Este blog pretende recoger información que, en mi caso, fue de mucha ayuda para iniciarme en este hobby.

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Aviones Eléctricos

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Motorización
Los tres conceptos imprescindibles que se necesitan comprender en lo referente a aeromodelismo eléctrico son voltios, amperios y vatios. Normalmente en electrónica y electricidad se suele utilizar una analogía con las tuberías y el agua para comprender estos conceptos.

Voltios, tensión, es similar a la presión del agua en una tubería y determina la velocidad de los electrones al viajar por el circuito eléctrico.

Amperios, intensidad, en la misma analogía es una medida de volumen, representaría la cantidad de corriente que fluyen en un punto.

Vatios, potencia, es la relación entre las dos anteriores, vatios = voltios x amperios.

La idea es determinar que combinación de hélice, motor y batería debemos montar para que nuestro avión vuele como queremos.

Es indudable que se podría llegar a calcular con toda exactitud el motor que necesitamos para nuestro avión eléctrico, sin embargo la experiencia será sin duda la mejor base a la hora de elegir un motor rc eléctrico, pero unos conocimientos básicos no vienen nada mal para encaminar nuestras decisiones al motorizar un modelo.

Uno de los factores en los que no solemos fijarnos, sobre todo al principio, es en el peso del motor, sin embargo el peso del motor va a influir directamente sobre el centro de gravedad de nuestro avión. Es preferible irnos a un motor mayor del que en realidad necesitamos, mejor que un motor más pequeño y un trozo de plomo para lastrar y equilibrar nuestro avión. También las medidas del motor son importantes, en muchos casos la elección de un motor u otro estará determinada por el propio diseño del aeromodelo.

En lo que se refiere a rendimiento también está claro que no es lo mismo un acrobático 3D que un entrenador, para el acrobático vamos a necesitar un empuje con una relación mayor de 1:1, mientras que el entrenador no será tan exigente. En el siguiente cuadro hay una relación de vatios - tipo de avión que nos servirá de orientación.

Vatios por 450 gr        Tipo de aeromodelo

70 - 90 W                   Entrenador
90 - 110 W                 Acrobático básico y escala
110 - 130 W               Acrobático avanzado y velocidad
130 - 150 W               Modelos pesados
Más de 150 W            Acrobáticos 3D

Estos conceptos y otros que veremos como kv (revoluciones por voltio) y tipos de motor nos servirán de base para que junto con la experiencia que adquiramos como aeromodelistas podamos determinar nuestro motor.

Kv (revoluciones por voltio)

Uno de los parámetros que casi siempre aportan los fabricantes sobre un motor brushless es el Kv, no es más que las revoluciones por minuto y por voltio que da un motor. Se podría hacer un símil con los motores de dos y de cuatro tiempos, es decir para una potencia dada, un alto kv proporcionará muchas más revoluciones que un bajo kv. Un alto Kv está indicado para aviones rápidos con una hélice pequeña, mientras que un Kv mayor es adecuado para un motovelero que lleva una hélice más grande.

Si estamos limitados por el voltaje de la batería podemos jugar con el Kv del motor para adecuar el comportamiento del conjunto a nuestro gusto, mientras que si no estamos limitados por la potencia podemos usar motores de un Kv menor y simplemente para adecuar el número de revoluciones a nuestro gusto aumentaremos el voltaje de la batería.

Un ejemplo típico sería las siete pilas de 1,2 v de un velero de competición, es necesario utilizar un motor con un alto Kv ya que con 8,4 v si no tenemos alto Kv el motor no sería lo suficientemente competitivo.

Como funciona un motor eléctrico

El motor eléctrico permite la transformación de energía eléctrica en energía mecánica, esto se logra mediante la rotación de un campo magnético alrededor de una espira o bobinado que toma diferentes formas.

