Progetto di un motore elettrico ad elevata densità di coppia per droni

F

velocità di crociera (traslazione orizzontale) è necessaria una spinta complessiva

0

delle eliche tale che: − −

F W W = 0

0 c

d

W

dove è il peso del drone, costitutito principalmente dai motori, dalla batteria,

d W

dal telaio e dai circuiti elettrici (Figura 3.3). è invece il peso del carico utile

c ∗

a

trasportato. Per garantire una certa accellerazione verticale invece bisogna

v

F

sviluppare una spinta tale che: ∗

− − − ·

F W W F W a

=

c a tot

d v

F

dove è la forza d’attrito viscoso dovuta al profilo aerodinamico del drone e

a

W il peso complessivo.

tot

Figura 3.2. Forze agenti su un drone durante la fase di hovering (a sinistra), nella fase di

decollo (al centro) e durante le accelerazione orizzontali (destra)

Come regola generale i motori devono sviluppare una spinta che è almeno pari

al doppio del peso complessivo del drone (All-Up Weight, AUW) per garantire una

buona manovrabilità e controllo. ·

P F v

Durante la fase di decollo il drone necessita di una potenza alle eliche = ,

c

v

dove è la velocità con cui si vuole effettuare l’ascesa, considerando la quota di

c

funzionamento del drone e il tempo che si vuole impiegare per raggiungerla. La

potenza elettrica richiesta alla batteria dal singolo motore sarà quindi: 9

·

F v

1 c

P =

e · ·

η η η

4 mot conv batt,s

η η η

dove è il rendimento del motore, quello del convertitore e il

mot conv batt,s

rendimento di scarica delle batterie. L’energia richiesta alla batteria per la missione

è invece fornita dall’integrale: t

Z v P

E dt

= 4 (t)

e

batt 0

t P

dove è il tempo di volo domandato al drone e (t) l’andamento temporale

v e

della potenza elettrica durante la specifica missione.

Il peso delle batterie può essere dato dalla equazione:

E

4P

e batt

,

W )

= max (

batt P E

sp sp

P E

dove ed sono i valori di potenza specifica ed energia specifica delle

sp sp

batterie. Per questo tipo di applicazioni il secondo termine è quello generalmente

preponderante.

Dalle relazioni appare evidente quindi come il peso totale del velivolo incida sulle

prestazioni statiche e dinamiche dello stesso e soprattutto, insieme al rendimento di

rotore, sul dimensionamento in termini di potenza ed energia delle batterie, che a

loro volta influenzano il peso complessivo del drone. Anche il valore della corrente

di scarica inficia sulle prestazioni della batteria (η ).

batt,s

In Figura 3.3 è rappresentato come esempio la distribuzione delle masse per un

kg.

drone di massa complessiva 1 Si vede come, a parte il telaio, il peso del velivolo

è determinato principalmente dal peso dei motori e dal peso delle batterie, legati tra

loro attraverso i valori di potenza e energia specifica del sistema di accumulo.

Figura 3.3. Distribuzione dei pesi per un drone da 1 kg

Il dimensionamento del sistema di propulsione per un veicolo aereo a sostenta-

mento verticale rappresenta un circolo vizioso nel quale il dimensionamento della

macchina inficia su quello delle batterie che a loro volta influiscono su quello della

macchina. Infatti, a parità di tempo di volo, se aumenta la potenza del motore

10 3. Dinamica del drone e prestazioni energetiche

esso sarà più pesante e le batterie per alimentarlo dovranno essere più grandi e

capienti. Con un peso complessivo maggiore per avere lo stesso tempo di volo bisogna

aumentare la capacità delle batterie e quindi il loro peso.

L’aspetto del peso diventa ancora più importante quando si parla di droni tra-

sportatori: l’abbattimento della massa del drone permette, a parità di potenza, di

trasportare un carico utile maggiore. ÷ W h/kg

Data la bassa energia specifica delle attuali batterie in commercio (100 250

per batterie ai polimeri di litio), per una data potenza propulsiva il peso dei motori

è il parametro più critico da minimizzare per abbattere il peso complessivo della

macchina e aumentare il tempo di volo. Dato che l’informazione sulla densità di

potenza dei motori tiene conto delle velocità angolari, e quindi si presta poco per

un confronto rispetto ai materiali attivi, la densità di coppia è il parametro su cui

concentrarsi per ottenere il risultato voluto. 11

Capitolo 4

Stato dell’arte

Attualmente i motori utilizzati dai droni in commercio sono dei motori DC Brushless

a flusso radiale con rotore esterno e statore a poli salienti. La macchina viene

alimentata attraverso un inverter trifase e regolata attraverso un controllo ad anello

di velocità comandato dal computer di bordo.

Questa soluzione tecnica semplifica la manifattura della macchina e ovvia il problema

della ritenzione dei magneti alle alte velocità. Oltre a questo la scelta di posizionare

il rotore esternamente viene anche dalla necessità di ridurre il più possibile il traferro

effettivo, che sarebbe stato più ampio se i magneti fossero stati montati su un rotore

interno e quindi fissati ad esso attraverso un anello di ritenuta [4].

