Asociación de Aeromodelismo de Humanes

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Motorización eléctrica

Posted by J en 19 \19UTC julio \19UTC 2010

Guía para elegir una motorización eléctrica

Mario ya ha dedicado un artículo a elegir la potencia adecuada para una motorización eléctrica. Aquí vamos a revisar los demás componentes: variador, hélice y pilas. Vamos a empezar con unas ideas teóricas para luego seguir con dos ejemplos prácticos, contando tanto lo que podríamos hacer como tentaciones que podríamos tener y que serían un error.

Motor

Aunque vamos a centrar nos en los demás componentes, debemos dedicar unos párrafos al motor. El motor es quien hace girar la hélice que proporciona empuje al aeromodelo, así que elegir un motor adecuado es esencial.

El magnífico artículo de Mario revisa la elección del motor. Reléelo si lo necesitas. Vamos a resumirlo en los siguientes consejos:

  • Entrenadores: entre 150 y 200 W por cada kg que pese el modelo.
  • Veleros: unos 100-150W por cada kg que pese el modelo.
  • Acrobáticos: unos 200-250W por cada kg que pese el modelo.

Así que ya solo nos queda saber cuántas RPM/V necesita el motor; a veces también se indica como Kv. Multiplicando las RPM/V por los V que nos entrega la pila, sabemos cuantas RPM da el motor en vacío. Así, si tenemos un motor de 1500Kv, alimentado con LiPO 3S, sabemos que girará a unas 16.000RPM… en vacío.

Hélice

Cuando le pongamos la hélice, irá más despacio. Cuanto mayor sea la hélice, más despacio girará. Esto es importante, y lo utilizaremos luego, porque tendemos a pensar que en un mismo motor, una hélice más grande nos dará más empuje, y eso solo es verdad hasta cierto punto. Por ejemplo, podemos tener un motor de 1500Kv con una hélice 8×4, que girará por ejemplo a 12000RPM y dará un determinado empuje. Decimos: como queremos más empuje, pongamos una hélice más grande, por ejemplo 12×6… pues no. Puede que con esa hélice el motor gire más despacio (por ejemplo, a 4000RPM), así que en lugar de tener más empuje tengamos menos (y además, probablemente quememos el motor, o vibre mucho y partamos la bancada).

Lo mejor en estos casos es fiarse del fabricante. Si el fabricante recomienda una hélice 8×4 para ese motor, podemos irnos un pelín más arriba (por ejemplo, 9×6) o un pelín más abajo (por ejemplo, 7×3). Pero si nos pasamos de listos y ponemos 11×7 (por exceso) o 4×4 (por defecto)… en el mejor de los casos no ganaremos nada, y en el peor, quemaremos el motor.

Así que, insistimos, lo mejor es partir de lo que recomienda el fabricante, y si acaso modificar un poco para adecuarse a lo que nos gusta: más rápido, mejor 3D,… pero sin cambiar sustancialmente lo que recomienda el fabricante. Si eso no es lo que necesitamos… ajo y agua, haberlo pensado antes de comprar un motor que no valía para lo que queríamos.

Como aproximación, debemos pensar que los motores con muchas Kv se usan con hélices pequeñas (por ejemplo, en alas volantes con la hélice atrás, o para ducted fan y cosas así) y los motores con menos Kv se usan con hélices grandes o tripala.

Así que ya tenemos el motor funcionando, y vamos probando con varias hélices alrededor de lo recomendado por el fabricante. En este momento, lo mejor es disponer de un watímetro como los que tienen algunos socios, e ir comprobando cuál es el consumo máximo con esa hélice. Si ese consumo máximo es mayor que lo que el fabricante expecifica para ese motor, es que la hélice era muy grande (o de mucho paso), y si insistimos quemaremos el motor. Conviene poner una hélice más pequeña y/o de menos paso. ¿Que eso no nos gusta? Insisto: haber comprado otro motor; no sigas intentándolo, porque quemarás el motor.

Si por el contrario, vemos que está consumiendo mucho menos del máximo que recomienda el fabricante, es que estamos poniendo una hélice mucho menor que lo que ese motor soporta, y estamos “desperdiciando” su potencial. Que  nos interese poner una más grande o no ya depende de lo que queramos conseguir. Si no lo hacemos, el único daño estará en nuestro bolsillo, que se ha gastado dinero en un motor demasiado grande del que no vamos a sacar todo el rendimiento posible.

