Dimensionare un motore per droni ad alta spinta: carico utile, rendimento e margine termico

Un motore per droni ad alta spinta non è l’unità più grande di una scheda tecnica; è il motore che riesce ancora a produrre la sua spinta nel punto di funzionamento in cui l’aeromobile vola davvero. Dimensionarlo parte dalla massa che il velivolo deve sollevare, divide quella massa tra i rotori e verifica poi se il motore riesce a sostenere la sua quota di carico senza esaurire il margine termico. Classe di carico, spinta per rotore e margine termico sono le tre grandezze che determinano la risposta, e su un aeromobile heavy-lift sono anche le grandezze che stabiliscono quanta massa del motore va portata per svolgere il compito.

Questa guida esamina dieci delle schede attualmente elencate nella categoria Motori UAV di ToBMS, tutte unità T-Motor che le schede ToBMS raggruppano sotto Drone heavy-lift e UAV agricolo, e indica quale specifica decide la scelta a ogni passo. Ogni cifra riportata sotto proviene dalla scheda prodotto ToBMS o dalla specifica pubblicata dal produttore; i rapporti derivati da tali cifre sono contrassegnati come derivati e, dove un valore non è pubblicato, è contrassegnato come non pubblicato anziché dedotto da un modello simile.

Risposta rapida

La classe di carico viene per prima ed è una cifra dell’aeromobile, non del motore. Gli otto record Navigator esaminati qui dichiarano direttamente la massa massima al decollo dell’aeromobile sulla pagina del produttore, da 60 kg sul T-Motor MN1115 KV130 UAV Motor fino a 140 kg sul T-Motor MN1330 KV40 UAV Motor. Quel numero è la massa massima al decollo dell’aeromobile, non il carico appeso sotto di esso; la parte utile è ciò che resta dopo aver sottratto la struttura, il pacco batterie, l’avionica e i motori, ed è per questo che la scelta del motore deriva da un bilancio di massa e non da una cifra di carico da sola, e che un motore per droni ad alta spinta per carichi pesanti è sempre abbinato all’aeromobile e non al solo carico.

La spinta che un motore per droni ad alta spinta deve fornire si ottiene poi dividendo la spinta necessaria all’aeromobile tra i bracci. La pratica dei multirotore destina al controllo dell’assetto un multiplo del peso totale, così che l’autorità di controllo venga mantenuta durante manovre e perturbazioni; la spinta massima registrata per motore è pertanto un limite superiore e non un punto di lavoro. Il mantenimento del controllo dopo il guasto di un rotore è un requisito di tolleranza ai guasti distinto, che deriva dalla configurazione dell’aeromobile, dalla ripartizione del controllo e dal caso di guasto considerato piuttosto che dal solo valore di spinta massima. Una terza grandezza decide se quel limite superiore regge in volo, ed è il margine termico: le potenze e le correnti nominali pubblicate per questi motori sono riferite a una finestra breve, e la temperatura superficiale misurata sul banco del produttore è rilevata a un determinato livello di gas e a una determinata durata di prova. Dieci schede non possono essere ordinate tra loro su questa base, perché elica, tensione di bus e condizioni di prova cambiano da pagina a pagina. Ciò che le cifre possono fare è mostrare dove si colloca il margine per un motore, un’elica e un bus, che è il confronto di cui una decisione di dimensionamento ha effettivamente bisogno.

Che cosa definisce un motore per droni ad alta spinta

Nulla, nella costruzione di un motore per droni ad alta spinta, cambia all’estremità pesante della classe. Ciò che cambia in un motore per droni ad alta spinta è quale parte della specifica diventa il vincolo determinante. Su un aeromobile piccolo il limite è di solito il pacco batterie e il cablaggio, e un motore per droni ad alta spinta viene scelto per adattarsi a un’elica che entra già nel telaio. Su un aeromobile heavy-lift o agricolo il limite si sposta sul carico termico e sulla massa del motore insieme, e per questi aeromobili il regime termico e la massa del sistema di propulsione possono diventare vincoli accoppiati importanti man mano che aumentano il carico utile richiesto e le esigenze della missione; è questo che rende diverso il problema di scelta a questo estremo della gamma.

Spinta per rotore rispetto alla massa del motore

Due grandezze si collocano su lati opposti di ogni decisione heavy-lift e nessuna delle due si legge da sola. La spinta per rotore è ciò che il motore deve produrre al punto di lavoro; la massa del motore è ciò che l’aeromobile paga per quella spinta a ogni volo, e i motori fanno parte della massa totale che il sistema di propulsione solleva. Le due grandezze si muovono insieme nelle dieci schede seguenti: il T-Motor U11 II KV120 UAV Motor pesa 772 g e registra 14159 g di spinta, mentre il T-Motor MN1330 KV40 pesa 2750 g e registra 75415 g. Tra i due la massa sale di un fattore di circa 3.6 e la spinta registrata di un fattore di circa 5.3, e quella differenza di pendenza è ciò su cui una decisione di dimensionamento fa la sua scommessa.

