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Motores de alto par motor

Inrunner vs Outrunner

Los motores pueden ser construidos para que los imanes esten solidarios al eje y a su vez este gira por dentro de las bobinas (ver animacion al final). Inrunner significa algo asi como rotor interno y outrunner, como se imaginan, rotor externo.

Como habran notado, la mayoria de los motores brushless son del tipo outrunner, esto se debe principalmente a que un outrunner siempre tiene mas par motor, resultando en su capacidad de poder tener una helice de mayor diametro sin necesidad de usar una reduccion.


Motor "Outrunner" o de rotor exterior

Pero ojo, no todos los outrunners funcionan bien sin una reduccion, hay que tener en cuenta que mientras mas chico es el diametro del rotor, menos es el par motor disponible. Un motor de CD-ROM, de 20mm es practicamente imposible usarlo con una helice por encima de 5 o 6 pulg. Si bien se podrian hacer para ponerles una helice mas grande, la eficiencia del sistema se vuelve muy baja, resultando en mucha temperatura disipada en el motor. Este calor, puede provocar que los imanes se deterioren, recordemos que no hay que exponerlos nunca a temperaturas muy altas.

Para un uso con helices de mayor diametro este pequeño motor, conviene usar una reduccion, haciendo que el sistema tenga nuevamente una eficiencia de alrededor del 90%.

Cuando se usan motores de CD-ROM de 24mm, se pueden usar helices mas grandes sin problema. Aunque la mayoria de los constructores de estos motores los sobrecargan como deciamos recien con helices de 9 o 10 pulgs. La eficiencia en estos casos con suerte llegan al 50%, pero lo bueno es que el peso ahorrado por encima de un motor brushed comun es tan grande que se pueden poner mas baterias livianas de LiPo con las que se puede ganar nuevamente mucho mas porcentage, haciendo que el 50% perdido sea minimo. Si en esta cuenta se termina ganando un 30%, durante el vuelo se siente realmente una mejora en ese mismo porcentage.

Relacion de giro y polos

Los motores se bobinan como vimos anteriormente con un cierto numero de polos en el estator, teniendo en cuenta ciertos factores en el rotor. Las señales en los bobinados siempre son las mismas para todos los motores, pero podemos hacer que varie el par motor del motor variando el numero de polos.

Las señales de pulsos trifasica que alimenta al motor, genera un campo magnetico rotativo internamente en el motor, este campo giratorio es seguido (idealmente) por el rotor que contiene los imanes permanentes a la misma velocidad que rota el campo de las bobinas.

Por esto mismo, en electromecanica, a estos motores se los identifica como motores trifasicos sincronicos.


El rotor interno "sigue" el campo de atraccion de las bobinas
Motor "inrunner"

En el caso del motor de los bobinados mas simples es el que tiene 3 bobinas en el estator y solo 2 imanes en el rotor, esto serian 3 polos en el estator y 2 polos del rotor. Luego podemos encontrar 6 polos en el estator y 4 polos en el rotor.
En estos casos, cuando el campo magnetico de las bobinas gira una vez, el rotor gira 1 vez tambien; determinando asi una relacion de giro de 1:1

En el caso de un motor con 3 polos en el estator tambien podemos usar un rotor de 4 polos, pero esta vez la relacion de giro cambia porque cuando se produzca una vuelta completa del giro magnetico el rotor solo hara media vuelta; determinando asi una relacion de 2:1 (esta es una explicacion rapida, en detalle esto es una aproximacion)

El numero total de polos del estator siempre debe ser multiplo de 3 cuando se trata de un motor trifasico; hay motores con mas de 3 fases pero escapan a esta explicacion. Por otro lado tenemos que el numero total de polos del rotor siempre debe ser multiplo de 2, esto se debe a que siempre encontramos como minimo un polo Norte y uno Sur para tener un flujo magnetico

Entonces cuando tenemos un estator de 6 polos y un rotor de 8 polos, tambien tenemos una relacion de giro de 2:1.

