Como funcionam os motores brushless e como os testar

Por Emrik Joner

Introdução:

Ao construir um drone, um dos primeiros passos é escolher o motor certo. Para obter o melhor desempenho, é essencial testar vários motores e selecionar o mais eficiente para o seu projeto. Existem muitos motores no mercado, incluindo várias variedades de motores elétricos concebidos especificamente para utilização em projetos de drones. Neste artigo, vamos focar-nos exclusivamente nos motores elétricos, abordando os seguintes temas:

1. Como funcionam os motores brushless
2. Motores inrunner vs. outrunner
3. Eficiência e desempenho
4. Escolher um motor

Nota: Vamos utilizar o banco de ensaio de impulso Series 1585 para recolher dados do motor e da hélice para este artigo.

1. Como funciona um motor brushless?

Antes de nos aprofundarmos no princípio do mecanismo brushless, vamos primeiro analisar os seus componentes.

Componentes de um motor brushless:

Eletroímãs e ímanes permanentes: 

Um fio condutor enrolado à volta de uma base metálica não funciona como um íman, mas quando uma corrente elétrica passa pelo fio, este induz-o a comportar-se como um íman. Isto é geralmente designado por eletroímã. Se uma corrente negativa passar pelo mesmo fio, o íman terá agora o efeito oposto, atraindo outro íman em vez de o repelir. 

Rotor e estator: 

As peças visíveis no círculo interior da figura 3 são os eletroímãs, enquanto no círculo exterior temos os ímanes permanentes. Para ligar o motor, ativa-se um dos eletroímãs fornecendo-lhe uma corrente elétrica. Isto fará com que o rotor comece a girar, uma vez que o íman permanente é repelido pelo eletroímã de polaridade semelhante e tenta alinhar-se com um íman permanente de polaridade oposta no estator.

Isto fará com que gire apenas durante um curto período de tempo, à medida que o eletroímã e o íman permanente oposto se alinham. O passo seguinte é alimentar outro eletroímã para impedir que a rotação pare, seguido do próximo eletroímã, e do seguinte, e assim sucessivamente.

Ao fornecer uma corrente trifásica a uma determinada frequência, o motor girará a uma velocidade igual à frequência desse sinal. O acelerador do controlador de um drone é utilizado para alterar a velocidade do motor, sendo que um valor de aceleração mais elevado envia um sinal de maior frequência para o drone. O controlador eletrónico de velocidade (ESC) controla a entrega do sinal para ajustar a velocidade do motor de acordo com o valor do acelerador. 

Qual é o papel de um ESC? 

Um ESC, ou controlador eletrónico de velocidade, controla o motor elétrico fornecendo sinais elétricos que são convertidos em alterações de velocidade ou mesmo na inversão da rotação. Utiliza corrente contínua juntamente com um sistema de comutação para produzir uma corrente trifásica alternada. Esta corrente de saída pode depois ser modificada alterando-se a velocidade com que os comutadores do circuito abrem e fecham.

Os ESCs brushless necessitam de informações sobre a posição atual do rotor para conseguirem arrancar o motor e escolher uma direção de rotação. Para determinar a sua posição, o ESC utiliza informações do último eletroímã sem alimentação para medir a sua indução. Esta indução varia consoante a posição do íman permanente mais próximo e, quanto mais próximo este estiver do eletroímã, mais forte será o campo magnético induzido.

O acelerador é utilizado para variar a velocidade do motor. Para tal, o ESC tem de ajustar a frequência de comutação com base no sinal do acelerador. Existem vários protocolos de entrega de sinal com desempenhos diferentes, sendo os mais comuns Oneshot, Multishot e Dshot.

A diferença entre eles é a frequência dos sinais fornecidos. Frequências mais curtas permitem um tempo de reação mais rápido. Além disso, o protocolo Dshot é diferente dos outros dois porque envia um sinal digital em vez de um sinal analógico. Isto torna o sinal mais fiável, uma vez que é menos sensível ao ruído elétrico e mais preciso devido à sua maior resolução.

Leitura adicional: Lista de fabricantes de motores brushless

2. Inrunner ou outrunner 

Princípio: 

Todos os motores brushless são constituídos por duas partes principais: um estator e um rotor. O estator é estático, não se move e contém os eletroímãs. O rotor é o componente rotativo que contém os ímanes permanentes. Existem dois tipos de motores elétricos de corrente contínua brushless: modelos inrunner e outrunner.

Nos motores inrunner, o rotor gira «dentro» do estator, ou seja, mais para o interior em relação à carcaça do motor. Os motores outrunner têm uma configuração oposta, uma vez que o rotor gira «fora» do estator ou mais para o exterior; veja a figura 6. Ambos os modelos têm vantagens e desvantagens.

Ao comparar um inrunner e um outrunner do mesmo tamanho, é fácil perceber que o diâmetro no qual as forças são aplicadas é diferente. Isto acontece porque os eletroímãs ocupam muito mais espaço do que o rotor que contém os ímanes permanentes. Se os eletroímãs estiverem localizados no interior, o diâmetro é maior em comparação com quando estão localizados no exterior (figura 6).