Le due grandezze vanno considerate come una coppia e non come un punteggio. Un motore per droni ad alta spinta leggero per la sua spinta riduce la massa che il sistema di propulsione porta, ma ha anche meno rame e meno statore per dissipare la perdita che genera, e i due effetti non sono indipendenti. Un motore per droni ad alta spinta pesante per la sua spinta introduce più materiale nel problema termico, ma aggiunge alla massa che l’aeromobile solleva a ogni volo e all’inerzia contro cui deve lavorare il controllore di assetto. Da quale lato di questo compromesso stia la scelta corretta dipende dal regime di volo dell’aeromobile, e lo stesso motore può trovarsi su entrambi i lati della linea per due missioni diverse.

Il KV come primo filtro

Il KV è la costante di velocità dell’avvolgimento, espressa in giri al minuto per volt, e in queste schede va da 130 sull’MN1115 fino a 40 sull’MN1330. Il suo ruolo pratico nel dimensionamento è dichiarare per quale numero di celle e quale diametro di elica il motore è stato avvolto. Un KV basso su un dato bus fa girare la stessa elica più lentamente, e un avvolgimento a basso KV può essere appropriato per configurazioni a velocità inferiore e con elica più grande, ma la corrente a una data spinta va valutata dai dati di funzionamento motore–elica e non dal valore di KV, ed è ciò che consente a un aeromobile heavy-lift di usare un’elica grande senza che la corrente superi ciò che un controller può sostenere in continuo. Il KV è un’indicazione di abbinamento e non un indice di qualità, e un bus a 24S che aziona un’elica da 20 in e un bus a 24S che ne aziona una da 30 in richiederanno valori diversi anche a parità di spinta obiettivo.

La grandezza correlata su un motore per droni ad alta spinta è la configurazione dello statore, e sui motori Navigator è pubblicata come conteggio di cave e poli, ad esempio 36N40P o 36N42P. Ciascuna delle otto schede Navigator qui è un outrunner ad alto numero di poli con uno statore di grande diametro, da 120.5 mm sulla serie MN11 a 150 mm sulla serie MN13. Il valore di KV riflette l’avvolgimento e il progetto elettromagnetico del motore; il numero di poli e le dimensioni dello statore forniscono un contesto aggiuntivo ma non determinano da soli il KV. Le due serie si dividono lungo questa linea: il gruppo MN11 abbina uno statore da 120.5 mm a 12S o 24S, e il gruppo MN13 abbina uno statore da 150 mm a 14S o 24S. La guida UAV Motors: Matching KV, Thrust and Mass to Your Airframe sviluppa la stessa relazione sull’intera gamma U, Navigator, P e AT per chi desidera il caso generale prima di quello specifico.

Come si fissa la classe di carico di un motore per droni ad alta spinta

La classe di carico di un aeromobile non è una proprietà del motore, e la cifra che il produttore pubblica accanto a un motore non è nemmeno una capacità di carico. T-Motor dichiara una massa massima al decollo dell’aeromobile per ogni motore Navigator, e quel numero descrive l’aeromobile più pesante che il motore è destinato a movimentare, non il carico che un tale aeromobile può trasportare. Passare da una cifra all’altra è una sottrazione, e il risultato dipende da come è costruito l’aeromobile.

Classe di carico e numero di rotori

Il dimensionamento di un motore per droni ad alta spinta parte dalla massa totale e sottrae tutto ciò che non è carico utile: la struttura, il pacco batterie, l’avionica, il supporto del carico e i motori stessi. Ciò che resta è la massa disponibile per l’equipaggiamento di missione e, su un aeromobile heavy-lift, quel residuo dipende dalla massa della struttura, della batteria, del sistema di propulsione, dell’avionica e del supporto del carico entro la massa totale ammessa. Le masse massime al decollo dichiarate negli otto record Navigator sono di 60 kg sull’MN1115 KV130, 70 kg sul T-Motor MN1118 KV108 UAV Motor, 80 kg sul T-Motor MN1123 KV53 UAV Motor, 90 kg sul T-Motor MN1315 KV100 UAV Motor, 100 kg sia sul T-Motor MN1130 KV45 UAV Motor sia sul T-Motor MN1320 KV49 UAV Motor, 120 kg sul T-Motor MN1325 KV47 UAV Motor e 140 kg sull’MN1330 KV40. I due record della serie U, l’U11 II KV120 e il T-Motor U13 II KV65 UAV Motor, non pubblicano una massa massima al decollo dell’aeromobile, quindi qui non viene assegnata loro alcuna classe.