Al pasar la corriente eléctrica por la bobina ésta se comporta como un imán cuyos polos se rechazan o atraen con el imán que se encuentra en la parte inferior; al dar media vuelta el paso de corriente se interrumpe y la bobina deja de comportarse como imán pero por inercia se sigue moviendo hasta que da otra media vuelta y la corriente pasa nuevamente repitiéndose el ciclo haciendo que el motor rote constantemente.

Motores de corriente continua o directa

Los Motores de Corriente Directa (DC) o Corriente Continua (CC) se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones.

Los motores de CC son empleados para grandes potencias (motores industriales) que necesitan una gran cantidad de corriente para el arranque y llevan circuitos integrados para regular la toma de corriente de la línea y así no generar bajones de intensidad de la corriente.

Inrunner y Outrunner.

Existen dos grandes grupos de motores eléctricos para radio control, inrunner y outrunner, ahora veremos las ventajas y los inconvenientes de cada uno de ellos. A esta clasificación de los motores rc eléctricos se llega por la forma en la que dichos motores están construidos.

Inrunner

La forma en la que están construidos estos motores es disponiendo los imanes directamente en torno al eje, mientras que el bobinado es exterior y rodea el eje con los imanes, este tipo de motores tiene la ventaja de proporcionar un alto número de revoluciones por lo que su Kv (revoluciones por voltio) es muy alto, sin embargo esto tiene la desventaja de proporcionar un par muy bajo y si queremos utilizar una hélice grande no tendremos más remedio que emplear una reductora. Aunque el empleo de la reductora se podría tomar como un inconveniente, ya que puede ser una fuente más de averías y requiere de un mantenimiento, si queremos potencia y efectividad en un motor inrunner la reductora es una buena solución.

Outrunner

En este tipo de motores los bobinados de cobre se disponen en la parte interior central, mientras que los imanes están situados en una campana exterior que rodea al bobinado y a la que se conecta el eje, cuando la campana gira lo hace también el eje, estos motores producen un menor número de revoluciones, sin embargo la campana al actuar como un volante de inercia, les dota de un mayor par por lo que dan más potencia sin necesidad del empleo de una reductora, esto les hace ser más ligeros, silenciosos y económicos.

¿Que es un motor brushless?

La palabra brushless se puede traducir como "sin escobillas", las escobillas son los elementos que hacen contacto en el colector de un motor común. En los motores de DC más pequeños, son de una aleación de cobre y en motores más grandes son de un compuesto a base de carbón.

Estos motores carecen de colector y escobillas o carbones. ¿Entonces como funcionan? Es simple, en vez de funcionar en DC funcionan en AC (corriente alterna), la mayoría se alimentan con una señal trifásica, esta señal idealmente debería ser sinusoidal, pero en la práctica son pulsos, haciendo que la señal sea un continua pulsante o bien una continua con mucho componente de AC sin embargo se los clasifica como de DC porque al igual que los motores comunes tienen imanes permanentes.


Típico motor brushless comercial de marca Hacker

Estos imanes son atraídos por la polaridad de un campo magnético generado en las bobinas, las cuales como decíamos reciben pulsos en un patrón especifico. Si queremos que el motor gire mas rápido, simplemente hacemos girar el campo magnético secuencial a mayor velocidad. O lo que sería lo mismo a aumentar la frecuencia de los pulsos.



Materiales para armar un motor brushless

Si tenemos un motor eléctrico común y le aumentamos la tensión en los terminales del mismo, veremos que aumenta la velocidad pero también aumenta la corriente de consumo. En un motor brushless la corriente y la velocidad son en cierto punto independientes. Es el circuito regulador de velocidad el que se encarga de suministrar solo la corriente necesaria para una determinada RPM. Si alimentamos con mucha corriente, significa que estamos desperdiciando la capacidad de la batería en esa corriente que no es aprovechada, si en cambio, alimentamos con poca corriente, el pulso de EMF será mayor al pulso de alimentación y por lo tanto el motor eventualmente se detendrá.