¿Entendido hasta aquí? Bien, pues toda esta discusión conviene tenerla clara antes de comprar el motor. ¿Por qué? Porque una vez comprado, ya no hay marcha atrás, y si resulta que ese motor necesita una hélice más grande de la que teníamos previsto, pero no nos cabe una hélice más grande (por ejemplo, porque pegue en el suelo, o sea un ala volante con el motor atrás), la habremos cagado. Probablemente nos hubiera interesado un motor con la misma potencia, pero más Kv, para poder poner una hélice más pequeña.

O lo contrario: si con la hélice que tenemos, el avión vuela bien, pero aún así consume muy poco, es que con un motor más pequeño nos hubiera valido, y hemos desperdiciado nuestro dinero (a más grande, más caro, habitualmente).

No obstante, conviene recordar que estamos hablando de RPM/V. Es decir, si la pila que usamos es 2S, el motor girará más despacio, y si es 4S o más, girará más rápido. Veámoslo con un ejemplo. Veamos un ejemplo que he vivido personalmente, cuando me equivoqué al comprar un motor.

Elegí un motor chulísimo, de 550W, que se podía alimentar a 3S, 4S o 5S. Como todas mis pilas eran de 3S, lo alimente con 3S (11,1V). Eso quiere decir que el motor podía consumir 550/11,1 = 50A. Le puse una hélice 9×6 que tenía por casa y a volar… y aquello apenas tiraba. Además, medí el consumo con el watímetro y apenas consumía 20A. ¿Por qué? ¿Dónde estaban mis 550W y mis 50A?

El problema era que cuando lo compré no miré las Kv del motor: era de solo 800Kv. Con mis 3S, el motor en vacío iba a 9000RPM, y con la hélice apenas iba a 6000RPM. Para extraerle todo el jugo a ese motor, tenía dos opciones: o ponerle una hélice enorme, que no me cabía en el avión porque me pegaba en el suelo, o alimentarlo con 4S o mejor aún con 5S, que es lo que el fabricante esperaba. Pagué la novatada, y por eso intento ayudar a otros ahora con este artículo.

Variador

El lector atento se habrá dado cuenta de que hasta ahora no hemos hablado del variador. ¿Por qué? Porque no importa. Para toda esta discusión, el variador no importa. El variador solo tiene que cumplir una condición: la máxima corriente que soporte debe ser mayor que la que consume el motor.

Nótese que el variador no entrega corriente al motor, sino que el motor chupa corriente del variador. El motor manda. Siempre. Si el motor chupa más de lo que el variador soporta, el variador se quemará. Y si el motor chupa mucho menos de lo que el variador soporta… pues no pasa nada, pero habremos comprado un variador más caro y más pesado de lo que necesitábamos. Otra vez, nuestro bolsillo habrá sufrido para nada.

Dejadme insistir otra vez, porque mucha gente tiene la impresión de que el variador entrega potencia al motor, de que un variador de más amperios dará más fuerza al motor o cosas así. No, falso, error. El variador no da, sino que es el motor el que chupa ((Desde un punto de vista físico, esto es falso, pero al nivel al que estamos escribiendo, no te compliques más la vida y acéptalo coom una verdad inamovible.)).

Pila

Todo lo que hemos dicho sobre el variador, aplica a la pila ((Incluida la matización sobre la física.)): la pila no entrega amperios al variador/motor, sino que el motor chupa amperios de la pila, y la pila dará lo que le pidan… si puede.

Las pilas tienen un ritmo de descarga máximo, que se mide en C’s, siendo C la capacidad de la pila. Así, si tenemos una pila de 2000mAh y 20C, la pila es capaz de entregar 2.000mA·20 = 40A. Cuidado, porque en realidad las pilas tienen 2 ritmos de descarga: el sostenido y el de ráfagas. El fábricante nos debe dar los dos, pero a veces en la publicidad nos anuncian solo el de ráfagas, porque es más alto y más marketiniano. Si por ejemplo, la pila de antes tiene una descarga de 20/30C, significa que puede dar hasta 40A de continuo y hasta 60A en ráfagas cortitas (de unos segundos de duración).

Si le pedimos a una pila más de lo que puede dar, generalmente simplemente no lo dará (o en el peor de los casos, incluso arderá; y, como alguno de los socios nos ha contado, una LiPO ardiendo no es algo que quieras ver). Si a la pila de antes le pedimos 70A, simplemente no será capaz de darlos, y la tensión que entregue, en vez de ser los 11,1V nominales será 9V u 8V o menos.

