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Estatores y esquemas de bobinados

Tipos de estatores

Cuando uno empieza a buscar estatores con el objetivo de construir un motor, veremos que vienen de todo tamaño y cantidad de polos. La cantidad de polos es el numero de dientes disponibles para ser bobinados. Para nuestro proposito, necesitamos siempre estatores que tengan una cantidad de dientes divisible por 3, asi seran compatibles con los reguladores de velocidad trifasicos comerciales. De esta manera, entonces solo nos sirven los estatores con 3, 6, 9, 12, etc dientes.



La mayoria de los motores de CD-ROM, tienen estatores de 9 polos mientras que usualmente los de disco duro tienen de 12 polos.

Estos dos son los mas comunes. Los que tienen mas cantidad de polos, son los mas buscados hoy en dia porque nos dan la posibilidad de bobinarlos en distintas configuraciones.

Pero, que diferencia hace en realidad? Bien, aca es donde se pone interesante el tema para algunos y confuso para otros. Para un mismo diametro de estator, ambos motores pueden ser construidos para ganarle al otro. Todo depende de cual es el proposito del motor.

Como los de CD-ROM son los mas comunes de convertir para el uso en aviones, han ganado mucha popularidad. Los estatores de 12 polos son para los constructores mas exigentes y que ya tienen algo de experiencia.


Estatores de CD-ROM y de disco duro respectivamente

Cuando los fabricantes de motores empezaron a liberar al mercado los de 12 polos, comenzaron las preguntas sobre cual era mejor. Algunos experimentadores han resaltado que un estator de 12 polos es el objetivo y la verdad que estoy de acuerdo con ellos. De todas formas un estator de 9 polos puede llegar a funcionar igual o mejor que uno de 12!

Grosor del estator

En un motor, el nucleo de hierro no es un nucleo macizo de hierro solamente, sino mas bien una serie de laminas de un material ferroso especial. Entre capa y capa deberia tener idealmente un aislante, para detener las perdidas. Por ahora no nos detendremos en estos detalles, solo es necesario saber que esta laminado por una razon.

Un estator de CD-ROM tiene tipicamente alrededor de 4 a 5mm de espesor y contiene un cierto numero de laminas metalicas. A veces estas laminas estan recubiertas de una resina protectora.


Laminas que componen el estator


Estos son estatores muy buenos para bobinarlos porque reducen la posibilidad de que tengamos una bobina en cortocircuito con el estator. Para un motor simple, esos 4 o 5mm es todo lo que necesitamos, sin embargo para un poco mas de potencia, se pueden usar 2 de ellos, uno a continuacion del otro.

A medida que la profundidad del estator aumenta, cambian un cierto numero de factores que se relacionan con este grosor, el mas obvio es que hacen falta imanes mas largos. Es comun que los motores con un estator mas grueso resultan en un motor mas poderoso, pero hay limites de hasta cuanto podemos hacerlo mas grueso.

Entonces, cual deberia ser el grosor ideal del estator para la mejor perfomance? Hay articulo que indican que la mitad del ancho del estator es la mejor medida para la profundidad. Entonces para un motor de 24mm de CD-ROM, lo ideal seria que fuese 12mm de profundo, o bien, 3 estatores comunes pegados. Hay que tener en cuenta que mientras aumentamos la profundidad, se vuelve mas critico el soporte del rotor al eje. Lo mas tipico es que los imanes que consigamos en el mercado sean los que finalmente decidan el ancho del motor. Para el primer motor lo mas aconsejable es usar solo un nucleo estator de CD-ROM.



Al desarmar los motores de disco duro, notaran que los estatores son un poco mas finos. Aqui es donde seguramente van a necesitar mas de uno para sacarle suficiente potencia. Encontrar dos discos duros con el mismo tipo de motor, es otra historia. Al parecer vienen de muchos tamaños y sera necesario destripar unos 10 motores antes de encontrar 2 parecidos.

Estatores utiles

Hay otro tema importante que necesita observar para determinar si es valido reciclar ese motor, La campana giratoria, (carcasa con los imanes) debe estar fija a un eje que pasa por el centro del estator.

Algunos estatores vienen con el eje ensamblado con bujes de bronce y otros con doble rodamientos. Cuando abran un motor con rodamientos, es como sacarse la loteria! Los motores con rodamientos ya casi no se consiguen porque las ultimas lectoras de CD-ROM ya no los traen. Un ensamblado con rodamientos y un eje de 3 mm es mas que ideal para nuestros propositos.



