UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
Tema: Diseño y construcción de un motor Brushless
Docente: Dr. Celso Ysidro Gerónimo Huamán
Alumno: Arenas Cortez Samuel Antonio
LIMA-PERU 2017
DEDICATORIA
Dedico este trabajo de investigación y diseño a mis padres ya que en todo este tiempo me apoyaron con aliento y de forma económica para poder lograrlo. También a mis compañeros y docentes que me prestaron apoyo para resolver mis dudas y cuestiones teóricas y prácticas necesarias para el proyecto.
AGRADECIMIENTO Quiero agradecer a todos mis maestros ya que ellos me enseñaron valorar los estudios y a superarme cada día, también agradezco a mis padres porque ellos estuvieron en los días más difíciles de mi vida como estudiante. Y agradezco a Dios por darme la salud física y mental y poder tener su bendición para los proyectos presentes y futuros a lo largo de mi vida.
ÍNDICE GENERAL 1
INTRODUCCIÓN .................................................................................... 8
2
MARCO TEÓRICO .................................................................................. 9 2.1
COMPONENTES DEL MOTOR BRUSHLESS ................................. 9
2.2
CARACTERÍSTICAS ...................................................................... 10
2.3
APLICACIONES ............................................................................. 10
2.4
VENTAJAS Y DESVENTAJAS ....................................................... 11
2.5
TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO ................................................... 12
2.5.1 2.6
FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ .................................... 14
TIPO DE MOTORES BRUSHLESS ................................................ 16
2.6.1
UBICACIÓN DEL ESTATOR, ROTOR Y CARCASA. .............. 16
2.6.2
FUNCIONAMIENTO ASISTIDO ............................................... 17
2.7 CONTROLADOR DE VELOCIDAD (ESC) PARA MOTORES BRUSHLESS 18 A Y 30 A ........................................................................ 18 3
4
5
MATERIALES........................................................................................ 21 3.1
TUBO METÁLICO CIRCULAR DE 2 PULGADAS ......................... 21
3.2
TUBO DE PLÁSTICO DE 1 1/2 PULGADAS .................................. 21
3.3
TAPÓN METÁLICO DE 2 PULGADAS ........................................... 22
3.4
RODAJES DE 1 PULGADA ............................................................ 22
3.5
IMANES DE NEODIMIO ................................................................ 22
3.6
ALAMBRE DE COBRE ................................................................... 23
3.7
TORNILLOS Y TARUGOS ............................................................. 23
3.8
VARILLA METÁLICA REDONDA ................................................... 23
DISEÑO................................................................................................. 24 4.1
IMANES .......................................................................................... 24
4.2
NÚMERO DE POLOS EN EL ESTATOR ....................................... 26
4.3
SELECCIÓN DEL ALAMBRE DE COBRE ..................................... 26
4.4
BRUSHLESS ELECTRONIC SPEED CONTROL (ESC) ................ 29
4.5
CONEXIONES ESC........................................................................ 30
4.6
RITUALES DE ACTIVACIÓN ......................................................... 30
4.7
CONTROLAR EL MOTOR SIN ESCOBILLAS CON ARDUINO ..... 32
CONSTRUCCION ................................................................................. 33
5
6
PRUEBAS ............................................................................................. 36
7
INVESTIGACION PARA LA ADQUISICION DEL MOTOR PROTEAN . 37
8
CONCLUSIONES .................................................................................. 39
9
RECOMENDACIONES ......................................................................... 40
10
BIBLIOGRAFIA .................................................................................. 41
INDICE DE ILUSTRACIONES Figura 1: Motor Brushless........................................................................... 9 Figura 2 : Aplicaciones de los motores brushless ................................. 10 Figura 3 : Tensiones trapezoidales inducidas en el estator................... 12 Figura 4 : Relación par-velocidad............................................................. 13 Figura 5 : Esquema electromecánico del motor ..................................... 14 Figura 6: Diagrama de bloques del controlador...................................... 15 Figura 7: Motor Out-Runner ...................................................................... 16 Figura 8: Motor In-Runner ......................................................................... 16 Figura 9: Motor de disco ........................................................................... 17 Figura 10: Motor Brushless Sensored ..................................................... 17 Figura 11: Motor Brushless Sensorless .................................................. 18 Figura 12: Conexión del motor, ESC, receptor, batería y servos .......... 