eléctricos, robótica etc.
Ahora si entremos en materia.
Motores BLDC Brushless Direct Current
En la robótica aérea actualmente tenemos dos tipos de motores Brushless los que son de diseño Inrunner y los de diseño Outrunner.
Motores Brushless Inrunner
La diferencia entre estos motores esta en su diseño mecánico específicamente en el rotor que es el componente que esta en constante movimiento, los motores Brushless Inrunner, el rotor está en la parte interna y gira dentro del estator el cual obviamente es fijo y esta ubicado en la parte externa.
Estos motores son los reyes en cuanto a velocidad de operación se refiere.
Son los motores que se utilizan en drones aéreos de ala fija de super alta velocidad y maniobrabilidad.
Algunas ventajas respecto a su hermano Brushless Outrunner, es que al ser completamente sellado o casi sellados depende del fabricante, tienen mejor disipación térmica porque el estator (donde están las bobinas, y donde se genera la mayor parte del calor) está en la parte externa y en contacto directo con la carcasa, lo que facilita que el calor se transfiera hacia afuera y se pueda enfriar más eficientemente con la propia corriente de aire generada por las hélices o rotores y el propio aire de impacto de avance de la aeronave, incluso el diseño de estos motores la carcasa externa cuenta con pequeños disipadores tipo aletas, también esta la opción de adoptarles disipación liquida, aunque solo lo he visto en drones tipo acuáticos, pero no falta el genio curioso que lo adopte a su dron aéreo.
Al tener temperaturas de funcionamiento tan bajas, se logra una alta eficiencia en cuanto a rendimiento no hay perdidas de potencia en ninguna de las fases del vuelo, ya saben que el calor es el enemigo de los imanes de Neodimio, si tu motor no puede disipar el calor generado por las bobinas, afectará la permeabilidad magnética de los imanes de Neodimio de hecho es uno de los factores críticos en su rendimiento y vida útil: estos imanes tienen una propiedad llamada temperatura máxima de operación; si el motor supera ese rango, empiezan a perder magnetización, primero de forma temporal, baja el rendimiento del motor lo que se traduce en menos control por parte del ESC, menor torque y eficiencia, si la temperatura es demasiado alta o sostenida, la permeabilidad magnética puede reducirse enormemente, lo que significa que el motor ya no recuperará su potencia original.
Depende del fabricante y el uso que se les vaya a dar, el diseño sellado o casi sellado y digo casi porque algunos tienen orificios pero es para remover los tornillos para desarmar el motor, no tienen aberturas grandes como los motores Outrunner, esto da seguridad y evita que los imanes y devanados acumulen suciedad, polvo, arena, algún FOD (Foreing Object Damage) objeto extraño, que se pueda meter entre lo devanados, los componentes internos se mantendrán impecablemente limpios.
Estos motores presentan una alta eficiencia térmica que, incluso después de varias horas de operación, su temperatura superficial se mantiene relativamente baja, dando la sensación al tacto de haber trabajado durante un periodo mucho más corto.
Son idóneos para incorporarlos en drones aéreos de ala fija que requieran una alta velocidad y maniobrabilidad. Además son los motores utilizados para el sistema de propulsión Electric Ducted Fan que es la cúspide en la propulsión de la robótica aérea, si se lo diseña bien, que mas adelante veremos.
Motores Brusshless Outrunner
Creería que es el motor mas conocido y vistoso por la mayoría de personas que han trabajado con drones aéreos, y es razonable en la mayoría de trabajos con este tipo de aeronaves no necesitamos una enorme velocidad de traslación o agilidad en maniobras. Por eso este motor tiene su nicho en drones aéreos con velocidades no tan altas de traslación.
El diseño mecánico de estos motores consta de un estator con sus respectivos devanados ubicado en el centro y el rotor que tiene diseño de "campana" contiene los imanes de neodimio y esta ubicado y girando en la parte externa lo que aumenta el brazo de palanca y genera mayor torque a bajas RPM, haciéndolos ideales para drones aéreos no tan veloces e instalación en sistemas de gimbals.
Algunas ventajas de este tipo de motores:
Pueden mover hélices grandes acopladas directamente al eje o acopladas al rotor externo sin necesidad de reductores (engranajes aumentadores o reductores de fuerza, transmisiones).
Son más grandes en diámetro, giran más lento pero entregan más Par de Fuerza, por eso dominan en los multirrotores.
ELECTRIC DUCTED FAN
Bien antes de comentar a fondo sobre este tipo de propulsor, hay que mencionar primero que a día de hoy, la mejor tecnología de baterías para drones aéreos esta muy lejos de compararse en cuanto al rendimiento energético del que ofrece una sola gota de combustible de aviación.
