Motores Brushless Introducción Características salientes Principio de funcionamiento Ventajas respecto de un motor térmico Elección de un motor eléctrico brushless Cálculo de consumo y peso de baterías Proyecto motor Brushless Outrunner Proceso de diseño Características Simulación

Introducción Se trata de una máquina eléctrica reversible de imán permanente con conmutación electrónica de las bobinas Los imanes se ubican en el rotor (giran con éste) y las bobinas de excitación en el estator. Se conocen bajo las siglas BLDC o PMSM dependiendo del tipo de señal que se usa para la conmutación de las bobinas Existen dos grandes grupos de motores Brushless destinados a distintas aplicaciones Outrunners: El rotor gira por fuera del estator Inrunners: El rotor es interior y el estator exterior Para aplicaciones aeronáuticas (0-3000RPM) son mas adecuados los motores Outrunners por su alto torque y mejor relación torque/volumen y torque/peso

Características salientes Alta eficiencia ( aprox. 95%) Muy buena relación Potencia/Peso Muy buena relación Potencia/Volumen Muy bajo mantenimiento Alto torque Velocidad controlable con precisión Bajo ruido de funcionamiento Posibilidad de recuperar energía (generador) Arranque instantáneo y seguro

Principio de funcionamiento Conmutación electrónica de las bobinas 3 fases, como los motores de inducción trifásicos Cada fase se compone de N bobinas La velocidad de conmutación está dada por la velocidad de giro La velocidad de giro está gobernada por la tensión La posición de los imanes determina las fases que se activan Simulación de la densidad de campo magnético

Principio de funcionamiento 2 Simulación de la densidad de campo magnético indicando la dirección del campo

Ventajas respecto de un motor térmico Mayor confiabilidad Menor mantenimiento Mayor eficiencia (motor térmico aprox. 30%) Menores costos operativos No opera con combustibles No contamina Funcionamiento sin vibraciones Mayor relación torque/peso Mayor relación torque/volumen Curva de torque plana desde 0 RPM Sus características no cambian con la altura ni con el tiempo de funcionamiento

Cálculo de consumo y peso de baterías Ejemplo avión liviano Datos:   Régimen de acenso 2 m/s 363.64 ft/min L/D 15 Peso de despegue 250 kg Velocidad 120 km/h 33.33 Eficiencia hélice 0.7 Eficiencia motor+controlador 0.95 Densidad de energía baterías 9.4 kg/kWh Energía disponible en el pack de baterías 4 kWh Profundidad de descarga de la batería 90% Altura de vuelo 300 m Resultados: Fuerza necesaria para vuelo recto y nivelado 163.50 N 16.67 Potencia necesaria para vuelo recto y nivelado 5.45 kW 7.09 HP Potencia necesaria para ascender 10.36 13.46 Potencia necesaria motor 14.79 19.23 Energia necesaria para ascender 0.43 Autonomía 25.76 minutos 51.53 km Peso baterías 37.6

Cálculo de consumo y peso de baterías Ejemplo motoplaneador EcoVuelo Datos:   Régimen de acenso 2.2 m/s 400.00 ft/min L/D 25 Peso de despegue 230 kg Velocidad 100 km/h 27.78 Eficiencia hélice 0.7 Eficiencia motor+controlador 0.9 Densidad de energía baterías 9.4 kg/kWh Energía disponible en el pack de baterías 3 kWh Profundidad de descarga de la batería 90% Altura de vuelo 300 m Resultados: Fuerza necesaria para vuelo recto y nivelado 90.25 N 9.20 Potencia necesaria para vuelo recto y nivelado 2.51 kW 3.26 HP Potencia necesaria para ascender 7.47 9.71 Potencia necesaria motor 10.67 13.87 Energia necesaria para ascender 0.28 Autonomía 38.92 minutos 64.86 km Peso baterías 28.2

Elección de un motor eléctrico Los fabricantes especifican generalmente el torque, la potencia, la tensión de funcionamiento y la constante Kv (entre otros) Se debe saber si el torque y la potencia especificada son para el funcionamiento contínuo o ráfagas. Kv: Constante voltimétrica del motor RPM Max Motor = Kv * Tensión de alimentación Nos sirve para saber si usaremos reductora o no Curvas de eficiencia: Permite saber el mejor punto de funcionamiento del motor

Arquitectura del Sistema completo Sensores Hall Conversor DC-DC Controlador electrónico Motor 12v 12v Temp Alimentación Instrumental Bus de Potencia Batería Batería Batería Cargador Bus de Datos

Proyecto motor Brushless Outrunner Proceso de diseño Estudio Factibilidad (Excel) Diseño CAD (CATIA) Análisis por Elementos Finitos (Matlab) Prototipo

Proyecto. Características Tensión nominal: 100V Velocidad giro nominal: 3000RPM Kv: 30 RPM/V Potencia nominal: 10kW (13HP) Potencia pico: 15kW (20HP) Torque nominal: 35Nm Diámetro exterior: 160mm Largo: 100mm Peso: 7kg Temperatura max funcionamiento: 90 grados Imanes de neodimio (NdFeB) Construído en aluminio 6061-T6 y acero

Proyecto. Simulación

Contacto Rodrigo Alcoberro ralcoberro@gmail.com 011 15 4972 0865