Figura 4.1. Visione esplosa di un motore Brushless DC prodotto dalla DJI

Gli svantaggi di questa tipologia di macchina sono però la non semplice realiz-

zazione degli avvolgimenti, che devono essere avvolti a mano o a macchina intorno

alle espansioni polari (con fattori di riempimento non molto alti), e dei magneti, che

devono essere sagomati a forma circolare per mantenere la distanza magneti-statore

più costante possibile.

E’ importante notare che la scelta del motore di un drone è saldamente legata a

quella dell’elica: infatti quest’ultima, per poter erogare valori di potenza e rendimento

12 4. Stato dell’arte

ottimali, deve lavorare in un range di velocità angolare e quindi di coppia specifico

(vedi Figura 4.4). In Figura 4.2 è mostrato come varia l’efficienza di un’elica al

J v/nD, v

variare del rapporto di funzionamento = con velocità realativa del velivolo

D

rispetto a quella della massa d’aria spostata,n velocità del rotore e diametro

dell’elica.

Figura 4.2. J

Efficienza generica delle eliche rispetto al rapporto di funzionamento

Per le finalità della tesi viene preso come riferimento un motore commerciale del

costruttore T-motor, modello P60 KV170, in modo da individuare una geometria

di partenza per il progetto del nuovo motore ed effettuare infine un confronto in

termini di prestazioni e peso. Nelle Figure 4.3 e 4.4 sono rappresentate la geometria

del motore preso in considerazione e sua la caratteristica coppia-velocità angolare,

ricavata dall’accoppiamento con un’ elica T-motor 20x6 CF.

Figura 4.3. T-motor P60 KV170

Dalla caratteristica meccanica si possono intuire le specifiche che le macchine per

droni debbono avere: un profilo di coppia basso ma un range di velocità abbastanza

ampio. La macchina non deve avere capacità di deflussaggio (quindi l’induttanza

non è un parametro di progetto) e le fasi di sovraccarico hanno lo scopo di forzare

l’aumento della velocità angolare per accorciare ad esempio i tempi di decollo.

13

Figura 4.4. Caratteristica coppia-velocità per un motore T-motor P60 KV170 accoppiato

×

ad un’elica T-motor 20 6 CF

Tabella 4.1. Specifiche T-motor P60 KV170 W

Massima potenza continuativa (180 s) 1800

A

Massima corrente continuativa 38 N m

Coppia massima 2, 5 rpm

Velocità nominale 7000 V

Tensione di alimentazione 48

mW

Resistenza interna 80 g

Peso cavi esclusi 379 15

Capitolo 5

Proposta progettuale

Per il progetto del motore viene scelta una macchina del tipo a flusso assiale a

magneti permanenti (AFPM - ”Axial Flux Permanent Magnet”), per via delle

migliori prestazioni in termini di densità di coppia e rapporto potenza/volume

1

rispetto alla controparte radiale [7]. La macchina a flusso assiale ha infatti visto

negli ultimi hanni una notevole quantità di studi e ricerche a riguardo, rendendola

ormai una tecnologia consolidata, anche in virtù del suo ampio campo di applicazioni.

La macchina sarà del tipo a singolo statore (interno) - due rotori (esterni), con i

magneti affacciati che hanno lo stesso verso di magnetizzazione, per spingere appunto

il rapporto coppia/peso verso valori più elevati (si elimina il giogo di statore).

Figura 5.1. Tipologia di macchina proposta

Tabella 5.1. Specifiche del motore

×

W W

Potenza nominale 1000 (4 250 )

N m

Coppia nominale 0, 5 rpm

Velocità nominale 20000 V

Tensione bus DC 12 A

Corrente bus DC 83

Corrente di fase 20 A

1 Il divario tra le due tipologie si sente di più tanto più cresce il numero di poli

16 5. Proposta progettuale

Lo statore dovrà essere del tipo "ironless", come da indicazioni del committente,

quindi senza giogo nè denti statorici. Questa variante presenta l’ottimo vantaggio di

rendere assenti le perdite nel ferro, a noi utile in quanto la macchina ha una velocità

rpm,

di 20000 e ovviamente quello di alleggerire la struttura. Inoltre, l’assenza di

ferro ci fornisce la possibiità di realizzare gli avvolgimenti statorici, se del tipo a

tamburo, con una tecnica particolare (taglio laser), che rende semplice ed economica

2

la loro realizzazione .

Dal punto di vista elettrico tutti questi vantaggi si ottengono, a parità di spessore di

magnete, a discapito di una minor induzione al traferro e quindi una coppia minore a

3

parità di corrente, in aggiunta a perdite nel rame maggiori . Inoltre, l’assenza di cave,

e dunque l’ampio traferro elettrico, rendono assente la coppia di cogging ma enfatizza

il ripple di coppia (dato che la macchina avrà sicuramente una induttanza molto

bassa) oltre a determinare una minor forza elettromotrice indotta sugli avvolgimenti

per via della maggior presenza di flussi dispersi.

La macchina deve essere in grado di erogare una potenza complessiva non continuativa

kW

di 1 , con lo scopo di sostenere una condizione di spunto, per esempio durante la

fase di decollo verticale.

Altre indicazioni sono la tensione di alimentazione della macchina, che avviene

V

attraverso un bus a 12 in continua a cui è collegata la batteria, e il frazionamento

della macchina in 4 sub-motori, alimentati indipendentemente da un proprio inverter

a MOSFET (4 inverter trifase in totale). Questa soluzione permette di evitare

il completo fuori