19 Figura 13: Tubos metálicos circular de 2 pulgadas ............................... 21 Figura 14: Tubos de plástico de 1 ½ pulgadas........................................ 21 Figura 15: Tapones metálicos de 2 pulgadas .......................................... 22 Figura 16: Rodajes de 1 pulgada .............................................................. 22 Figura 17: Imanes de neodimio ................................................................ 22 Figura 18: Carretes de alambre de cobre ................................................ 23 Figura 19: Tornillos.................................................................................... 23 Figura 20: Tarugos..................................................................................... 23 Figura 21: Varilla metálica redonda.......................................................... 23 Figura 22: Esquema general del proyecto ............................................... 24 Figura 23: Imanes de neodimio ................................................................ 25 Figura 24: Posicionamiento correcto de los imanes de neodimio ........ 25 Figura 25: Bobinas de motores Brushless .............................................. 26 Figura 26: Tabla de diámetros de alambres de cobre ............................ 27 Figura 27: Posicionamiento de las secciones A-B-C .............................. 28 Figura 28: Unión de los bobinados A-B-C ............................................... 28 Figura 29: Estator con bobinado .............................................................. 28 Figura 30: Motor Brushless CF2822 ......................................................... 29 Figura 31: ESC ........................................................................................... 29 Figura 32: Implementación del circuito de control y el motor Brushless ..................................................................................................................... 30 Figura 33: Pulso de 1ms ............................................................................ 31 Figura 34: Pulso de 1.5ms ......................................................................... 31 Figura 35: Programación en arduino ....................................................... 32 Figura 36: Implementación del proyecto ................................................. 32 Figura 37: Carcasa interior con el bobinado ........................................... 33 Figura 38: Rotor con los 4 imanes de neodimio ..................................... 34 Figura 39: Tapas superiores e inferiores del motor ................................ 34 Figura 40: Motor Brushless....................................................................... 35 Figura 41: Medición de corriente en las líneas........................................ 36
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Figura 42: Medición de las rpm del rotor ................................................. 36 Figura 43: Correo electrónico de Michelin............................................... 37 Figura 44: Proforma 1 ................................................................................ 38 Figura 45: Proforma 2 ................................................................................ 38 Figura 46: Proforma 3 ................................................................................ 38
1 INTRODUCCIÓN El presente informe es una investigación, diseño y construcción de uno de los motores más usados hoy en día ya que revoluciono el ámbito de estos, por su eficiencia, durabilidad, su relación par/peso y muchas otras características, estamos hablando de los motores brushless. Los motores brushless son muy utilizados en la actualidad por sus características en el cual resalta su relación par/peso y su tamaño el cual es muy convenientes para poder implementarlos en drones, electrodomésticos, robótica, biomédica y muchas otros usos. Para la realización de este proyecto recurrimos a múltiples plataformas que nos brindaban información la cual no era completa, por ellos tuvimos que recurrir a la experimentación e ingeniería inversa, para poder tener una mejor idea del funcionamientos y características necesarias para el diseño y construcción de dicho motor. Este informe cuenta con múltiples partes en las cuales comenzamos dando un amplio marco teórico para tener comprender a plenitud todo lo necesario para poder diseñar nuestro propio motor brushless. Luego presentamos los materiales, los cuales fueron elegidos mediante una rigurosa meditación, ya que teníamos que evitar cualquier tipo de complicaciones que podrían perjudicar el funcionamiento de nuestro motor brushless. Presentamos también el diseño y construcción detallado de nuestro motor con la explicación de cada uno de los componentes y pasos que fueron necesarios para la realización. También incluimos las pruebas de funcionamiento en los cuales pudimos medir el amperaje por línea, las revoluciones de rotor. Por ultimo acoplamos la información para la adquisición de los motores PROTEAN, el cual era nuestro proyecto inicial, pero debido a complicaciones de importación, motivos de costo y plazos de tiempo no pudimos realizarlo.