Motor casero modificado desde un CD-ROM


Imanes de 6x6x1.4mm



Ventajas y Desventajas

Los motores brushless tienen muchas ventajas por sobre los motores brushed (con escobillas) entre ellas las más nombradas son:

• Mayor eficiencia (menos perdida por calor)
• Mayor rendimiento (mayor duración de las baterías para la misma potencia)
• Menor peso para la misma potencia
• Conmutación electrónica basada en sensores de posición de efecto Hall
• Requieren menos mantenimiento al no tener escobillas
• Relación velocidad/par motor es casi una constante
• Mayor potencia para el mismo tamaño
• Mejor disipación de calor
• Rango de velocidad elevado al no tener limitación mecánica.
• Menor ruido electrónico (menos interferencias en otros circuitos)



Los motores brushless prácticamente no hacen ruido!! :)

Desventajas de un motor brushless

• Mayor costo de construcción
• El control es mediante un circuito caro y complejo
• Siempre hace falta un control electrónico para que funcione, que a veces duplica el costo

Motores comunes

Son los motores más usados en juguetes que usan pilas y como decíamos más arriba se caracterizan por tener un colector y escobillas o carbones para hacer contacto con las delgas de cobre. Se utilizan en aeromodelismo hoy por hoy también, aunque están siendo remplazados por los motores brushless.



Detalle de un corte de un motor brushed común

También requieren de un control electrónico para regular la potencia desde 0 a 100% cuando la señal del canal PPM varía de 1ms a 2ms.

Motor brushed comercial, modelo Speed 400

En las siguientes fotos se puede observar un motor desarmado y los componentes que lo integran.


Tapa con las escobillas, rotor y carcasa


Interior de la carcasa

Ventajas de un motor común o brushed

• Control mediante solo dos cables
• Se le remplazan las escobillas y se le extiende la vida útil
• Bajo costo de construcción
• Control mediante un circuito simple y económico
• No se necesita un control para una velocidad constante
• Puede funcionar en un ambiente de condiciones extremas ya que no tiene electrónica asociada

Desventajas de un motor brushed

• Requiere un mantenimiento periódico
• La relación velocidad/par motor es relativamente plana pero a altas velocidades la fricción de las escobillas aumenta y reduce el par motor útil.
• Poco poder de disipación de calor
• Rotor con mucha inercia, lo cual limita los cambios de velocidad
• Menor rango de velocidad, limitado por las escobillas
• Las chispas que se generan en las escobillas generan mucho ruido electrónico y pueden causar interferencia electromagnética a otros circuitos electrónicos.



Equipo usado normalmente en vuelo eléctrico con motor brushed

Algo a tener en cuenta es que los motores brushless que se pueden comprar en el mercado siempre vienen con imanes de neodimio, los cuales son unos imanes con mucho flujo magnético. En la construcción de los motores tenemos que usar en lo posible estos imanes para sacarle la mayor potencia posible a los mismos.

Sensores de efecto Hall

Los primeros motores brushless normalmente venían con un sensor de efecto Hall incorporado para enviar esa información al regulador de velocidad. Los motores que se fabrican en casa no tienen esta característica, ni tampoco la mayoría de los motores que se consiguen comercialmente hoy en día.

Los sistemas con sensores de efecto Hall son excelentes, pero también son mucho más caros y complicados, porque además de tener los cables hasta el controlador, tienen los sensores propiamente dichos.

Hoy la tecnología nos permite usar micro controladores en los reguladores de velocidad, que hacen la construcción de los motores prácticamente muy sencilla. El micro controlador detecta la posición del rotor midiendo el pulso de tensión contra electromotriz (EMF), con esta funcionalidad no solo el micro sabe la posición, sino que predice el próximo pulso y además calcula la tensión necesaria según el pico de EMF que recibe del motor

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El Variador

El variador es un elemento electrónico cuya misión es la de cambiar la velocidad del motor desde totalmente parado hasta el máximo que pueda dar.


