Motori per UAV: abbinare KV, spinta e massa alla cellula

A un motore per UAV si chiede una cosa sola, e di farla bene: far girare un'elica con l'efficienza che mantiene il telaio in aria per la durata richiesta dalla missione. Tutto il resto del sistema di propulsione, ESC, passo dell'elica, pacco batteria, viene scelto di conseguenza, ed è per questo che la selezione dei motori parte di solito da spinta e massa per poi restringersi su KV, configurazione dello statore e resistenza dell'avvolgimento.

Questa guida illustra come vengono specificati i motori outrunner per propulsione, quali valori cambiano davvero una decisione di progetto e come si confrontano tredici dei modelli attualmente elencati nella categoria Motori per UAV di ToBMS. Ogni valore riportato di seguito è tratto dai dati di prodotto ToBMS o dalle specifiche pubblicate dal produttore: nessuno è stimato.

Risposta rapida

Un motore per propulsione UAV è un motore brushless a rotore esterno il cui KV è abbinato al diametro dell'elica e alla tensione della batteria, la cui configurazione dello statore e resistenza dell'avvolgimento determinano quanta corrente può trasformare in spinta senza surriscaldarsi, e il cui albero e schema di montaggio decidono se si adatta al telaio. La selezione procede di solito in una sola direzione: fissare elica e tensione del pacco, leggere spinta e corrente dai dati di prova del produttore, quindi scegliere il motore il cui KV, massa e potenza massima corrispondono a quel punto di funzionamento. La massa conta due volte su un multirotore: è carico utile che non resta disponibile per batterie o sensori.

Che cosa decide davvero un motore per UAV

Le righe di scheda tecnica elencate di seguito sono quelle che cambiano un risultato; tutte le altre sono conseguenze.

Il KV e l'elica che deve far girare

Il KV è la costante di velocità, all'incirca la velocità con cui il motore gira per volt applicato a vuoto. Non è un indice di qualità, e un KV più alto non significa un motore migliore. Serve a stabilire il rapporto tra tensione, carico dell'elica e assorbimento di corrente: un motore a basso KV con un numero elevato di celle fa girare lentamente e in modo efficiente un'elica grande, mentre un motore ad alto KV con poche celle fa girare velocemente un'elica piccola. Abbinare il KV al telaio significa di solito scegliere prima il numero di celle e l'elica e trattare il KV come il ponte tra i due.

Configurazione dello statore: 12N14P, 18N24P, 24N28P, 36N42P

La notazione dello statore descrive cave e poli: 12 cave con 14 magneti, 36 con 42. Più cave e più poli significano in genere un'erogazione di coppia più uniforme e un passo di dentellatura inferiore a parità di rotazione, il che si adatta a eliche più grandi e più lente e all'estremità della gamma a basso KV. Un numero di poli più elevato aumenta inoltre la frequenza elettrica a cui l'ESC deve commutare a parità di velocità meccanica, quindi la temporizzazione dell'ESC e il numero massimo di giri elettrici vanno verificati ogni volta che un progetto sale nella scala dei poli.

Resistenza interna ed efficienza

La resistenza dell'avvolgimento determina quanta parte della potenza elettrica si trasforma in calore anziché in spinta. È anche il valore più sensibile alla dimensione: i modelli qui presentati vanno da 17 mΩ su U15 II e U15XL a 194 mΩ sulla più piccola unità Navigator. Quando due motori di massa simile differiscono di decine di milliohm, quello a resistenza inferiore lavora in genere più freddo a parità di corrente, ed è esattamente il margine che decide se una missione di lunga durata sia possibile con un dato pacco.

Potenza massima e la finestra di 180 s

I valori di potenza massima di questa categoria sono riferiti a una finestra di 180 secondi. Si tratta di un valore di breve durata e non continuo, e esiste perché l'esercizio di un multirotore è dominato dall'hover: il motore trascorre gran parte del volo a gas parziale e raggiunge il proprio limite solo in salita, nel contrasto del vento o in una ripresa brusca. Dimensionare un telaio sul solo valore di potenza massima, senza verificare la corrente al punto di hover effettivo, è il modo più comune per ritrovarsi con un motore caldo e un volo breve. Dove è pubblicato un valore di corrente continua, esso è riportato separatamente nel confronto seguente.