Il numero di rotori divide poi quella massa. Un aeromobile della stessa massa totale costruito su sei bracci richiede di più a ciascun motore rispetto allo stesso aeromobile costruito su otto, e la differenza non è solo aritmetica: meno sono i rotori, tanto più l’aeromobile dipende da ciascuno di essi e tanto maggiore è la quota del budget di controllo da riservare all’assetto e alle perturbazioni. Un budget di propulsione che spende l’intera spinta registrata in volo stazionario non lascia nulla per quella riserva, ed è per questo che la frazione di spinta massima usata in hovering è un dato di ingresso del dimensionamento e non un risultato.

Margine di spinta a gas parziale

Un motore per droni ad alta spinta su un aeromobile heavy-lift trascorre gran parte del volo a gas parziale, ed è nella regione del gas parziale che vive il margine. I dati di prova del produttore mostrano quanta parte della spinta viene prodotta a gas moderato: sull’MN1330 KV40 con un’elica 52 x 20 in la tabella al banco registra 14117 g al 40 per cento di gas contro 75415 g al 100 per cento, quindi la metà superiore della corsa del gas porta la maggior parte della spinta disponibile. Tradurre ciò in un punto di lavoro per un motore per droni ad alta spinta significa scegliere il gas al quale l’aeromobile sta in hovering a pieno carico e verificare quanto margine di corsa resta al di sopra di esso.

La seconda parte del margine è lo scarto tra la spinta che un motore registra e la spinta che può sostenere. Le pagine Navigator pubblicano due valori per braccio affiancati, un massimo e un valore nominale, e lo scarto tra essi è ampio: l’MN1123 KV53 registra 47.5 kg di massimo contro 20-22 kg nominali per braccio, l’MN1325 KV47 registra 68.0 kg contro 30-32 kg, e l’MN1330 KV40 registra 75.4 kg contro 35-38 kg. Quello scarto è la differenza tra ciò che il motore può produrre al banco per una breve punta a pieno gas e ciò che è destinato a sostenere come carico di lavoro; un motore per droni ad alta spinta si dimensiona sul secondo valore, usando il primo come il limite superiore che non gli si deve chiedere di sostenere.

Rendimento a gas parziale e a pieno gas

Il rendimento è l’unica grandezza della catena di dimensionamento di un motore per droni ad alta spinta che le schede descrivono in modo indiretto, e la ragione è che la spinta per watt è una proprietà del motore e dell’elica insieme e non del motore da solo. Le tabelle di prova del produttore la registrano come rapporto, in grammi di spinta per watt, e il rapporto varia con il gas su ogni motore esaminato qui. Sull’MN1330 KV40 con un’elica 52 x 20 in la tabella al banco riporta 10.61 g/W al 40 per cento di gas e 4.64 g/W al 100 per cento, e la stessa forma compare sull’U11 II KV120 con un’elica 28 x 9.2 in, a 11.72 g/W contro 5.08 g/W. La spinta sale su tutto l’intervallo e la spinta per watt no, ed è questa l’aritmetica che sta dietro al margine di gas parziale discusso sopra.

Resistenza interna e perdita nell’avvolgimento

La perdita nel rame dell’avvolgimento segue una relazione I²R, quindi la resistenza stabilisce quanta parte dell’ingresso diventa calore a un dato punto di lavoro, ma stimarla dai dati pubblicati richiede definizioni compatibili di resistenza e di corrente anziché moltiplicare il valore tra fase e fase per un qualsiasi valore di corrente. Nelle dieci schede le cifre pubblicate coprono una banda ampia, da 7.5 mΩ sull’MN1315 KV100 a 80±5 mΩ sull’U11 II KV120, e l’ordine della banda non segue l’ordine della spinta: l’MN1315 KV100 è una delle schede a spinta più alta qui e porta anche la resistenza pubblicata più bassa, mentre l’MN1118 KV108 e l’MN1115 KV130 registrano 13 mΩ e 16 mΩ a 12S e l’MN1123 KV53 registra 35 mΩ a 24S. La resistenza è una proprietà dell’avvolgimento di un motore per droni ad alta spinta ed è riferita all’avvolgimento descritto dalla pagina, quindi va letta insieme al numero di celle e non da sola.

Corrente a vuoto e resistenza senza carico

Il lato senza carico del conto è la corrente a vuoto, pubblicata come 1.5 A a 18 V sull’U11 II KV120, 1.7 A a 18 V sull’U13 II KV65 e tra 2.0 A e 5.7 A a 20 V su tutte le schede Navigator. Quella corrente copre la perdita che il motore produce girando senza carico: l’attrito dei cuscinetti, la resistenza aerodinamica tra rotore e statore e la perdita nel ferro di uno statore commutato a una frequenza fissata dal numero di poli e dalla velocità. Su un outrunner a statore grande è una frazione piccola della corrente di lavoro, e la sua influenza su una decisione di dimensionamento si colloca all’estremità bassa della corsa del gas, dove la spinta utile è minima e la quota di ingresso spesa in perdita a vuoto è massima. Su un motore per droni ad alta spinta né la resistenza né la corrente a vuoto sono cifre su cui si sceglie direttamente; entrambe si leggono per seguire dove va la perdita, ed è ciò che la sezione termica seguente applica poi a un punto di lavoro.