Além do tamanho, as consequências para o desempenho do motor também são importantes de considerar. Um diâmetro maior significa mais binário, uma vez que a força é aplicada mais longe do centro de rotação, enquanto um diâmetro menor seria melhor para altas rotações. Assim, os inrunner funcionam melhor a alta velocidade, mas geram menos binário, enquanto os outrunner funcionam melhor com hélices maiores, uma vez que podem produzir mais binário, mas giram a uma velocidade mais baixa. 

Motores brushless na indústria dos drones: 

Pelos motivos acima descritos, os eVTOLs utilizam frequentemente outrunners para impulso vertical devido ao seu elevado binário. Os inrunner são mais comumente utilizados para jatos de ventilador em conduto ou aeronaves de asa fixa e para movimentos horizontais que exigem altas rotações. Isto é fácil de compreender através do valor Kv de um motor, também designado por valor RPM/Volt.

Este valor determina a velocidade a que o motor girará se lhe for fornecida 1 V. Portanto, um inrunner tem normalmente um valor Kv mais elevado do que um outrunner do mesmo tamanho porque, como referido acima, o inrunner tem um rotor menor que gira mais depressa para a mesma tensão. Verá frequentemente o valor Kv apresentado primeiro ao consultar motores brushless.

Leitura adicional: Porque Deve Testar os Motores e Hélices do Seu Drone

3. Eficiência e Desempenho

Quando falamos sobre o desempenho de um drone, pensamos frequentemente no tempo de voo. Infelizmente, as tecnologias de bateria mais avançadas não conseguem competir com os motores a gasolina em termos de rácio peso/energia. A única solução é selecionar cuidadosamente os componentes elétricos que utilizarão a carga da bateria da forma mais eficiente.

Vários fatores podem otimizar o consumo de energia de uma bateria. Um desses fatores é a eficiência do motor. Uma maior eficiência ajuda a aumentar o rácio peso/energia, obtendo assim um desempenho superior do motor e do próprio drone. Testar um motor é crucial para estar ciente das diferenças entre as especificações de um fabricante e a qualidade do motor. Para demonstrar esta ideia, apresentamos uma comparação de dois motores BLDC semelhantes com diferentes faixas de preço.

Para comparar o desempenho dos motores, utilizamos o banco de ensaio de impulso RCbenchmark Series 1580. É capaz de medir impulso, binário, tensão, corrente, RPM e eficiência. A recolha de dados é feita utilizando o software RCbenchmark. Os dois motores testados são T2407s de 1500 Kv e 2300 Kv respetivamente. Ambos os motores giram a mesma hélice de 7 polegadas com um passo de 4.

O primeiro gráfico da figura 7 apresenta a eficiência de ambos os motores em comparação com o acelerador. O segundo gráfico mostra a eficiência a velocidades específicas. Claramente, o motor menor de 1500 Kv requer mais aceleração para funcionar de forma eficiente. Não alcançará a mesma eficiência que o motor de 2300 Kv nesta configuração com a mesma hélice. A gama de eficiência também é melhor no motor de 2300 Kv, o que significa que o motor mantém uma alta eficiência tanto a baixa como a velocidade máxima.

Por outro lado, o motor menor pode operar a uma velocidade mais elevada e provavelmente seria mais eficiente com uma hélice menor. Um drone utilizado para transporte usaria um motor menor para conseguir permanecer parado e estável a baixa velocidade.

Para obter uma comparação completa, precisaríamos de saber o propósito do drone e a RPM a que irá operar. É possível que o motor de 1500 Kv seja mais eficiente com uma hélice diferente, adequada para uma função diferente. Apenas através de testes podemos descobrir.

4. Escolher um Motor 

Finalmente, vamos falar sobre o que procurar ao escolher um motor. A característica mais importante é o Kv do motor, que descreve a velocidade de rotação que obtém para a potência fornecida ao motor. Um motor com 2000 Kv girará a 2000 rotações por minuto para cada volt fornecido ao motor.

O tamanho está intimamente relacionado com o Kv. Um motor largo e grande terá frequentemente mais binário, mas um Kv mais baixo e utilizará uma hélice maior, enquanto um motor fino, mas mais comprido, terá um Kv elevado, baixo binário e será mais adequado para uma hélice pequena. Isto faz sentido quando se considera que um motor maior opera a RPMs mais baixas, enquanto um motor pequeno opera a RPMs relativamente altas.

A potência máxima de um motor também é algo a ter em consideração. Exceder o limite de potência do motor resultaria no aquecimento do motor e, assim, na redução drástica da sua eficiência ou até mesmo danos. A marca também pode alterar o desempenho de um motor. Para o mesmo valor Kv, um motor de uma marca pode ter um desempenho melhor do que os outros. É por isso que deve testar o seu motor antes de construir um drone em torno dele.

Leitura adicional: Como Calcular o Kv de um Motor Brushless e os Polos do Motor

Como regra geral, é sensato utilizar o motor mais pequeno (mais leve) possível sem correr o risco de o sobrecarregar e superaquecer. O motivo é reduzir o peso excessivo de um motor maior do que o necessário. Compilámos uma lista de grandes fabricantes de motores com produtos adequados para operações de drones de grande capacidade de carga e tripulados.

Conclusão