Los que vienen con bujes de bronce son una historia aparte, personalmente no los recomiendo ya que nunca duran suficiente y el motor con rodamientos ademas de durar gira mas suave. Dentro de los estatores con bujes de bronce hay dos clases a diferenciar. Una de ellas es con un diseño que permite alojar rodamientos, aqui el buje de bronce es grande y al retirarlo deja suficiente espacio para un rodamiento.

La otra version, es un pequño buje que no permite un rodamiento, pero no todo esta perdido, se puede lograr ese espacio con una augeriadora o torno. Solo hay que tener en cuenta que es necesario tener por lo menos 2mm de metal entre el agujero y los dientes de las laminas del estator. Si esto no es posible, entonces habria que encontrar otro estator.



Finalmente hay que verificar que el espacio en el diente es suficiente para alojar varias vueltas de alambre, en realidad, se pueden hacer un motor de estos... pero la potencia no seria interesante. Como referencia (ver mas adelante) necesitamos entre 15 y 30 vueltas de un alambre de 0.4mm en cada diente. Si no se puede bobinar asi, seria mejor dejar ese estator de lado.

Fuentes de desarme

Con un torno se pueden construir todo tipo de motores facilmente. Solo necesitamos proveernos de otros motores para poder sacarles piezas y armar asi nuestros estatores.

En principio la mejor fuente son electrodomesticos rotos o en desuso en nuestra casa. Desde una augeriadora rota hasta una batidora.


Algunos rotores que nos pueden servir como futuros estatores

Los CD-ROMs y los discos duros son la mejor fuente de estatores que se pueden encontrar. Pero encontrar un disco duro que no sirva y desarmarlo no es tarea facil. Vamos a necesitar herramientas especiales o sino seguramente nos decepcionaremos.

Buscar en un tiradero o "chacarita" a veces vale la pena, personalmente he encontrado muchas cosas (varios estatores que no sirven tambien) pero a la larga siempre algo interesante se encuentra.

En las casas de reparacion de computadoras, siempre hay partes sin reparacion. Por suerte consegui una empresa que recicla estas cosas y pude conseguir varias cajas.

Eligiendo el alambre

Para el bobinado de los motores normalmente usaremos alambre de cobre liso unifilar de corte circular. Hay otros tipos de alambres, como de corte cuadrado o multifilar. cuando las necesidades de potencia son realmente altas.

Cuando es mucha corriente y se pretende usar un alambre muy grueso, conviene bobinar con 2 o mas alambres finos de seccion equivalente por una cuestion de practicidad al momento de doblar el alambre en el diente del estator. Usar un bobinado multifilar resulta tambien en un aprovechamiento del espacio ya que se cubren mejor los espacios inter-espira.

Cuando el alambre es muy fino, y como sabemos las RPMs del motor van en relacion con la corriente, si aumentamos la tension, por ley de ohms circula corriente, pero un alambre tiene una determinada resistencia para su seccion. Si la resistencia es alta y la corriente que circula es mucha, la potencia extra que le estamos proveyendo al motor se disipara en calor en el bobinado.



Conclusion, hay que aumentar la seccion del alambre cuando el motor no entrega las RPMs que deberia y ademas se calienta.

Para un motor de CD-ROM, el alambre normalmente usado varia entre 0.4 a 0.6mm de diametro. El alambre de 0.4mm tiene mas resistencia pero con el, se pueden bobinar mas espiras. El tema es entonces el tipo de coneccionado que le hagamos a las bobinas, las cuales pueden estar en estrella (Y) o triangulo o delta (detallado mas adelante)

Determinar la resistencia de un alambre de menos de 1 ohm es muy complicado con instrumentos simples como un tester, por ello es conveniente usar la siguiente tabla teniendo en cuenta el largo y el diametro o la seccion del mismo.

 
diametro
seccion
resistencia
seccion
resistencia
seccion
resistencia
(mm)
(mm²)
(mW /m)
(mm²)
(mW /m)
(mm²)
(mW /m)
     