Spinta per rotore e quanto costa in massa del motore

Una volta fissati la classe di carico e il numero di rotori, la domanda restante è quanta spinta deve produrre ciascun braccio e quanto pesa il motore che la produce. Sono due specifiche separate sulla pagina e una sola decisione nell’aeromobile, perché ogni grammo che il motore aggiunge fa parte della massa totale che l’aeromobile deve sollevare, e la spinta che quel motore produce fa parte di ciò che la solleva.

Come leggere il valore in kg

Il valore di spinta pubblicato per un motore per droni ad alta spinta è un massimo registrato al banco a una data tensione, elica e livello di gas, e leggerlo correttamente significa leggere quelle tre condizioni insieme ad esso. Le dieci schede seguenti sono dichiarate su eliche da un’unità 28 x 9.2 in fino a un’unità 52 x 20 in, su bus da 12S a 22-25S, e i valori vanno da 14.16 kg sull’U11 II KV120 a 75.4 kg sull’MN1330 KV40. Nessuno di essi è una spinta nominale nel senso di un valore che il motore è destinato a sostenere indefinitamente, e le pagine Navigator separano esplicitamente le due nozioni pubblicando affiancati un valore massimo e un valore nominale per braccio. Dove una decisione di dimensionamento richiede il valore di lavoro anziché il limite superiore, la cifra nominale per braccio è quella da leggere, e dove la pagina non ne pubblica alcuna il limite superiore è l’unico numero pubblicato e va trattato come tale.

Massa del motore per kg di spinta massima registrata

Dividere la massa registrata di un motore per droni ad alta spinta per la sua spinta massima registrata dà una cifra derivata che descrive quanto costa quella spinta in massa rispetto a quel massimo, e nelle dieci schede si colloca tra 30.0 g e 54.5 g per kg di spinta massima registrata. Non è una metrica di efficienza normalizzata, perché eliche, tensioni di bus e condizioni di prova differiscono da scheda a scheda. Gli otto record Navigator stanno in una banda stretta da 30.0 g sull’MN1123 KV53 a 36.5 g sull’MN1330 KV40, cioè una dispersione di circa un quinto su un intervallo di spinta che più che raddoppia. I due record della serie U stanno fuori da quella banda in alto, ed è l’U11 II KV120 a collocarsi più in alto, a 54.5 g per kg di spinta massima registrata. Le specifiche elencate non forniscono una scomposizione della massa a livello di componenti, quindi il contributo specifico della sua struttura e del suo avvolgimento non può essere isolato da queste sole schede; l’U11 II KV120 è comunque il motore più leggero qui a 772 g e registra la spinta minore a 14.16 kg. Per un motore per droni ad alta spinta la cifra è derivata da valori pubblicati e non è di per sé una specifica del produttore; è utile per vedere come cambia il costo della spinta su una gamma, e va letta accanto al valore di spinta e non al suo posto.

Massa massima al decollo dell’aeromobile, spinta, massa del motore, numero di celle ed elica come pubblicati dal produttore e riportati nella scheda prodotto ToBMS; la massa del motore è indicata cavi inclusi. La massa del motore per kg di spinta massima registrata è derivata qui dalla massa registrata e dalla spinta massima registrata e non è una cifra del produttore; poiché le condizioni di prova e le eliche differiscono, non va letta come metrica di efficienza normalizzata né come misura diretta della capacità di carico utile in volo. Le pagine Navigator indicano i valori per braccio come Max Thrust/Arm e Rated Thrust/Arm; le due pagine della serie U indicano un solo valore di spinta massima e nessun valore nominale per braccio, e le celle che recano non pubblicato restano aperte anziché essere riempite da un modello comparabile. Ogni tabella di prova del produttore si legge rispetto al blocco dell’elica, al passo di gas e alla tensione di bus stampati sulla pagina da cui proviene, perché l’ordine delle colonne e l’unità di rendimento non sono gli stessi nelle pagine della serie U e in quelle Navigator. Nessuna cifra termica o di rendimento è confrontata tra i modelli di questa tabella: elica, tensione di bus, livello di gas e durata di prova differiscono da pagina a pagina, e il produttore dichiara che le cifre al banco intendono servire da riferimento per quel motore e non da base per confrontare tipi di motore.