El variador normalmente se conecta por un lado al motor, los tres cables de la derecha de la imagen, por otro a la batería lipo y un tercer cable al receptor de la emisora, hasta aquí todo parece fácil, sin embargo, como decía antes, cuando estamos haciendo nuestras primeras consultas a cerca del mundo de los aviones eléctricos nos surgen muchas dudas y uno de los elementos que suscita más preguntas es el variador y su funcionamiento.

Ya sabemos para qué sirve, pero no solo basta con instalarlo, también hay que programarlo para que funcione a nuestro gusto, cada variador se programa de una manera, dependiendo de la marca y el modelo, pero todos se pueden programar de dos formas, una a través de la emisora y la otra mediante un dispositivo proporcionado por el fabricante que lo más habitual es que sea una tarjeta programadora.

La otra fuente de dudas en relación al variador es cuando buscamos información, hay un montón de nombres bec, variador brushless, variador bec, variador con conector de equilibrado, etc y todos para referirse a un circuito que a nuestro parecer solo hace una cosa, variar la velocidad del motor. Pues es verdad, todos se refieren a lo mismo, el variador, pero con diferentes matices y al primero que me gustaría referirme es al BEC.

Cuando antes hablábamos del conexionado del variador veíamos que había un cable que se conecta al receptor, cuando un variador equipa BEC este cable tiene dos misiones, una recoger información para saber cuanto tiene que acelerar el motor y la otra alimentar con la corriente de la pila a los servos y al propio receptor, pues la función del BEC es esta última. Por eso en algunas ocasiones cuando necesitamos mucha potencia en un modelo, el fabricante nos recomienda desconectar el BEC y montar uno independiente si queremos alimentar servos y receptor desde la misma batería o montar una pila independiente para los servos y el receptor, ya que el BEC integrado en el variador no es capaz de suministrar la potencia necesaria. Muchos variadores incorporan algún interruptor o puente para desconectar el BEC, pero si no lo hacen basta con no conectar el hilo de color rojo del cable que conectamos al receptor.

Una forma sencilla de comprobar si podemos alimentar desde el BEC del variador es conectarlo todo y con el motor parado sin acelerar, mover todos los servos desde los sticks de la emisora, si el variador se calienta tendremos que alimentar los servos desde otra batería o desde un BEC independiente.

El último elemento al que quería referirme es el conector de equilibrado, algunas personas piensan que el variador se alimenta también desde este conector y no es así, el variador se alimenta de los cables siliconados de color rojo y negro. El conector de equilibrado lo único que hace es testear los diferentes elementos de la lipo, para en caso de desequilibrio entre ellos cortar la energía y que no se estropee la lipo. Por cierto ojo a que la conexión a este conector sea correcta, de lo contrario cortocircuitaremos la batería

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Las Baterias

Cualquiera que sea el tipo de modalidad de aeromodelismo o radiocontrol que practiquemos, será inevitable tener que utilizar algún tipo de batería, por este motivo es bastante recomendable que tengamos claros algunos conceptos sobre la recarga de baterías a fin de que éstas, nos duren el máximo tiempo posible en buen estado.

Existen principalmente cuatro tipos de batería, las de níquel cadmio (Ni-Cd), las de níquel metal hidruro (Ni-Mh), las de plomo ácido y las de polímero de litio (Lipo). Nosotros vamos a tratar las baterías de Ni-Cd y las Ni-Mh, para las Lipo os podéis descargar este manual que es bastante completo, además es recomendable su lectura por que nos aclara algunos conceptos que nos pueden servir para el resto de baterías. Las de plomo ácido la verdad es que cada vez se usan menos o por lo menos en mi club, todos enchufamos a la batería del coche.

Baterías de Ni-Cd

Estas baterías aún están bastante extendidas, existen muchos tipos, unos admiten carga rápida e incluso hay algunos que admiten carga ultrarápida, pero como regla general y para estar seguros de que no vamos a sobrecargar la batería, debemos seguir la norma de dividir la capacidad en mAh de la batería por diez y cargar la batería con esa intensidad durante un periodo de 12 a 15 horas. La sobrecarga de estas baterías produce una energía que la pila tiene que disipar de alguna forma, así que la convierte en calor, este exceso de temperatura es lo que daña la pila.