En un motor a reacción ó motor de turbina como también se le suele llamar, cualquiera que sea su diseño llámese; TurboFan, Turbo-eje, Turbo-propeller todos hacen el uso de comprimir el aire que ingresa al motor a muchas atmosferas de presión, guiarlo hacia la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición creando una expansión de este aire a muy alta temperatura y gran velocidad, y salir por la tobera de escape, a velocidades entre 1.000, 1.300 o 1.400 kilómetros por hora o más, no si antes de haber pasado por las etapas de ruedas de turbina que extraen parte de la energía para hacer girar el compresor o etapas de compresores-estatores, este tipo de motores, tienen un rendimiento espectacular.
Entonces en motores a reacción tenemos los ciclos de admisión, compresión, combustión y expansión del aire que ingresa en el motor, todo esto se hace de forma continua internamente en el motor.
Pero en un Electric Ducted Fan tenemos algunos inconvenientes y desventajas:
1- La admisión y expulsión del aire depende de un único Fan.
2- No posee mecanismos para comprimir el aire.
3- El aire que expulsa es de temperatura ambiente no hay forma de calentarlo para expandirlo y que genere mas presión y velocidad de escape.
4- El diseño del carenado en la mayoría de los Electric Ducted Fan son simples tubos rectos, muy pocos fabricantes se enfocan en darle forma de tobera convergente, para acelerar más el aire en la tobera de escape.
Prácticamente este propulsor en su versión eléctrica carece de los sistemas que lo hacen eficiente y de alto performance tales compresores, estatores, si ven el problema al que nos enfrentamos.
El Fan al igual que sus hermanos de combustión es carenado esto ofrece una reducción en cuanto a vibraciones, evita vórtices en la punta de las palas (alabes), por eso las hélices normales tienen un tope limite de revoluciones para no exceder, y por lo general un Fan trabaja a revoluciones más altas que una hélice normal, debido al diseño de sus alabes y por estar carenado por el ducto.
El carenado optimiza el flujo de aire, acelera más masa de aire de forma controlada, absorbe el ruido generado por el motor y alabes.
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Las únicas ventajas que ofrecen este tipo de propulsor eléctrico si esta bien diseñado y optimizado son las siguientes:
-Vuelos parar velocidades medias y altas, el Fan al estar carenado, y por la forma de sus alabes puede operar a revoluciones muchas mas altas en comparación con una hélice normal.
-La masa de aire que se acelera es mucho mas uniforme, en comparación con la masa de aire acelerada por hélices, lo cual genera un flujo de aire menos turbulento, con menos perdidas por vórtices y una mayor velocidad de escape por la tobera que es lo que nos interesa al final.
-Al igual que sus hermanos de combustión, a mayor velocidad de traslación de la aeronave mejor rendimiento tendrá este tipo de propulsor, ya que el aire de impacto tiene una presión adicional y velocidad alta para ingresar al interior del ducto.
Si ustedes quieren comprar un propulsor de este tipo para sus aviones o experimentar con estos propulsores; entonces tengan en cuenta lo siguiente para que obtengan una buena compra y evitar dolores de cabeza.
1-El Fan al igual que el ducto deben estar hechos en fibra de carbono o aluminio o algún otro metal liviano y resistente, eviten comprar los que tengan el fan hecho con material de plástico o polímeros baratos, ya que este motor trabaja a revoluciones mucho mas altas de las que puede soportar una hélice normal, esta aceleración, y la fuerza centrifuga va deformando el plástico o polímeros, generando vibraciones y dañando completamente el motor.
2-En el Datasheet del motor debe especificar que el Fan tiene un balanceo estático y dinámico por parte del fabricante.
3-Cómpralo con el motor Brushless Inrunner, muchas tiendas de Hobbies y tiendas en línea de mercado lo venden con motor Brushless Outrunner (porque es un poco más barato) entonces no lo elijas, los motores Outrunner no pueden manejar adecuadamente las velocidades que se requiere para hacer que un Fan trabaje eficientemente. Si solo lo encuentras con motores Outrunner, entonces puedes reemplazar el motor por uno que sea Inrunner, y elegir el mismo diámetro del eje.
4-Todo el diseño del ducto interno debe tener forma de Tubo Venturi Divergente-Convergente, y la tobera de escape debe ser del tipo convergente. No elijan diseños de ductos rectos internamente como si fuese una tubería de agua de PVC, aléjense de este ultimo diseño, porque entonces no van aprovechar la aceleración del aire por medio del efecto Venturi.
5-El número de alabes del Fan en lo posible buscarlo de 9, 10, hasta 12 alabes, obtendrán un flujo de aire con menos perdidas por vórtices y flujo turbulento.