Diametro dell’elica dietro ogni valore di spinta

L’elica abbinata a un motore per droni ad alta spinta non è un accessorio del valore di spinta; è parte della sua definizione. La spinta registrata per un motore è prodotta dall’elica con cui è stato provato, e cambiare quell’elica sposta il punto di lavoro motore–elica e può cambiare sia la spinta sia l’assorbimento di corrente, perciò le schede qui si leggono con le condizioni di prova allegate. Quanto l’elica determini il risultato è visibile qui: le due schede con i valori di KV più vicini, l’MN1130 KV45 a 45 e l’MN1325 KV47 a 47, sono provate sulla stessa elica NS47 x 18 in e registrano però 57.3 kg contro 68.1 kg, quindi la differenza sta nello statore e nell’avvolgimento e non nell’elica. La scelta dell’elica è vincolata dall’aeromobile prima che dal motore, poiché il diametro del disco deve avere spazio rispetto ai bracci e al telaio, e dalla velocità di punta, poiché un’elica grande su un KV troppo alto supererà la velocità alla quale le estremità delle pale smettono di essere efficienti. Su un aeromobile agricolo lo stesso vincolo si presenta come questione di distribuzione dell’irrorazione, che la guida BLDC Motors for Agricultural UAV: KV, Stator Size and Part-Throttle Torque affronta dal lato del ciclo di lavoro.

Margine termico in un motore per droni ad alta spinta

Il margine termico in un motore per droni ad alta spinta è la differenza tra il calore che produce a un punto di lavoro e il calore che riesce a dissipare senza che l’avvolgimento o i magneti raggiungano una temperatura alla quale le cifre pubblicate cessano di valere. È la grandezza che un valore di spinta non riesce a descrivere, perché lo stesso motore chiamato a sostenere la stessa spinta con un’elica più grande, un numero di celle inferiore o una salita più lunga raggiungerà una temperatura diversa per arrivarci. Le schede esaminate qui descrivono quel limite in tre modi distinti, e leggerli insieme è ciò che trasforma un valore di spinta in un punto di lavoro.

La potenza e la corrente nominali su 180 s

La prima descrizione è il valore di potenza e corrente, e in ogni scheda qui è dichiarato su una finestra di 180 s e non come valore continuo. Le schede Navigator lo pubblicano come potenza massima su 180 s accanto a una corrente di picco: 2816 W e 180 A sull’MN1115 KV130, 2230 W e 192 A sull’MN1118 KV108, 2400 W e 108 A sull’MN1123 KV53, 3218 W e 132 A sull’MN1130 KV45, 3300 W e 248 A sull’MN1315 KV100, 2900 W e 150 A sull’MN1320 KV49, 3400 W e 170 A sull’MN1325 KV47 e 3400 W e 177 A sull’MN1330 KV40. I due record della serie U dichiarano le stesse due grandezze in ordine inverso nella scheda ToBMS, con la potenza a 180 s sulla riga della potenza massima e la corrente a 180 s sulla riga della corrente di picco: 2783 W e 57.3 A sull’U11 II KV120, e 6720 W e 68 A sull’U13 II KV65. La finestra è la parte operativa della specifica. Un valore a 180 s descrive una punta, e un aeromobile heavy-lift che vola una missione di dieci minuti ne trascorre la maggior parte ben sotto quella cifra e va dimensionato perché la corrente sostenuta resti dentro la capacità continua dell’avvolgimento, non contro il numero di punta.

Perdita nel rame, percorso di raffreddamento e montaggio

La seconda descrizione è la perdita stessa. La perdita nel rame è un contributo importante al calore che un motore per droni ad alta spinta produce in volo e cresce con il quadrato della corrente a parità di definizione della resistenza, mentre anche le perdite nel ferro e meccaniche contribuiscono con un’importanza relativa che dipende dal punto di lavoro; il termine del rame è fissato dalla resistenza tra fase e fase pubblicata per il motore: 7.5 mΩ sull’MN1315 KV100, 13 mΩ sull’MN1118 KV108, 16 mΩ sull’MN1115 KV130, 17.5 mΩ sull’MN1325 KV47, 19.5 mΩ sull’MN1330 KV40, 20.5 mΩ sull’MN1320 KV49, 35 mΩ sull’MN1123 KV53, 38 mΩ sull’MN1130 KV45, 73 mΩ sull’U13 II KV65 e 80±5 mΩ sull’U11 II KV120. La perdita nel ferro e la resistenza senza carico già trattata aggiungono una quantità minore. Il calore prodotto dalla perdita nel rame deve poi uscire dal motore, e il percorso che compie fa parte della specifica e non è un ripensamento: le pagine Navigator descrivono una struttura monoblocco di alette di raffreddamento in pressofusione attorno allo statore, dichiarano che raddoppia l’area di dissipazione rispetto a una struttura di raffreddamento divisa e che riduce la temperatura dell’avvolgimento di 5 ℃ a 8 ℃. Anche i materiali dietro quel percorso sono pubblicati: rivestimento a 150 ℃ sullo statore, filo di rame a 220 ℃ e magneti classificati per 180 ℃, con un involucro IP45 e un intervallo di funzionamento dichiarato da -30 ℃ a 55 ℃. Il montaggio conta per la stessa ragione, perché il braccio è il dissipatore verso cui il motore conduce il calore, e un motore avvitato a una piastra con scarso contatto si scalda più dello stesso motore su un supporto lavorato della stessa massa.