Los tiempos de carga son casi siempre indicados por el fabricante en algún lugar de la batería, si no es así hay que aplicar la norma anterior, cuando la pila admite tiempos de carga rápidos o ultrarápidos casi en el cien por cien de los casos el fabricante lo hará constar. Como idea general nos pueden ayudar las siguientes nociones:

• Para una carga rápida dividiremos la capacidad de la pila por 5 y la cargaremos a esta intensidad por un periodo de 6 a 8 horas.

• Para una carga ultrarápida utilizaremos una intensidad igual o un poco menor a la capacidad nominal de la pila por un periodo de tiempo de entre 1 y 2 horas.

Debemos tener en cuenta que para realizar estos dos últimos tipos de carga es más que recomendable el uso de un cargador que detecte el delta del voltaje (rV) y el tiempo de carga, si queremos tener la seguridad de que no vamos a estropear la pila, a parte claro está de que estemos seguros de que nuestras baterías admiten este tipo de recarga, por que como ya he dicho antes, no todas lo hacen.

Baterías de Ni-Mh

Estas baterías aparecieron en el mercado para mejorar las prestaciones de las de níquel cadmio, sin embargo son más sensibles a los sobrecalentamientos que las anteriores y por ende, más sensibles a las sobrecargas, por lo que habrá que prestar especial cuidado con las mismas. La característica principal de estas baterías es que pueden ser cargadas rápidamente con intensidades de carga del nominal de la pila, pero si para las de cadmio es recomendable el uso de un buen cargador, para las de metal hidruro es prácticamente obligatorio, a menos que utilicemos una intensidad de carga que sea el resultado de dividir la capacidad nominal de la pila por diez.

Las baterías de metal hidruro pueden ser cargadas de tres formas:

• Carga Lenta, dividimos la capacidad nominal por diez y cargamos la pila a esta intensidad durante un periodo de 12 horas. Este tiempo de carga es para una batería completamente descargada, en caso de que la pila no se encuentre en ese estado, un tiempo de carga de 12 horas sobrecalentaría la batería pudiendo dañarla.

• Carga Rápida, dividiremos la capacidad nominal por tres para cargar la pila a esta intensidad durante un periodo de tiempo de 3.6 horas aproximadamente, teniendo en cuenta que la temperatura por elemento de la batería no puede superar los 55º C durante la carga.

• Carga ultrarápida, se puede conseguir cargar la pila en un tiempo aproximado de 1 hora utilizando un sistema de carga que regule el corte de la misma de una manera combinada, teniendo en cuenta la temperatura, el delta del voltaje y el tiempo de carga. En general, se recomienda hacer la carga ultrarápida en tres pasos:

1. Cargar con una intensidad de carga del nominal de la batería hasta detectar un incremento de temperatura de 1º C por celda y minuto.

2. Cargar con una intensidad de carga del nominal de la batería dividido por diez durante un periodo de tiempo de media hora.

3. Aplicar una intensidad de carga del nominal de la batería dividido por trescientos durante el tiempo que sea preciso.

Baterías de Lipo

Las baterías lipo o de polímero de litio son unas de las más usadas dentro de las baterías rc y si practicas aeromodelismo eléctrico son prácticamente imprescindibles, por eso es necesario manejar los dos conceptos más importantes a los que me refería antes.

La C, algunas veces este es un concepto difícil de comprender, es una constante de capacidad pero su valor para un pack determinado es variable en función de la capacidad de dicho pack, es decir C no siempre vale lo mismo y como es determinante a la hora de recargar el pack o de saber que vamos a alimentar con él (descargar), hemos de calcularlo. En los pack de baterías lipo siempre viene indicado por el fabricante su capacidad en MAh y las C, tomemos como ejemplo un pack de 2.200 mAh y 10 C, para calcular que es lo que podemos alimentar con el no tenemos más que hacer esta fórmula:

2.200 x 10 / 1.000 = 22 A

Sabemos entonces que su capacidad máxima de descarga está en 22 A. Hemos de tener en cuenta que hacer trabajar a un pack lipo al su límite de C acorta bastante su vida útil, por lo que en este caso lo adecuado para este pack es trabajar un poco por debajo de los 22 A. aunque en algún momento se pudiera llegar a ese valor.