Algo interesante es que en un estator de 6 polos, teoricamente podriamos usar un rotor de 10 polos, haciendo que la relacion de giro sea de 5:1. Si comparamos la respuesta de un motor con una relacion de giro de 5:1 con uno de 1:1, tendremos mucho mas par motor en el de 5:1 a menos vueltas.

En los motores con una relacion de 5:1 la mayor eficiencia se logra a bajas RPMs, por lo que nos permite usar helices mas grandes.... lo mas interesante es que incluso a estos motores "tambien" podemos llevarlos a altas vueltas haciendo que la señal de conmutacion sea 5 veces mas rapida que en uno de 1:1.

Estos motores con esta relacion de giro y alto par motor se los conoce como LRK

Midiendo la eficiencia del motor

Siempre que tengamos un motor, nos preguntaremos sobre lo eficiente que esta siendo; ya sea comprado o hecho por nosotros mismos. Para ello tenemos que saber que la eficiencia es un numero que resulta de dividir la potencia de entrada por la potencia de salida. Por ende mientras mas se parezcan la potencia de entrada a la de salida, mayor eficiencia tiene el motor.

En el caso de un motor electrico, la potencia de entrada son parametros electricos, pero la potencia de salida debe medirse mecanicamente ya que asi es como convierte la energia.

Para medir la potencia de entrada lo que haremos es medir la corriente y la tension de alimentacion. Podemos medir en vacio y con diferentes cargas para saber como se comporta en cada caso.
Tendremos que tener en cuenta que la tension y la corriente deberia medirse en la entrada del motor, pero al tratarse de un motor trifasico (requiere instrumentos caros) resulta complicado para el experimentador promedio. Por suerte podemos usar los instrumentos correspondientes de DC: Voltimetro y Amperimetro. Para el voltimetro no tendremos problema ya que cualquier tester mide dentro del rango en el cual trabajan estos motores, pero para el amperimetro necesitamos a veces medir mas de 25A o incluso unos 40 o 50A, para ello no nos serviran los amperimetros que normalmente se incluyen en un multimetro o tester comun.


Amperimetro de gabinete que mide hasta 30A DC

Finalmente, la potencia de entrada es multiplicar la tension por la corriente, la cual nos da en watts.

Potencia de salida
Para medir la potencia de salida, podemos usar varios metodos, el mas facil de todos es medir las RPMs en una helice de medidas conocidas desde la cual por una formula sabremos la potencia.


Midiendo los RPM/V
Una forma simple de medir los ROM/V es haciendo girar el eje del motor y convertirlo en generador. Medimos la tension a la salida de los cables y hacemos la division. Para ello, necesitamos hacelo girar en un valor conocido de RPMs.


El disco marcado en el taladro nos sirve para medir las RPMs del mismo
y asi tener el valor real de las RPMs


Acoplamos el rotor al taladro y al girar medimos la tension "AC" a la salida

Cuando medimos la tension tenemos que recordar que es AC ya que no tiene ningun sistema de rectificacion por delgas como es en caso de un motor brushed ni tampoco diodos. Por otro lado un voltimetro mide tension eficaz de AC, por ello tenemos que saber que para obtener tension pico el valor medido debe ser multiplicado por 1.4142.



Medir con un osciloscopio la señal
seria lo ideal

Una vez obtenido el valor pico, lo dividimos por las RPMs del taladro, suponiendo que el taladro gira a 1000 RPMs, y tenemos una salida pico a pico de 1.47V, el resultado es el siguiente:

RPMs/V = 1000/0.735 = 1414 RPMs/V

El valor de RPMs/V es constante para el motor con su configuracion de imanes y bobinado, lo bueno es que podremos saber las RPMs del motor para cada valor de tension con la que lo alimentemos.


En este grafico se demuestra que es una relacion constante