Albero, montaggio e cavo

Diametro dell'albero e schema di montaggio sono le specifiche che trasformano un buon motore in un motore inutilizzabile quando vengono trascurate. I modelli agricoli e heavy-lift qui presentati utilizzano montaggi ad albero a perno o a foro largo per adattatori di eliche ad alta coppia; le unità più piccole per aerofotografia usano alberi da 4 mm con montaggi per eliche convenzionali. Lunghezza e sezione dei cavi contano sui telai in cui l'ESC è sul braccio anziché sul mozzo: diversi modelli sono elencati con lunghezze di cavo da 80 a 600 mm e con un peso separato senza cavo, che è il valore da usare nel confronto con un budget di massa del telaio.

Spinta e punto di funzionamento

La spinta non è una proprietà del motore in sé; è una proprietà del motore, dell'elica e della tensione insieme. È per questo che le tabelle di prova del produttore sono più utili di qualsiasi singolo numero su una scheda tecnica. Il testo di panoramica su ToBMS riporta la spinta pubblicata ove disponibile, e tali valori sono citati modello per modello di seguito anziché riassunti in un unico intervallo.

Tredici motori per UAV a confronto

La tabella copre tredici dei motori per propulsione attualmente elencati nella categoria Motori per UAV, ordinati dal più leggero al più pesante. La potenza massima è il valore a 180 secondi del produttore; la resistenza interna è il valore di fase pubblicato.

Configurazione dello statore, potenza massima a 180 secondi, resistenza interna, diametro dell'albero e massa come pubblicati dal produttore. I diametri dell'albero sono contrassegnati «Non indicato» dove la scheda ToBMS non riporta un valore, anziché essere dedotti da un disegno.

Si distinguono due gruppi. Sotto i 300 g i motori sono unità 12N14P-24N28P per aerofotografia e impieghi generici, con resistenze tra 50 e 194 mΩ e massa inferiore a 200 g. Oltre i 600 g sono tutti 36N42P, la stessa configurazione in scala maggiore, con resistenza molto più bassa e potenze che salgono nella fascia dei kilowatt. Il salto di configurazione dello statore tra i due gruppi non è casuale: è ciò che consente di far girare lentamente un'elica grande con un'ondulazione di coppia accettabile.

Il rapporto picco-massa non è qui il rapporto utile; lo sono il rapporto resistenza-massa e i valori di spinta pubblicati. L'U3 KV700, per esempio, è elencato con fino a 1.8 kg di spinta a 128 g su 3-4S, mentre l'MN3110 KV470 raggiunge 1.2 kg a 98 g e l'MN3510 KV360 raggiunge 1.9 kg a 117 g. Leggere questi tre dati insieme è ciò che trasforma un budget di massa in una decisione di propulsione, e nessuno di essi può essere messo in graduatoria senza l'elica e il numero di celle con cui è stato misurato.

Serie Navigator: MN3110, MN3510, MN4006, MN4014 e MN5008

La gamma Navigator rappresenta l'estremità di questa categoria dedicata ad aerofotografia e industria leggera, ed è il gruppo con il maggior numero di dati di spinta pubblicati su ToBMS.

MN3110 KV470 e MN3510 KV360

L'MN3110 KV470 è un motore da 98 g, 12N14P, elencato con fino a 1.2 kg di spinta e 330 W di potenza massima su 3-6S, albero da 4 mm e 600 mm di cavo, con un valore separato di 80 g senza cavo, che è il dato da usare in un budget di massa. L'MN3510 KV360 passa a 117 g e 330 W con una spinta pubblicata superiore, 1.9 kg su 3-6S. La coppia illustra perché il KV non sia confrontabile tra eliche diverse: il motore a KV più basso e diametro maggiore sostiene il telaio più pesante.

MN4006 KV380, MN4014 KV400 e MN5008 KV340

L'MN4006 KV380 è il motore più leggero di questa categoria con 68 g, 380 W di potenza massima e 16 A di corrente di picco su 4-6S. Il diametro dell'albero va verificato sul disegno del produttore prima di ordinare un adattatore per elica, poiché una singola dimensione letta male può bloccare una costruzione. L'MN4014 KV400 è il modello intermedio della famiglia con 171 g, 900 W e fino a 3.3 kg di spinta su 4-8S, mentre l'MN5008 KV340 utilizza uno statore 24N28P e un albero da 6 mm, con 760 W e 35 A di corrente di picco su 6S. La configurazione 24N28P su un telaio che resterà perlopiù in hover è una scelta deliberata: più poli significano in genere coppia più uniforme e dentellatura inferiore alle basse velocità, dove il motore trascorre il volo.