Adjunto imagen, para que tengan un referencia más clara y concisa de lo que se debe comprar o si poseen una impresora 3D de gran formato y que maneje filamentos de Fibra de Carbono, ASA, es una buena opción entonces y construir el ducto del Fan en tu propia casa.
Vemos también que el motor brushless inrunner esta carenado con una cubierta aerodinámica y junto con las paredes interna del ducto forman un estrechamiento esto es clave para acelerar el aire aún más.
En futuras secciones de este Blog, experimentaremos con algunos componentes instalados en un Ducted Fan Eléctrico, tales como; (resistencias eléctricas calefactoras, calentadores cerámicos entre otros), para que se produzca una leve expansión del aire y así tener más velocidad de escape por la tobera, y sacarle más rendimiento a este tipo de motores, y no dejarle todo el trabajo al motor Brushless Inrunner para acelerar la masa de aire, así el motor trabajaría con menos demanda energética proveniente de la batería, lo cual nos daría mas autonomía.
Obviamente para que este experimento tenga un resultado positivo, es necesario que el aire interno se comprima o al menos que una pequeña parte de este lo haga, de lo contrario no funcionaria.
Ahora la pregunta es ¿Como podemos introducir más aire del que ya esta ingresando el Fan? sin la necesidad de aumentar las revoluciones del motor......y leyendo una documentación y viendo algunos videos del Motor J58, que lleva el SR-71 BLACKBIRD posiblemente este la respuesta a la pregunta anterior, este motor es un Turborreactor junto con un Estatorreactor denominado TurboRamjet ubicado en la parte posterior.
Los motores Estatorreactores necesitan mucha cantidad de aire para funcionar para mantener una combustión adecuada.
En el SR-71 los ingenieros de este motor agregaron diferentes tipos de compuertas a lo largo del carenado como las Suck-In Doors o compuertas de succión, ingresando mas aire al motor, accionadas automáticamente por diferencia de presiones.
Les dejo el video del funcionamiento de este motor, es muy interesante.
Por ultima instancia podemos combinar ese aire extra que introducimos, calentando una parte con las resistencias eléctricas calefactoras, y/o calentadores cerámicos, y medir el aumento de empuje.
Para eso es este blog, para experimentar, y contribuir al mundo de la Robótica Aérea y a mejorar nuestras aeronaves.
Muchos grandes fabricantes de motores de aviación como Rolls-Royce, General Electric, Pratt and Whitney entre otros también están haciendo sus demostraciones en bancos de pruebas, con Electric Ducted Fan (EDF), para aviones de pasajeros, calentado internamente toda la masa de aire o una parte, para así expulsarlo a mayor velocidad por la tobera y así obtener un rendimiento superior.
Y algo importante es que ellos utilizan ventajas mecánicas para hacer girar el Fan, engranajes reductores, aumentadores de fuerza, cajas de transmisión. Porque al acoplar una hélice o un fan directamente al eje del motor no es para nada eficiente energéticamente.
Como mencione antes en otra sección, los sistemas de ventajas mecánicas (engranajes, transmisiones) ayudan por mucho a que el sistema funcione mas eficientemente energéticamente, vean el caso de los helicópteros RC, es un solo motor unos cuantos engranajes para transmitir el movimiento giratorio al rotor y aumentar el torque, para mover una enorme masa de aire, mas que un Cuadricóptero del mismo tamaño y lo mejor a bajas Rpm constantes y con autonomías de 1 hora y media de vuelo o incluso hasta las 2 horas de vuelo con una sola batería.
Hay otro caso, el Tricoptero (3 motores), gracias a su ventaja mecánica como el Servo del motor de cola, mejora sus prestaciones en el eje vertical YAW, y le permite usar hélices mas grandes que giren a menores rpm, lo cual le da una autonomía algo mas de 10 a 15 minutos respecto a un cuadricóptero del mismo tamaño.
Acoplar las hélices, a nuestras aeronaves ya sea avión o cuadricópteros, directamente al eje del motor es solo por la sencilles que ello con lleva y a un precio mas barato.
Pero no es lo más eficiente en cuanto a trabajo a realizar, rendimiento energético, y potencia para desarrollar.
La mayoría de los aeromodelistas profesionales optan por ponerle a sus motores eléctricos una caja reductora, o engranajes aumentadores de torque, engranajes aumentadores de velocidad para sus aviones o helicópteros, porque así se minimiza el consumo energético del motor, trabaja mucho mas suave, no se le exige mucho y la aeronave tiene más autonomía, porque los engranajes o la transmisión son las encargadas de hacer el trabajo más duro y es, el de manejar la carga de la hélice o el rotor.
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