Dove finisce il margine termico

La terza descrizione di un motore per droni ad alta spinta è la temperatura superficiale misurata, ed è la cifra che rende concreti i primi due. Nelle schede Navigator il produttore dichiara la temperatura superficiale del motore dopo 10 minuti all’80 per cento di gas con un ambiente a 25 ℃, e attraverso i blocchi di avvolgimento quelle pagine pubblicano valori che vanno da 82 ℃ a 122 ℃. Ciascuno appartiene all’elica, alla tensione di bus e al numero di celle stampati sulla stessa pagina, quindi la banda descrive l’intervallo occupato dalle misure e non un ordinamento, e il produttore osserva che le cifre al banco intendono servire da riferimento per quel motore e non da base per confrontare tipi di motore. I due record della serie U dichiarano la temperatura superficiale in modo ancora diverso, misurata al 100 per cento di gas con la durata di prova indicata in uno, due, cinque o dieci minuti a seconda del blocco dell’elica e un ambiente a 19 ℃ sulla pagina U11 II, dove quella pagina ne indica uno, ed è per questo che in questa guida non si confronta alcuna temperatura tra modelli.

Ciò che la temperatura superficiale di un motore per droni ad alta spinta sostiene è un controllo del margine. La temperatura superficiale registrata fornisce un riferimento utile per valutare il comportamento termico nelle condizioni di prova dichiarate, ma non stabilisce direttamente la temperatura dell’avvolgimento o dei magneti. Valutare il margine termico in condizioni di volo reali richiede di considerare l’aumento di temperatura interno, le condizioni ambientali, il raffreddamento, il montaggio e il ciclo di lavoro, letti rispetto ai limiti di temperatura dichiarati dal produttore per il motore. Un outrunner a statore grande di questa classe ha massa termica sufficiente perché un breve sovraccarico muova la temperatura lentamente, ed è per questo che un valore di punta è utile, e ha anche inerzia termica sufficiente perché un sovraccarico prolungato impieghi molto tempo a manifestarsi e molto tempo a rientrare. Il margine in un motore per droni ad alta spinta si consuma quindi con il profilo di missione nel suo insieme e non con un singolo istante, e su un aeromobile agricolo che compie cicli caricati ripetuti è l’effetto cumulativo che si riflette nella temperatura del corpo. Il lato del ciclo di lavoro di questa domanda è sviluppato in BLDC Motors for Industrial UAV: Duty Cycle, Redundancy and Payload, e il lato del rendimento, dove la spinta per watt cala al salire del gas, è lo stesso meccanismo visto dal lato dell’ingresso.

T-Motor U11 II e U13 II nella classe heavy-lift

I due record della serie U sono i motori più leggeri di questo gruppo e si collocano all’estremità inferiore dell’intervallo di spinta, il che li rende il punto di partenza naturale per un aeromobile la cui massa totale è modesta secondo gli standard di questa classe. Nessuna delle due pagine pubblica una massa massima al decollo dell’aeromobile, quindi la classe è determinata qui dalla spinta e dal numero di celle che ciascuno registra e non da una cifra dichiarata.

U11 II KV120

Il T-Motor U11 II KV120 UAV Motor è un outrunner da 772 g in un corpo di 79.5 x 51.6 mm con un albero da 15 mm e uno statore 12N14P, ed è un’unità a 12S con una spinta massima registrata di 14.16 kg su un’elica 28 x 9.2 in a 48 V. Il suo avvolgimento registra 80±5 mΩ di resistenza tra fase e fase con una corrente a vuoto di 1.5 A a 18 V, e le sue cifre pubblicate a 180 s sono 2783 W e 57.3 A. La tabella di prova del produttore per questo motore contiene tre blocchi di elica, su unità 26 x 8.5 in, 27 x 8.8 in e 28 x 9.2 in, registrando 12114 g, 12617 g e 14159 g a pieno gas, il che è un promemoria utile che la cifra di testata appartiene all’elica più grande provata e non al solo motore. A 12S e appena sotto gli 800 g, questo record si addice a un aeromobile in cui il carico utile è piccolo in termini assoluti ma il numero di rotori è abbastanza basso che il motore deve comunque produrre una spinta per braccio seria.