Serie U: U3 KV700 e U5 KV400

I motori della serie U sono le unità multirotore per impieghi generici, ed entrambi sono progetti 12N14P.

U3 KV700: telai leggeri, KV elevato

L'U3 KV700 è un motore da 128 g elencato con fino a 1.8 kg di spinta e 500 W di potenza massima su 3-4S, con un valore di corrente continua di 25 A e 600 mm di cavo. La sua scheda ToBMS descrive uno statore 12N14P con raffreddamento efficiente, destinato a telai industriali e agricoli, anche se con questo KV e questa massa è in realtà un'unità per multirotori piccoli e medi, e il valore di corrente continua è quello su cui dimensionare, dato che 500 W è un valore a 180 secondi.

U5 KV400: finestra di tensione più ampia

L'U5 KV400 è il più flessibile dei due: 195 g con 850 W di potenza massima, nominale su 3-8S, albero da 5 mm e 116 mΩ di resistenza interna. Il valore di 30 A continui e la finestra 3-8S ne fanno un candidato per telai che voleranno con più di una configurazione di pacco, requisito comune quando un prototipo vola dapprima con una batteria piccola e poi passa al pacco di produzione.

Heavy-lift e classe manned: U8 Lite L, U15 II, U15XL e U15XXL

Oltre i 280 g la categoria cambia carattere: si tratta di motori 36N42P costruiti per un'elevata spinta a basso KV, con alberi misurati in decine di millimetri e correnti che dominano il progetto della distribuzione di potenza.

U8 Lite L KV110

L'U8 Lite L KV110 pesa 282 g ed eroga una spinta pubblicata di 11.2 kg con 2140 W di potenza massima su un bus a 12S, assorbendo fino a 45.8 A di picco con 105 mΩ di resistenza interna. La sua scheda ToBMS cita una vita utile di 1000 ore, che è una specifica di tipo diverso dalle altre di questa tabella e merita una nota: su un telaio per ispezione o rilievo, l'intervallo di manutenzione è una voce di costo, non una nota a piè di pagina. Un albero da 15 mm con questa massa segnala inoltre i carichi dell'elica che il supporto deve sopportare.

U15 II KV80, U15XL KV38 e U15XXL KV29

Questi tre condividono uno statore della classe 151 mm e la configurazione 36N42P e differiscono soprattutto per KV, massa e corrente. L'U15 II KV80 è il più leggero con 1740 g, con 8580 W di potenza massima su 12-24S e una spinta pubblicata di 36.5 kg. L'U15XL KV38 passa a 4408 g e a una corrente di picco di 180 A, elencato con fino a 81 kg di spinta su 24S, e l'U15XXL KV29 raggiunge 5130 g e 210 A di picco con una spinta pubblicata di 100 kg.

A queste correnti il motore non è più il componente limitante del progetto: portata dei connettori, sezione dei cavi e C-rate della batteria devono essere specificati insieme ad esso. I valori di resistenza, 17 e 20 mΩ, mostrano quanto gli avvolgimenti siano realizzati in modo serrato per mantenere gestibili le perdite a 200 A, e sono il motivo per cui questi motori non possono essere semplicemente sostituiti con un modello a corrente inferiore senza rivedere l'ESC.

Agricoltura e carichi elevati: P60 Pin e P80 III Pin

La serie P rappresenta l'estremità di questa gamma dedicata ai droni per irrorazione, dove il motore deve sostenere un carico pesante e mal bilanciato attraverso manovre continue.

P60 Pin KV170

Il P60 Pin KV170 è un motore da 375 g, 24N28P, con 1800 W di potenza massima su 6-14S, 80 mΩ di resistenza interna e una corrente continua nominale di 38 A. La sua scheda ToBMS è rivolta a multirotori agricoli con eliche di grandi dimensioni, e il montaggio a perno è ciò che consente di applicare un adattatore per elica ad alta coppia senza affidarsi a un piccolo albero filettato.