En cuanto a los valores de carga, no es nada recomendable pasar de 1 C, así que para recargar nuestro pack hemos de poner en nuestro cargador un valor de carga de:

2.200 x 1 / 1.000 = 2,2 A. o directamente 2.200 mAh

mAh es un acrónimo de miliamperios hora, es el valor que puede entregar la batería durante una hora antes de agotarse, es decir, los mAh a parte de servirnos para calcular el valor de C, nos dan una idea, al menos teórica, de la duración del pack de nuestra elección. Para el ejemplo anterior seria:

2.200 mAh o 2,2 A en 1 hora
4.400 mAh o 4,4 A en 30 minutos
8.800 mAh o 8,8 A en 15 minutos

Tras estos periodos de tiempo con esos valores de descarga la batería está agotada.

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Las Hélices

La hélice es el elemento que hace trabajar a nuestro motor, todos sabemos que un avión se mueve gracias a su hélice, pero la elección adecuada del paso y el diámetro es fundamental, se podría hacer un símil con la caja de cambios de un coche, todos sabemos que en velocidades cortas el motor tiene mucha fuerza pero no es capaz de desarrollar mucha velocidad, sin embargo en velocidades largas tendrá mucha velocidad pero a costa de la fuerza. Con la hélice ocurre un poco lo mismo, dentro de un rango adecuado, unas hélices nos darán mucha potencia y poca velocidad y otras al contrario, por eso es tan importante elegir bien la hélice, una mala elección podría incluso terminar quemando nuestro variador, motor o baterías.

Los fabricantes de motores siempre nos proporcionan las hélices recomendadas para cada motor así que siempre sabremos en que rangos nos vamos a mover, además también marcan las hélices mediante su paso y diámetro (normalmente expresado en pulgadas), por ejemplo una 10×4 es una pala de 10 pulgadas de diámetro y 4 de paso. Ahora supongamos que entre las hélices recomendadas tenemos una 10×4 y una 10×7, siguiendo con la analogía de la caja de cambios de un vehículo, una 10×4 nos dará poca velocidad pero más potencia que una 10×7 que dará más velocidad pero menos potencia, esto ya nos da una idea de por cual nos tenemos que decidir, si nuestro modelo es un 3D iremos a por una hélice de menor paso, si por el contrario ha de volar deprisa podremos una de mayor paso.

Otro factor a tener en cuenta es la velocidad de pérdida de nuestro avión, ésta suele estar ligada al tipo de perfil y a la carga alar, conociendo ambas magnitudes tendremos una idea aproximada del valor de la velocidad de pérdida, lo que nos ayudará, aplicando la regla general que dice “una buena velocidad es 2,5 ó 3 veces superior a la velocidad de pérdida de sustentación“, a determinar cuál es la pala adecuada que debemos elegir.

Para saber si nuestro modelo volará en torno a una velocidad adecuada vamos a determinar cuál es la velocidad teórica, supongamos que tenemos una hélice 12×6 y que nuestro motor da 7.000 rpm. Lo primero es pasar el paso de pulgadas a milímetros, 6×25=150 mm, entonces sabemos que por cada revolución nuestro avión avanzará 150 mm, así que un minuto avanzara 150×7.000=1.050.000 mm y en una hora 63.000.000 mm que para pasarlo a km 63.000.000/1.000.000= 63 k/h. Si la velocidad de pérdida de nuestro avión es de 25 k/h, la hélice seria adecuada pues 63 k/h está en el rango de 2,5 a 3 veces la velocidad de pérdida.