2 hilos
 
3 hilos
 
0,30
0,071
247,57
0,141
123,79
0,212
82,52
0,35
0,096
181,89
0,192
90,95
0,289
60,83
0,40
0,126
139,26
0,251
69,63
0,377
46,42
0,45
0,159
110,03
0,318
55,02
0,477
36,68
0,50
0,196
89,13
0,393
44,56
0,589
29,71
0,55
0,238
73,66
0,475
36,83
0,713
24,55
0,60
 0,283
 61,89
 0,565
 30,95
 0,848
20,63 
0,65
 0,332
 52,74
 0,664
 26,37
 0,995
 17,58
0,70
 0,385
 45,47
 0,770
 22,74
 1,155
 15,16
0,75
 0,442
 39,61
 0,884
 19,81
 1,325
 13,20
0,80
 0,503
 34,82
 1,005
 17,41
 1,508
 11,61
0,85
 0,567
 30,84
 1,135
 15,42
 1,702
 10,28
0,90
 0,636
 27,51
 1,272
 13,75
 1,909
  9,17
0,95
 0,709
 24,69
 1,418
 12,34
 2,126
  8,23
1,00
 0,785
 22,28
 1,571
 11,14
 2,356
  7,43
1,05
 0,866
 20,21
 1,732
 10,11
 2,598
  6,74
1,10
 0,950
 18,41
 1,901
  9,21
 2,851
  6,14
1,15
 1,039
 16,85
 2,077
  8,42
 3,116
  5,62
1,20
 1,131
 15,47
 2,262
  7,74
 3,393
  5,16
1,25
 1,227
 14,26
 2,454
  7,13
 3,682
  4,75
1,30
 1,327
 13,18
 2,655
  6,59
 3,982
  4,39
1,35
 1,431
 12,23
 2,863
  6,11
 4,294
  4,08
1,40
 1,539
 11,37
 2,079
  5,68
 4,618
  3,79
1,45
 1,651
 10,60
 2,303
  5,30
 4,954
  3,53
1,50
 1,767
  9,90
 2,534
  4,95
 5,301
  3,30

Estrella y triangulo o delta

Bobinar un motor no es algo facil, se requiere algo de practica para hacerlo bien y al principio tal vez tardemos mucho pero no hay que desanimarse.
Cuando bobinamos, tenemos que hacer que las espiras esten bien proximas entre si, y una capa de espiras debe estar encimada de la otra sin mezclarse con la anterior. Si el alambre no esta suficientemente tenso, pasara que cuando bobinamos la capa sobre el, las espiras se sobreponen y se producen "abultamientos" de alambre en cierta parte del bobinado, lo cual no es bueno en absoluto.



Tampoco hay que bobinar el alambre haciendole fuerza exesiva en cada espira porque se puede saltar el barniz protector del cobre y hacer cortocircuito contra el metal del diente.

Los consejos basicos son:
  • Paciencia
  • Usar un pegamento de contacto cuando haga falta, sobre todo al empezar una nueva capa.
  • Ayudarse a sostener el estator en un soporte desde es mas facil trabajar
  • Cortar aproximadamente el largo del alambre y no trabajar "desde el rollo"
  • Identificar el comienzo y/o el final de la bobina.
  • mas paciencia :-)
Una vez que terminemos de bobinar, tendremos 6 alambre, donde hay 3 comienzos y tres finales, evidentemente tenemos que saber identificarlos para no equivocarnos en la configuracion.



Estrella o triangulo son dos formas diferentes de unir entre si las bobinas, de las dos formas funcionan los motores, y hasta hoy no hay una sola opinion de cual es mejor. Ambas tienen buenas propiedades y ambas afectan al motor en su funcionamiento.


Ejemplo de bobinado en triangulo o delta, para el caso del estator de 9 polos, tenemos que cada bobina se divide a su vez en 3 pequeñas bobinas en 3 dientes del estator (1, 4 y 7)


Disposicion en Triangulo o delta para un estator de 9 polos



Disposicion en estrella


Estrella visto desde el estator

Un bobinado en triangulo se utiliza normalmente cuando queremos mover una helice a muchas RPMs y uno en estrella para bajas vueltas y una helice mas grande. Esto queda un poco mas claro cuando vemos los numeros de la relacion RPM/Volts

Si alimentamos en dos extremos de una configuracion en triangulo, circulara corriente por cada una de las 3 bobinas. Para ilustrar como circula la corriente por ellas, imaginemos que cada bobina tiene 1 Ohm de resistencia, de esta forma tenemos 1 Ohms por fase en paralelo con otras dos fases de 1 Ohm, por ley de Ohms calculamos que 2/3 de la corriente total pasara por la fase A y el 1/3 restante por las otras dos. La resistencia total que vera el regulador sera de 0.66 Ohms

Si ahora conectamos las mismas bobinas en estrella, solo tendremos corriente circulando por dos bobinas por vez, la corriente en ambas bobinas sera la misma y la resistencia es de 2 Ohms.