U13 II KV65

Il T-Motor U13 II KV65 UAV Motor è il gradino successivo: 975 g in un corpo di 100 x 60 mm con un albero da 15 mm e uno statore 36N42P, avvolto per un bus a 22-25S contro una spinta massima registrata di 28.7 kg su un’elica G32 x 11 in. Registra 73 mΩ di resistenza con una corrente a vuoto di 1.7 A a 18 V, e le sue cifre a 180 s sono 6720 W e 68 A. Il numero di celle più alto è ciò che lo separa dall’U11 II e non la sola cifra di spinta, perché un bus a 22-25S fa girare un’elica più grande a una corrente inferiore per una data spinta, e il produttore descrive il motore come destinato a carichi pesanti e a uso industriale su una vita di servizio prolungata. Anche la tabella di prova contiene più di un blocco di elica, con un’unità G30 x 10.5 in che registra 24744 g e l’unità G32 x 11 in che registra 28711 g a pieno gas. Tra i due record della serie U la coppia copre una gamma da un aeromobile industriale leggero fino al punto d’ingresso del gruppo Navigator, e la guida Heavy-Lift Drone Motors: Three T-Motor Options from 2.85 kg to 101 kg Thrust colloca entrambi in un confronto più ampio guidato dal carico utile che copre anche la serie U5 e la U15.

Motori T-Motor serie MN per heavy lift e agricoltura

Gli otto record dei motori T-Motor MN esaminati qui formano due famiglie che differiscono per il diametro dello statore e non per la costruzione. Il gruppo MN11 porta uno statore da 120.5 mm e il gruppo MN13 uno statore da 150 mm, e all’interno di ciascuna famiglia i modelli scalano per lunghezza del pacco mentre l’avvolgimento cambia con il numero di celle. Tutti e otto sono outrunner a statore grande con un regolatore elettronico di velocità esterno, e ogni pagina dichiara una massa massima al decollo dell’aeromobile accanto alle cifre di spinta e termiche, il che rende questo gruppo la parte della gamma in cui un motore per droni ad alta spinta può essere abbinato direttamente a una classe di aeromobile a partire dai valori pubblicati.

MN1115, MN1118, MN1123 e MN1130

I record MN11 condividono un diametro dello statore di 120.5 mm e crescono in lunghezza da 47.9 mm a 65.9 mm nei quattro modelli, e la spinta sale con essa da 33.3 kg sull’MN1115 KV130 a 57.3 kg sull’MN1130 KV45. Il T-Motor MN1115 KV130 UAV Motor è il punto d’ingresso a 1055 g, con statore 36N40P e bus a 12S, registrando 33.3 kg su un’elica G36 x 11.5 in con una massa massima al decollo dichiarata di 60 kg; le sue cifre a 180 s sono 2816 W e 180 A e il suo avvolgimento registra 16 mΩ con una corrente a vuoto di 2.7 A a 20 V. Il T-Motor MN1118 KV108 UAV Motor pesa 1186 g sullo stesso bus a 12S con statore 36N40P e registra 38.1 kg su un’elica VZ40 x 16.1 in a un dichiarato 70 kg, con 2230 W e 192 A su 180 s da un avvolgimento da 13 mΩ e una corrente a vuoto di 3.3 A a 20 V. Entrambe le pagine contengono anche un secondo blocco di avvolgimento, a 110 KV sull’MN1115 e 90 KV sull’MN1118, ed è per questo che il valore di KV va letto con il modello e non dal nome della serie.

Il T-Motor MN1123 KV53 UAV Motor passa a un bus a 24S a 1425 g in un corpo di 58.9 mm, registrando 47.5 kg su un’elica VZ42 x 16.5 in a un dichiarato 80 kg, con 2400 W e 108 A su 180 s e un avvolgimento da 35 mΩ. Il T-Motor MN1130 KV45 UAV Motor chiude la famiglia a 1740 g in un corpo di 65.9 mm, 57.3 kg su un’elica NS47 x 18 in a un dichiarato 100 kg, 3218 W e 132 A su 180 s da 38 mΩ, il che colloca il record nella fascia dei motori per droni ad alta spinta per carichi pesanti a un dichiarato 100 kg. Il passo da 12S a 24S all’interno di una stessa famiglia di statore è l’illustrazione più chiara di ciò che fa qui il numero di celle: l’MN1123 e l’MN1130 producono la loro spinta a 108 A e 132 A dove l’MN1118 ne richiede 192, e in condizioni di funzionamento comparabili una tensione di bus più alta riduce la corrente di alimentazione necessaria per una data potenza elettrica, sebbene le cifre di corrente tra questi modelli riflettano anche le loro diverse eliche, avvolgimenti e spinte prodotte e non la sola tensione di bus; la resistenza più alta degli avvolgimenti a 24S è l’altro lato di quel compromesso.