2 MARCO TEÓRICO Los motores brushless dc representan el último desarrollo de la historia en cuanto a motores eléctricos DC se refiere. Antes de que existiesen este tipo de motores, lo que existía eran los motores de corriente continua o también denominados motores de corriente continua con escobillas. Uno de los primeros e importantes desarrollos sobre el motor de corriente continua fue el sistema de control basado en un reóstato con el que se controlaba la velocidad de giro del motor. Este sistema estuvo vigente hasta mitad del siglo XX aproximadamente cuando se desarrolló controladores basados en tiristores que eran ya capaces de convertir corriente alterna en corriente continua rectificada directamente. Los primeros motores de corriente continua sin escobillas o también llamados motores brushless dc fueron introducidos como una máquina de corriente continua con conmutación de estado sólido, destacando como característica principal el carecer de un conmutador físico como eran previamente las escobillas. El problema inicial con estos nuevos motores se debió a que estos no admitían tanta potencia como los tradicionales motores de corriente continua a pesar de la gran fiabilidad que ofrecían los motores brushless dc. Esto cambió en los años ochenta cuando los materiales para imanes permanentes se hicieron totalmente disponibles y comerciales. La combinación de estos imanes junto con transistores de alta potencia permitió a los motores brushless dc adelantarse a los motores dc tradicionales al poder ahora sí admitir potencias mucho mayores. 2.1
COMPONENTES DEL MOTOR BRUSHLESS
Los motores brushless están compuestos por una parte móvil que es el rotor, que es donde se encuentran los imanes permanentes, y una parte fija denominada estator o carcasa, sobre la cual van dispuestos los bobinados de hilo conductor. La imagen refleja una sección de uno de estos motores en donde puede verse la disposición de los bobinados y los imanes permanentes (que en este caso son de neodimio).
Figura 1: Motor Brushless
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2.2
CARACTERÍSTICAS
Las características por las que destaca y que hacen de este tipo de motor una buena opción en aplicaciones como las previamente expuestas son las siguientes:
2.3
Excelente relación par/peso, permitiendo realizar diseños de productos más ligeros y pequeños con muy buenas características de funcionamiento. Alta eficiencia, al no existir pérdidas en el rotor y en consecuencia esta característica hace realmente interesante este tipo de motores para aplicaciones alimentadas con baterías en las que reducir las pérdidas al máximo es algo crítico para aumentar la autonomía. Larga vida útil, ya que al carecer de escobillas para realizar la conmutación, estos motores no requieren apenas mantenimiento, convirtiéndolos en una opción realmente interesante para aplicaciones en las que el mantenimiento es costoso o difícil, como pueden ser implantes médicos o productos sin apenas posibilidad de fallo. Existe un gran rango de modelos de este motor en gran cantidad de diferentes tamaños y pesos, par y potencia, velocidad. Apareciendo desde motores de gran potencia y tamaño utilizados por ejemplo para coches eléctricos o en la industria hasta motores muy pequeños, de hasta unos pocos milímetros utilizados en implantes médicos. APLICACIONES
Los usos de este tipo de motores son muy variados comprendiendo una gran variedad de industrias en las que se utilizan, como son las siguientes:
Electrodomésticos Automoción Aeronáutica Electrónica de consumo Ingeniería biomédica Robótica Equipamiento industrial
Figura 2 : Aplicaciones de los motores brushless
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2.4
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
12
2.5
TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO
Los motores brushless son un tipo de motor síncrono, esto es, que tanto el campo magnético generado por el rotor como el del estator giran a la misma frecuencia. Una de las características que define este tipo de motor es que no existe el comúnmente denominado “deslizamiento”. Este tipo de motor existe en diferentes configuraciones aunque la más normal es la configuración dotada de tres fases. Respecto al estator, este se compone de tres devanados en la mayoría de los casos, pudiendo estar estos conectados en estrella o en triángulo aunque la configuración más común es la de estrella. Las tensiones inducidas son de forma trapezoidal.