Ejemplo 1

Vamos a ver un ejemplo: un entrenador de 2Kg de peso. Según los cálculos de Mario, podríamos necesitar entre 300 y 400W. Por el tamaño y la forma del avión, sabemos que nos cabría hasta una hélice de 11 pulgadas, pero nos gustaría más bien algo de 9 pulgadas para tener cierto margen. Queremos alimentarlo con 3S, porque tenemos varias pilas de 3S por ahí y querríamos utilizarlas para no tener que gastar mucho.

Buscando en Hobbyking vemos el siguiente motor:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=4916

Model: TR35-36-A
Input Voltage : 7.4V~11.1V (2~3S Li-po)
Kv : 1450rpm/V } within 10%
Max. efficiency current : 15~25A
Current capacity : 35A/30s
Dimensions : 35mm X 36mm / 1.38in X 1.41in
Shaft diameter : 4mm / 0.16in
Weight : 106g / 3.74oz
Number of poles/magnets : 14
Recommended model weight : 1000~1900g / 35~67oz
Power equivalent : .25 to .30 IC  glow engine
Suggested propeller: 9×6
Power: 400W+

¿Qué es lo que hemos mirado para elegirlo? ¿Por qué sabemos que nos podría valer? Hemos visto que el motor es de unos 400W, que es lo que andamos buscando. La hélice recomendada es 9×6, que es lo que andamos buscando. Y funciona con 2S o 3S, que es lo que queremos. Dice que sería capaz de consumir unos 35A (lo cual no anda desencaminado con la fórmula P=V·I, ya que 380W=11V·35A). Incluso nos dice que se recomienda para modelos de entre 1000 y 1900g, ¡justo lo que pesa el nuestro! Como tiene 1450Kv, alimentado con nuestras 3S irá a unas 16.000RPM… bien, bien, encaja.

Podríamos decirnos: “vamos a comprar un motor mejor. ¡Mira este! ¡Cuesta 5$ menos y tiene mucha más potencia!”

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=4909

Model: TR35-48-B
Input Voltage : 7.4V~18.5V (2~5S Li-po)
Kv : 800 rpm/V within 10%
Current capacity : 55A/60s
Dimensions : 35mm X 55mm / 1.38in X 2.17in
Shaft diameter : 4mm / 0.16in
Weight with cables : 163g / 5.75oz
Number of poles/magnets : 14
Recommended model weight : 1500~2900g / 52~98oz
Power equivalent : .30 to .35 glow engine
Stator Dimentions: 28x26mm

Suggested ESC: 60A
Suggested prop: 11×6

No dice la potencia que soporta, pero como nos sabemos la fórmula, la calculamos nosotros: 18,5V·55A=1000W. ¡Más de 1 CV! ¡Equivalente a un .35 glow!

Bueno, pues no nos valdría. Esos son los cálculos para el mejor caso, cuando lo alimentas con 5S. Es un motor de muy pocas revoluciones, diseñado para ser usado con pilas de 5S. Sí, se puede usar con 2S, como dice el fabricante, pero no le extraeremos todo su potencial a menos que usemos una hélice muy grande ((Otra opción sería usar un multiplicador con engranjes, pero eso escapa a este artículo.)).

Fijémonos en que el fabricante recomienda 11×6, pero esa recomendación probablemente es para 5S. Si lo queremos volar con 3S, necesitaremos una hélice mucho más grande, quizá 20×10 o alguna burrada así. Un modelo de 2Kg con una hélice de 20 pulgadas… solo las vibraciones de esa hélice nos harán añicos el modelo.

Así que no, mala idea, no nos gusta. Nos quedamos con el TR35-36-A ((Demonios, me están dando ganas de comprarlo para uno de mis aviones.)).

Como nos gustaría probar varias combinaciones de hélice además de la que recomienda el fabricante, compramos la 9×6 que dice él, pero también 8×6, 8×4, 10×5 e incluso 11×4. Como son baratas, las pedimos todas y ya elegiremos luego.

Ahora tenemos que elegir el variador. El fabricante dice que el motor consume un máximo de 35A, así que por ejemplo el siguiente variador sería buena idea:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=10195

Cont Current: 30A
Burst Current: 40A
BEC Mode: Linear
BEC : 5v / 2A
Lipo Cells: 2-4
NiMH : 5-12
Weight: 25g
Size: 45x24x11mm

Se puede alimentar desde 2S a 4S, por lo que nos vale. Y es capaz de dar hasta 30A de continua y 40A en ráfagas (nuestro motor era de hasta 35A en ráfagas), que está ligeramente por encima de lo que necesitamos… bien, bien.

