Ho fatto il test surriscaldamento motore, banco prova un DJI E310, motore BLDC di buona qualità e ottime prestazioni, è un 960kv da 150 Watt massimi, per non più di 60 secondi, e 70 Watt continui senza limiti di tempo.
DJI E310
Le dimensioni del corpo motore sono larghezza 40.2 mm, lunghezza 27 mm, peso solo 60 grammi, ha un kv pari a 960 che è decisamente troppo per l'uso su un rov, l'ottimale è un motore con un kv non superiore a 250, però come potenza e dimensioni è sicuramente adatto all'uso per il rov e va bene per fare i primi test in aria.
Rammento che kv è la costante che permette di stimare il numero di giri a vuoto in base alla tensione di alimentazione, p.e. un motore da 960 kv con alimentazione a 12 V arriva a circa 960*12 = 11520 rpm.
Giusto come didattica aggiuntiva, un motore BLDC è molto simile ad un motore trifase con collegamento a triangolo.
Schema esemplificativo di come è fatto un BLDC.
Le tre fasi vengono alimentate con un profilo trapezoidale del tipo ON+, spento, ON-, tra loro sfasate di 120°, due sono sempre due attive assieme, questo è lo schema di azionamento delle fasi:
L'azionamento delle fasi deve seguire la velocità di rotazione del motore mantenendo il corretto sincronismo, su i BLDC la velocità di rotazione non è determinata dalla frequenza di azionamento delle fasi, è determinata dalla tensione applicata alle fasi e il sistema elettronico di commutazione deve seguire il movimento, in pratica viene simulato il commutatore meccanico dei motori a spazzole.
Dal modo di funzionamento del motore BLDC ne consegue che la potenza da dissipare in calore è data dalla somma degli effetti di due fasi azionate assieme, però tocca anche tenere conto del fatto che funzionano solo per 2/3 del tempo, il restante terzo sono inattive.
Premesso che i motori in oggetto assorbono fino a 13A @12V (batteria 3S a piena carica sotto sforzo), pari a 156 Watt, in queste condizioni diventano molto caldi in tempi brevi nonostante il flusso d'aria dell'elica, come prima cosa ho misurato la reale resistenza delle fasi.
La misura è stata fatta con il multimetro da banco con il metodo a 4 fili, unico modo possibile per misurare correttamente bassi valori resistivi, con conferma tramite test empirico con alimentatore stabilizzato impostato per erogare 1.000 A costante, tensione rilevata ai capi del motore 0.298 V, resistenza misurata con il multimetro 0.296 ohm, resistenza misurata empiricamente 0.298 ohm, i due risultati sono praticamente identici e confermano la correttezza della misura.
Con il dato della resistenza interna delle fasi facciamo qualche conto sulla potenza persa sulle stesse, viene dissipata sotto forma di calore ed è questo il nostro problema, in funzione della corrente su questi motori.
Partendo da questo test, fatto bene, sull'assorbimento del motore in funzione della spinta, in aria usando le eliche consigliate da DJI, abbiamo un valore di 4.29 A con una spinta di 400 grammi, potenza elettrica impegnata 50 Watt, la spinta massima ottenibile è 850 grammi con un assorbimento di 13A.
Prendiamo il valore di 4.3 Ampere come quello medio nell'uso sul rov, sicuramente è inferiore, questo significa che ogni fase assorbe 2.15 A per 2/3 del tempo, di conseguenza ogni fase dissipa 2.15^2 *0 .3 = 1.38 Watt, tra tutte e due le fasi attive la potenza da dissipare sono 1.38 * 2 = 2.76 Watt-
Da notare l'elevata efficienza sotto il profilo elettrico perché a fronte di 50 Watt assorbiti solo 2.76 vengono persi sulle fasi, efficienza > 95%, diverso è il discorso dell'efficienza come potenza meccanica, entrano in gioco altri fattori che la riducono notevolmente quando il motore non raggiunge gli rpm del punto di massima efficienza tra potenza in e out, circa l'80% degli rpm massimi.
Anche senza tenere conto del fatto che la potenza di 1.38 Watt dissipata da ogni fase è solo per 2/3 del tempo, il che ci porterebbe ad una dissipazione media di 0.9 Watt però tocca tenere conto degli effetti termici cumulativi delle fasi adiacenti, abbiamo un valore tutto sommato basso che comporta un basso riscaldamento e che è abbastanza facile da dissipare, se realmente necessario, nell'acqua tramite apposita struttura.
Per il test termico, dato che non dispongo di un freno magnetico, ho optato per alimentare due fasi con 2A continui ciascuna, ovviamente il motore rimane fermo, così da simulare il carico operativo, la temperatura iniziale del motore era 26.2°, quella ambiente, dopo 10' è arrivata a 34.3°, dopo 20' 36.8°, al tatto comincia a diventare caldo, dopo 30' 40.3°, dopo 40', 50' e 60', a questo punto mi sono fermato, è rimasta stabile a 40.4°.
Sebbene questo test statico non è preciso al 100%, è una simulazione che dovrà essere convalidata da un test in reali condizioni dinamiche, fornice un risultato confortante, il livello di temperatura è ampiamente entro i limiti ammessi dal motore, massima temperatura operativa 70°, andare oltre comincia a mettere a rischio i magneti.
La temperatura è stata rilevata con una sonda termica applicata alla base del motore, il corpo metallico arriva alla stessa temperatura del nucleo magnetico, ovviamente ci mette un pochino di tempo, e tramite termocamera con osservazione diretta del nucleo magnetico, le due temperature sono sempre state molto simili tra loro, differenza massima di +/- 0.6°