P80 III Pin KV100

Il P80 III Pin KV100 è l'unità più grande della serie P con 649 g, statore 36N42P e 2700 W di potenza massima. Presenta il valore di corrente di picco più alto del gruppo agricolo, 60 A, e 45 mΩ di resistenza di avvolgimento, bassa per la sua massa, ed è ciò che sostiene la finestra di 2700 W senza che la temperatura dell'avvolgimento sfugga al controllo. La sua scheda ToBMS lo descrive come motore per eliche di grandi dimensioni destinate a carichi pesanti di irrorazione, ovvero l'impiego che combina carico continuo e correzione costante di assetto.

Quale motore per quale telaio

Su ToBMS questi motori sono raggruppati rispetto a un insieme coerente di applicazioni, e l'applicazione decide quale specifica domina.

Multirotori per fotografia, ispezione e industria

Fotografia aerea, ispezione, industria e lunga autonomia sono i telai rappresentati in questa categoria. Qui dominano efficienza e basse vibrazioni, perché il gimbal deve stabilizzarsi contro tutto ciò che il sistema di propulsione trasmette al telaio; resistenza interna e configurazione dello statore contano più della spinta di picco.

Agricoltura, sollevamento pesante e piattaforme con equipaggio

UAV agricoli, Drone da carico e Propulsione per aeromobili con equipaggio mettono in primo piano spinta e affidabilità. A questa estremità sono la corrente continua nominale, l'albero e l'interfaccia di montaggio e il comportamento termico su sortite ripetute a fissare il limite reale, e il valore di potenza pubblicato a 180 secondi va letto come transitorio e non come valore di esercizio. I tre motori che coprono l'ultimo di questi gruppi, l'U15 II, l'U15XL e l'U15XXL, sono confrontati direttamente, comprese le rinunce che una piattaforma con equipaggio comporta, in Propulsione per aeromobili con equipaggio: tre motori T-Motor U15 a confronto.

Lista di controllo per la selezione

I motori di propulsione sono difficili da cambiare in una fase avanzata di un programma su telaio, quindi vale la pena eseguire queste verifiche prima di specificare la geometria dei bracci e l'ESC.

Telaio e punto di funzionamento

1. Fissare prima elica e numero di celle, poi leggere la tabella di spinta e corrente del produttore al punto di hover anziché a pieno gas.
2. Verificare la corrente di hover rispetto alla corrente continua nominale e trattare i valori di potenza massima come finestre di 180 secondi.
3. Calcolare la massa totale della propulsione, cavi inclusi, e confrontarla con la massa di carico utile e batteria che il telaio può portare.
4. Verificare il margine di spinta necessario per contrastare il vento e per una discesa controllata, non soltanto per l'hover.

Integrazione elettrica e meccanica

1. Abbinare KV, numero di poli e velocità massima al limite di commutazione e ai requisiti di temporizzazione dell'ESC.
2. Verificare resistenza di avvolgimento e corrente massima rispetto a pacco, connettori e sezione dei cavi.
3. Confermare diametro dell'albero, schema di montaggio e compatibilità degli adattatori prima di ordinare le eliche.
4. Verificare lunghezza e percorso dei cavi rispetto alla posizione dell'ESC sul braccio e utilizzare il valore di massa senza cavo dove pubblicato.

Domande frequenti

Risorse ufficiali

T-Motor pubblica una documentazione completa di gamma di prodotto che copre le serie U, MN, P e AT, e ogni modello dispone di una pagina prodotto ufficiale con specifica completa, tabelle di spinta e disegni, ad esempio il sito ufficiale T-Motor. Il produttore resta la fonte autorevole per dati di spinta, specifiche degli avvolgimenti e raccomandazioni sulle eliche; ToBMS mantiene ricercabile e confrontabile il livello di scoperta dei prodotti.

Dove andare dopo

Se l'obiettivo è selezionare e non fare ricerca, tre strumenti della piattaforma svolgono il lavoro in sequenza. Esplorare l'intera categoria Motori per UAV per vedere ogni modello e ogni specifica affiancati, filtrare i candidati per KV, massa e potenza in Selezione, quindi confrontarli tra loro in Confronto prodotti. Per telai costruiti attorno a impieghi da corsa o ad ala fissa anziché alla propulsione per il sollevamento, la categoria Motori per droni copre quella gamma separatamente.

In sintesi: fissare elica e tensione del pacco, leggere spinta e corrente al punto di hover, dimensionare sulla corrente continua anziché sul picco a 180 secondi, quindi confermare massa, albero e montaggio rispetto al telaio. Tutto il resto, lunghezza dei cavi, tipo di adattatore, temporizzazione dell'ESC, discende da queste quattro scelte.