Una vez más, podríamos decir: “a ver este otro, que es mucho mejor por casi el mismo precio”:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=7340

Weight: 63g
Size: 55x35x8mm
Cells: 12-24Ni MH ~ 4-8S Li Po
Max Current: 60A
Burst : 70A
No BEC
Timing: 1/7/15/30 programmable
PWM: 8/16K

Pues no, error. ¿Para que queremos 70A? Mucho antes de que pasen 70A por el variador habremos quemado el motor, porque el motor solo soportaba 35A. Y peor aún, este variador no tiene BEC (que es lo normal en variadores tan grandes), por lo que tendremos que comprar un BEC aparte o alimentar el receptor con pilas específicas. Una pérdida de dinero y peso.

Así que nos quedamos con el variador de 30/40A.

Ya solo nos quedan las pilas.

Por el diseño del avión, sabemos que lo ideal serían unas pilas de entre 200 y 250g, para que no nos estropee el centro de gravedad. ¿De qué capacidad? Sabemos que el motor consume un máximo de 35A, así que estimamos que en el vuelo “normal” consumiremos en torno a 20A. Si las pilas fueran de 2000mAh = 2Ah, podríamos volar T=2/20 h = 1/10 h = 6m. 6 minutos. Un poco corto, pero bueno.

Como necesitamos que el motor consuma 35A, necesitamos que las pilas puedan entregar 35A. Para eso necesitamos que las pilas sean de 35/2 = 17,5C. Esto va por números redondos, y preferimos ir un pelín sobrados, así que 20C.

En Hobbyking encontramos estas pilas:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=8932

Minimum Capacity: 2200mAh (True 100% Capacity)
Configuration: 3S1P / 11.1v / 3Cell
Constant Discharge: 20C
Peak Discharge (10sec): 30C
Pack Weight: 185g
Pack Size: 103 x 33 x 24mm
Charge Plug: JST-XH

Está bien… 20C*2200mAh = 44A. Más de lo que necesitábamos. Y en ráfagas incluso podría dar 66A, lo que nos sobra de largo (de todos modos, Hobbyking no las tiene de menos C’s). Pero el peso es un pelín corto, podemos permitirnos algunos gramos más, si conseguimos más capacidad a cambio. Veamos esta otra:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=8851

Capacity: 3000mAh
Voltage: 3S1P / 3 Cell / 11.1v
Discharge: 20C Constant / 30C Burst
Weight: 239g (including wire, plug & shrink wrap)
Dimensions: 137x45x18mm
Balance Plug: JST-XH
Discharge Plug: XT60

Mucho mejor. Aún nos entra dentro del peso, y es de 3000mAh, un 50% más de lo que habíamos calculado, es decir, casi 10m de vuelo. y 20*3000 = 60A, lo que nos vale de sobra. Vamos sobradísimos, pero es que en Hobbyking no hay de menos C’s.

Portahélices, receptor, emisora y a volar.

Ejemplo 2

Veamos otro ejemplo. Ahora queremos motorizar un ala volante. Es un ala volante pequeñita, en la que el peso es primordial. Calculamos que con pilas y todo debe pesar no más de 300g (y preferiblemente menos), así que nos autorestringimos a que vuele von 2S (si eso significa que tiene menos autonomía, estamos dispuestos a sacrificarlo).

Queremos que sea un misil acrobático, así que según los cálculos de Mario necesitamos unos 250W/Kg, es decir unos 75-80W. Además, la hélice va detrás, y tiene poco espacio, de modo que tendrá que ser pequeña, como mucho de 5 pulgadas. Así que necesitaremos un motor de muchas Kv, por los dos motivos: hélice pequeña y 2S.

Buscamos en Hobbyking y encontramos:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=6312

Kv: 2000rpm/v
Weight: 5g
Voltage: 7.4v (2 cell Lipo)
Current: 2A
Suggested Propeller: 4×2.5
Thrust: 90g+
Shaft: 1.5mm

Uau, ¡que pequeñín! A lo mejor incluso conseguimos que el avión pese mucho menos de 300g. 2S y una hélice realmente pequeña. ¡Mola! A ver de cuántos vatios es… 2,4V·2A = 5W… uhm… nos hemos pasado de pequeño. Pero mucho, mucho.