MN1315, MN1320, MN1325 e MN1330

I record MN13 portano uno statore da 150 mm e scalano in lunghezza da 51 mm a 65 mm, ed è in questa famiglia che le masse massime al decollo dichiarate raggiungono i valori più alti. Il T-Motor MN1315 KV100 UAV Motor è l’elemento atipico del gruppo sotto due aspetti: a 14S è il numero di celle più basso della famiglia e a 100 KV è l’avvolgimento più alto, e insieme producono 50.2 kg su un’elica VZ40 x 16.1 in a un dichiarato 90 kg con una corrente di picco di 248 A su 180 s. Il suo avvolgimento da 7.5 mΩ è la resistenza più bassa pubblicata su tutti e dieci i record qui, ed è la risposta progettuale al dover portare quella corrente. Il T-Motor MN1320 KV49 UAV Motor torna a 24S a 2070 g e registra 59.0 kg su un’elica NS45 x 17.5 in a un dichiarato 100 kg, con 2900 W e 150 A su 180 s e un avvolgimento da 20.5 mΩ.

Al di sopra, il T-Motor MN1325 KV47 UAV Motor registra 68.1 kg su un’elica NS47 x 18 in a un dichiarato 120 kg da 2425 g, con 3400 W e 170 A su 180 s, e il T-Motor MN1330 KV40 UAV Motor chiude la gamma a 2750 g con 75.4 kg su un’elica NS52 x 20 in a un dichiarato 140 kg, 3400 W e 177 A su 180 s da un avvolgimento da 19.5 mΩ. Entrambi i due record più grandi dichiarano un valore nominale per braccio accanto al massimo, rispettivamente 30-32 kg e 35-38 kg, che è il valore su cui si dimensiona un punto di lavoro. Il video ufficiale del produttore T-Motor Navigator MN Series Heavy-Lift UAV Motors: Official Release Video copre l’aggiornamento della serie che ha prodotto questi record, e l’estremità della stessa famiglia rivolta all’agricoltura è sviluppata in BLDC Motors for Agricultural UAV: KV, Stator Size and Part-Throttle Torque.

Lista di controllo per la scelta di un motore per droni ad alta spinta

La sequenza che segue è l’ordine in cui vanno letti i dati di un motore per droni ad alta spinta, perché ogni passo vincola quello successivo e nessuno di essi può essere risolto dalla sola pagina del motore.

1. Sommare la massa totale, motori e pacco batterie compresi, poi sottrarre tutto ciò che non è equipaggiamento di missione. Il resto è il carico utile che l’aeromobile può effettivamente trasportare, e dipende dalla massa di struttura, batteria, sistema di propulsione, avionica e supporto del carico entro la massa totale ammessa dell’aeromobile.
2. Dividere la spinta necessaria all’aeromobile tra i rotori e applicare un margine di controllo prima che il motore venga scelto, non dopo. La spinta massima registrata per braccio è un limite superiore, e un budget che la spende tutta in volo stazionario non lascia riserva per l’assetto, le perturbazioni o l’inviluppo di manovra previsto.
3. Fissare il numero di celle dalla scelta del pacco batterie, poi scegliere il KV in modo che il diametro di elica consentito dall’aeromobile raggiunga il suo punto di lavoro a un gas ragionevole. Il KV è un abbinamento tra tensione di bus ed elica, non una classifica di prestazioni.
4. Leggere il valore di spinta rispetto a elica, tensione e passo di gas stampati accanto, e preferire un valore nominale per braccio a un massimo dove la pagina pubblica entrambi.
5. Stimare la perdita nel rame dalla resistenza dell’avvolgimento e dalla corrente di lavoro prevista solo dopo aver confermato che i due valori pubblicati condividono la stessa convenzione di misura, poi leggere la temperatura superficiale registrata dal produttore nelle sue condizioni dichiarate accanto ai limiti di temperatura dichiarati per l’avvolgimento e i magneti.
6. Verificare la corrente che una salita sostenuta assorbe rispetto al valore a 180 s, non rispetto al numero di punta, e confermare che la corrente di hovering lascia la finestra libera per i transitori di controllo.
7. Confermare l’interfaccia meccanica: diametro dell’albero, schema di montaggio, ingombro, lunghezza dei cavi e sezione dei conduttori devono adattarsi al braccio prima che qualsiasi cifra elettrica conti.
8. Annotare quali valori provengono dalla scheda tecnica del produttore, quali dalla scheda prodotto ToBMS e quali sono stati derivati per il confronto, così che una revisione successiva possa essere verificata rispetto alla sua fonte.

Tre ulteriori guide si estendono lateralmente da questa. La guida UAV Motors: Matching KV, Thrust and Mass to Your Airframe copre l’intera categoria dal lato dell’aeromobile e raggiunge anche le serie Navigator, P e AT. L’applicazione Long Endurance UAV porta gli stessi motori nell’argomento di rendimento, massa e tensione di bus, sviluppato in BLDC Motors for Long Endurance UAV: Efficiency, Mass and Bus Voltage. Per l’estremità più piccola della famiglia, dove dominano invece la reattività e la durata della batteria e non la spinta per braccio, la categoria Drone Motors e l’applicazione Industrial UAV coprono gli aeromobili per i quali questa classe di motore è troppo pesante.

Domande frequenti