Si aplicamos ua alimentacion de 10v la corriente seria de alrededor de 15A para triagulo y unos 5A para estrella. No hace falta aclarar que en la configuracion triangulo podemos entregar mas potencia en este caso.

Pero la cosa no termina aqui, se podria meter mas corriente al motor para mover una helice mas grande, pero el par motor empieza a impedirlo. Se podria poner una helice grande, pero la eficiencia seria muy baja, resultando en un motor recalentando.

Cuando alimentamos un motor con una configuracion en estrella y nos da poca potencia, podemos aumentar el voltaje para encontrar su limite, en el caso de un bobinado en triangulo, conviene tener cuidado con una alta tension, porque un voltaje elevado puede quemar el motor debido a las altas corrientes que circularan por el mismo. Conviene bajar la tension de alimentacion porque sabemos que la eficiencia tiene un limite debido al par motor de un motor en triangulo.

RPM por Volts (RPM/V)

Esta relacion nos sirve para determinar si el motor en cuestion nos sirve para tal o cual aplicacion y cual es la mejor manera de usarlo. Por ejemplo si tomamos un motor girando sin carga y le aplicamos una alimentacion de 6V, el motor tendra un valor maximo de RPMs, si tenemos como medir estas RPMs, dividimos su valor por el valor de tension del pack, obtenemos esta relacion de RPM/Volts.

Suponiendo que nuestro motor nos dio unas 8000 RPM con 6 Volts:
8000 / 6 = 1333 RPM por Volt

De esta forma si lo alimentamos con 10V ya sabemos que las RPMs seran de 13333.
Si por ejemplo necesitamos un motor para un ducted-fan necesitaremos un motor con un RPM/V muy alto, mientras que si el modelo es para vuelo 3D, necesitaremos mayor par motor por lo tanto un bajo RPM/V y de esta forma mucho empuje estatico.

Solo hay que recordar que cuando cargamos el motor con la helice, la relacion de RPM/V obtenida no se puede tener en cuenta.

Volviendo al tema de las configuraciones estrella o triangulo, hay una relacion entre los RPM/V. Si bobinamos un motor con una configuracion estrella, y le medimos las RPM/V podriamos saber segun un calculo cual seria esta relacion en triangulo.

  • Convertir de estrella a triangulo, el valor de RPM/V se multiplica por 1.73
  • Convertir de triangulo a estrella, el valor de RPM/V se multiplica por 0.578
Finalmente llegamos a la conclusion de que podemos cambiar el comportamiento del motor con solo cambiarle el esquema de bobinado, de hecho algunos constructores terminan los 6 alambres en una placa que permite falcilmente cambiar de esquema.

Como hacemos para determinar el RPM/V antes de construir el motor?
Hay tablas donde se especifica el grueso del estator, el tamaño, etc. Tambien hay programas que nos calculan las espiras y los imanes a usar para obtener algunos resultados conocidos.

La potencia de los imanes influye en la relacion de RPM/V. En forma de guia, aqui hay algunas cosas a tener en cuenta.

  • Mientras mayor es el numero de espiras bobinado mayor es el campo magnetico producido para una corriente dada.
  • Imanes mas poderosos resultan en un bajo RPM/V
  • Para RPMs altas, con solo unas espiras lo logramos ya que no necesitamos mucho par motor.
  • Estatores produndos o gruesos reducen el RPM/V y viceversa

Bobinados de Motores "Outrunners" o con carcasa movil

Los siguientes son ejemplos de bobinados para motores con un maximo de 8 polos en el rotor. Para circuitos de 10 polos los bobinados son diferentes. Tambien, por razones de claridad, no se dibujaron los imanes en los esquemas de bobinados



Diagrama para 3 Polos en el estator, es el mas facil de bobinar de todos los esquemas.
Los motores con el estator central tambien son conocidos como "outrunners"
Lo que gira es la carcasa con los imanes permanentes.



Estator de 6 Polos, donde el cableado trifasico es en triangulo
El final de cada bobinado se conecta con el principio del siguiente.



El mismo estator que el anterior, de 6 polos, solo que en configuracion estrella
El final de cada bobinado se conectan entre si.
No es aconsejable usar una configuracion estrella (Y) en una combinacion de estator de 6 polos con un rotor de 10 polos ya que la habilidad del controlador para leer la posicion del rotor es muy reducida