Como medir a eficiência do motor brushless e da hélice

Por Charles Blouin

Tutorial em vídeo

Testar os seus motores e hélices é a forma mais eficaz de avaliar o desempenho e identificar áreas de melhoria no seu projeto.

Permite-lhe melhorar a eficiência, o que se traduz diretamente em maiores autonomia, tempo de voo, capacidade de carga útil e muito mais.

Neste artigo, abordaremos tanto o como como o porquê de testar motores e hélices.

Índice

1. Porquê testar os seus motores e hélices
2. Que parâmetros devo medir?
1. Eficiência do motor brushless
2. Eficiência da hélice
3. Eficiência global do sistema
3. Como testar motores e hélices com um banco de ensaio de impulso
4. Procedimento de ensaio para ensaios estáticos
5. Como utilizar os resultados de eficiência

Porquê testar os seus motores e hélices

Deve primeiro perguntar-se: quais são as suas necessidades ou as do seu utilizador final? Esta pergunta é importante, pois ajudá-lo-á a saber que parâmetros otimizar. 

• Quer voar durante mais tempo para filmar sem interrupções por períodos mais longos?
• Quer transportar uma carga útil maior?
• Precisa de mais impulso e potência para voar mais depressa ou melhorar a manobrabilidade em ventos fortes?
• Tem problemas de sobreaquecimento e a sua aplicação exige que minimize a taxa de falhas?

A escolha final do sistema de potência depende não só da estrutura e da carga útil, mas também da sua aplicação.

Que parâmetros devo medir?

Eficiência do motor brushless

Figura 1: Motor brushless NTM PropDrive 35-30 e hélice Quantum 13-4 de fibra de carbono

Para caracterizar totalmente um motor e determinar a sua eficiência, deve medir os seguintes parâmetros.

• Tensão (V)
• Corrente (A)
• Comando do acelerador (%)
• Carga ou binário do motor (Nm)
• Velocidade (RPM)

• Potência mecânica (Watts) = Binário (Nm) * Velocidade (rad/s)
• Potência elétrica (Watts) = Tensão (V) * Corrente (A)
• Eficiência do motor = Potência mecânica / Potência elétrica

A velocidade de saída é uma função do acelerador, em %, e da carga ou do binário, em Nm. Se quiser caracterizar totalmente um motor, terá de o testar com várias tensões de entrada e diferentes cargas. O acelerador é alterado através do controlador, e a carga é alterada pelo tipo e tamanho da hélice.

Leitura complementar: Como funcionam os motores brushless e como os testar

Eficiência da hélice

Para determinar a eficiência da hélice, terá de medir os seguintes parâmetros:

• Velocidade (RPM)
• Binário (Nm)
• Impulso (g)

Estes parâmetros permitem determinar:

• Potência mecânica (Watts) = Binário (Nm) * Velocidade (rad/s) ← igual à do motor
• Eficiência da hélice (g/watt) = Impulso (g) / Potência mecânica (Watts)

Note que a potência mecânica é a mesma para o motor e para a hélice. Isto deve-se ao facto de toda a potência mecânica de saída do motor ser transmitida à hélice, uma vez que esta está acoplada diretamente ao eixo do motor.

Eficiência global do sistema

A eficiência global do seu sistema depende de quão bem o motor e a hélice trabalham em conjunto. Mesmo com um motor e uma hélice altamente eficientes individualmente, o seu sistema pode ser muito ineficiente se as duas partes não estiverem bem combinadas.

Uma vez que estas partes têm uma ligação comum (o eixo), a eficiência global do sistema é expressa como:

Eficiência do sistema (g/watt) = Eficiência da hélice (g/watt) * Eficiência do motor

sendo a eficiência do sistema expressa em gramas por watt de potência elétrica. Alterar o motor, a hélice ou mesmo mudar para outro ESC contribuirá para alterar a eficiência do sistema.

Além disso, o valor de eficiência só será válido para um comando de entrada e uma carga mecânica específicos. Na prática, isto significa que terá de testar o seu motor numa gama de comandos de entrada e com várias hélices (para variar a carga mecânica) de forma a obter uma caracterização completa da eficiência.

Como testar motores e hélices com um banco de ensaio de impulso

Em resumo, para obter a eficiência do motor e da hélice, deve registar simultaneamente a tensão, a corrente, o binário, o impulso e a velocidade do motor. Ao combinar estas leituras, pode determinar a potência elétrica e mecânica, que, por sua vez, lhe darão os valores de eficiência.

A forma mais fácil e eficaz de realizar estes ensaios é com um banco de ensaio de impulso, um equipamento concebido especificamente para caracterizar motores e hélices.

Utilizámos o banco de ensaio de impulso da série 1585 (5 kgf/ 2 Nm) para recolher os dados apresentados abaixo, mas também disponibilizamos bancos de ensaio de impulso que medem até 500 kgf.

Leitura complementar: Porquê testar os motores e hélices do seu drone

Procedimento de ensaio para ensaios estáticos

Neste artigo, abordaremos apenas ensaios estáticos (não falaremos sobre ensaios dinâmicos envolvendo aceleração angular, estimativa do binário de estol, etc…).

Antes de iniciar os seus ensaios, recomendamos:

• Instalar a sua hélice numa configuração de empurrador, para reduzir os efeitos de solo com a placa de montagem do motor
• Manter uma distância razoável entre a hélice e outros objetos, novamente, para evitar os efeitos de solo
• Garantir que todas as medidas de segurança estão em vigor para proteger as pessoas na sala
• Configurar o seu banco de ensaio de impulso para interromper automaticamente o sistema caso algum parâmetro exceda o seu limite de segurança

Um ensaio simples, mas eficaz, consiste em aumentar o acelerador em pequenos passos e registar uma amostra após cada passo. Antes de recolher a amostra em cada passo, deixe o sistema estabilizar durante alguns segundos.

No vídeo no início do artigo, demonstramos como variámos manualmente o acelerador de 0 a 100% em 10 passos. Este procedimento também poderia ter sido realizado utilizando a funcionalidade de ensaio automatizado do software RCbenchmark, que é abordada em outro tutorial.

Leitura complementar: Como equilibrar um motor brushless

Como utilizar os resultados de eficiência

Pode analisar os seus dados de saída utilizando qualquer software de gráficos. Abaixo encontra-se um exemplo de um gráfico que gerámos utilizando os dados do ficheiro CSV ligado acima.

Aqui comparámos o impulso da hélice e a eficiência mecânica para ver em que pontos o nosso sistema de propulsão opera com maior eficiência.

Pode então comparar estes dados com dados de outros ensaios utilizando o mesmo protocolo, mas com hélices diferentes, para encontrar aquela que é mais eficiente com o seu motor.

Para mais exemplos dos tipos de análise que pode fazer com estes dados, consulte os nossos artigos sobre ensaios de motores e hélices.

Conclusão