Otro:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=8478

Dimension: 23mm x 24mm, 34mm(with shaft)
Weight: 20g  (kv2300) (not including connectors)
Diameter of shaft:F2mm
Length of front shaft:F9.8mm

Max performance;
Voltage: 2S

Max current: 5.3~8.5A/20S

Prop: 6×3~7×3.5
Thrust: 300g
Power: 72W
For 200~300g model airplane (Indoor).

72W quizá es aún un pelín escaso (aunque el peso recomendado de avión no anda muy lejos de lo que necesitamos). Y la hélice recomendada aún es un pelín grande… necesitamos algo de más Kv y un pelín más potente.

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=8615

Dimension: 25mm x 26mm, 37mm(with shaft)
Weight: 30g  (kv3000) (not including connectors)
Diameter of shaft:F2.3mm
Length of front shaft:F12.6mm
Lamination thickness: .2mm
Magnet type: 45SH
Max performance;
Voltage: 2S

Max current: 11A/20S
Prop: APC4.75×4.25
Pull: 220g

¡Este sí! Con 11A de consumo máximo, estaríamos hablando de 11·7,4 = 81W. Y la hélice recomendada es 4,75×4,25. Ya tenemos motor. Por si acaso, compramos algunas hélices más, alrededor de esa hélice recomendada: 4×4, 4,5×4,5 y 5×5.

Podríamos pensar en un motor de algunos Kv más y algunos vatios más, pero sin pasarnos, porque si tiene demasiadas Kv incluso esa hélice será demasiado grande. Los motores de muchos Kv están pensados para ducted fan o para desmultiplicarlos con engranajes.

También necesitamos un variador que soporte esos 11A… por ejemplo este:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=11429

Cont. Current: 12A
Burst Current: 16A/10sec
Battery: 2-4 Cell Lipo / 5-12 Cell Ni-XX
SBEC: 5V/ 1A Output
Size: 22*21*4mm
Weight: 10g

¿Podríamos poner por ejemplo este otro variador?

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=6460

Weight: 22g
Size: 24x52x6mm
Cells: 2-3S (Auto Detect)
Max Current: 25A
Burst: 30A
BEC: 3A

Da aún más amperios. ¡Qué bien! ¿No? No. El variador no da amperios, es el motor el que chupa. Si el motor chupa 11A y este variador soporta 30, los 19 “de más” los estamos desperdiciando. Está bien tener un pelín de margen, pero no tanto. En este caso no es cuestión de dinero, porque casi valen lo mismo, pero dado que queremos que el avión pese menos de 300g, ahorrar esos 12g sí puede ser importante. Recordemos: poner un variador más grande de lo que chupa el motor no nos sirve de nada.

Ya solo nos faltan las pilas. ¿De qué capacidad? Como antes, estimamos el tiempo que queremos volar. Como aquí casi seguro que vamos a todo cisco todo el rato, vamos a suponer que consumimos 10A en un vuelo “normal”. Para poder volar 5m necesitaríamos 10*(1/12) = 800mAh. Como necesitamos que la pila entregue 11A, necesitamos que sea de 11/0,8 = 13,75C. Es decir, 15C. Lo más parecido que encontramos es:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=6787

Capacity: 800mAh
Voltage: 2S1P / 2 Cell / 7.4v
Discharge: 15C Constant / 15-25C Burst
Weight: 43g (including wire, plug & shrink wrap)
Dimensions: 54x30x14mm
Balance Plug: JST-XH

Uhm… nos vale. Pero 43g…

Bueno, ya que estamos, vamos a buscar unas aún más pequeñas, que son baratas, y probamos ambas. Vamos a ver qué encontramos en torno a 20g:

https://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=9028

Capacity: 350mAh
Voltage: 2S / 2 Cell / 7.4v
Discharge: 20C Constant
Weight: 21g (including balance & discharge plug)
Dimensions: 40x20x15mm
Balance & Discharge Plug: JST-XH & Mini JST plug

¡Mira! Ahorraríamos otros 22g de peso… No, error. Estas pilas entregan 350·20 = 7A… menos de lo que necesitamos. Las pilas no serían capaces de entregar la corriente que el motor pedirá. Tendremos que aguantarnos con las pilas de 43g y ver si no pesa mucho.

Conclusiones

Muchos socios me dicen, “Javi, mira a ver lo que consume esto, ayúdame”, como si yo supiera mucho. Bueno, es verdad que algo sé. Por mi formación, pero sobre todo porque me he equivocado antes (el caso del motor de 800Kv que he contado no es el único en que me he equivocado). A ver si los tropezones que he dado yo sirven para que otro no los dé.

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