Figura 3 : Tensiones trapezoidales inducidas en el estator El rotor de este tipo de motores se compone de un conjunto de imanes permanentes que puede ser de diferentes materiales. Al principio se fabricaban en ferrita, siendo estos baratos pero con el problema de que generaban una densidad de flujo muy baja. Actualmente se están utilizando materiales que poseen características de flujo mucho mejores resultando en una densidad del mismo mucho mayor, permitiendo la fabricación de motores más pequeños y al mismo tiempo manteniendo las mismas capacidades de dar par. Entre los metales utilizados para la fabricación de estos imanes de última generación se encuentran el “neodimio+hierro+boro” y el “aluminio+niquel+cobalto”. Sensores de efecto hall Al estar estos motores conmutados de forma electrónica ya que carecen de escobillas, los bobinados del estator han de ser alimentados de forma secuencial. Los cambios en la secuencia de alimentación se dan al variar la posición del rotor, midiendo la posición del mismo mediante sensores de efecto hall. Según tenga un polo u otro del imán de rotor cercano, estos sensores darán una salida alta o baja, pudiendo determinar a partir de las salidas de los diferentes sensores la secuencia exacta a aplicar en cada momento. Normalmente los sensores de efecto hall se encuentran a 120º o a 60º. Secuencias de alimentación El funcionamiento de las secuencias consiste en que al tener tres devanados en
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estrella se va alimentando siempre uno con una tensión positiva por el que entra la corriente, otro con tensión negativa saliendo la corriente por este y un tercer devanado que no se encuentra alimentado y por lo tanto no circula corriente por el mismo. Para que el motor funcione, y por lo tanto genere par se tiene que dar la condición de que exista un ángulo entre el campo magnético generado por los devanados alimentados y el campo magnético propio de los imanes del rotor. Para obtener el máximo par y un funcionamiento perfecto el objetivo es mantener siempre el ángulo lo más cercano a 90º dando lugar al par máximo para unas condiciones de corriente dadas. De esta manera la secuencia en cada momento ha de ir adecuándose al giro del rotor de forma que se mantengan lo más posible la perpendicularidad entre ambos campos magnéticos.
Figura 4 : Relación par-velocidad Tal como ya se ha expuesto previamente en este documento, la característica de este motor en cuanto a par-velocidad es totalmente horizontal, esto se traduce en que es capaz de dar par nominal en todo el rango de velocidades entre cero y la velocidad nominal. Fuera de esta zona de funcionamiento tenemos que existe una caída del par máximo al superar la velocidad nominal y otra zona que va desde velocidad cero hasta la velocidad nominal en la que el motor de forma temporal (el tiempo dependerá de cada modelo concreto de motor) es capaz de par un par mayor al par nominal, esto se traduce en un sobrecalentamiento por eso se puede definir esta capacidad de dar un par “extra” como una característica dinámica.
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2.5.1 FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ Cuando el rotor gira, se induce en el estator una tensión en oposición a la de la tensión suministrada. A partir de esto podemos obtener varias conclusiones. Teniendo en cuenta que esta tensión inducida en los devanados es linealmente proporcional a la velocidad de giro del rotor y que el par que entrega el motor es proporcional a la corriente que circula. Por lo que para un par concreto circula una corriente determinada siendo esta proporcional (cuya constante son las características de los devanados) a la tensión en los devanados que es igual a la tensión suministrada menos la tensión inducida por lo que para mantener un par constante la diferencia entre estas dos tensiones ha de ser constante. Podemos añadir que si juntamos estas características con las limitaciones de tensión y corriente de los devanados obtendremos la característica de par velocidad representada en la gráfica anterior. Se puede afirmar que si tenemos en cuenta el motor más el sistema de conmutación de las fases de manera conjunta podemos entender este tipo de motor igual que un motor de corriente continua con escobillas clásico, con la diferencia de que a nivel mecánico no tenemos el rozamiento debido a las escobillas. Por lo que el esquema eléctrico resultaría de la siguiente manera:
Figura 5 : Esquema electromecánico del motor Tenemos la tensión de alimentación Ui, y la tensión inducida Um. La corriente por los devanados es Ii resultando esta de:
El par generado es proporcional a la corriente. Tenemos que la potencia mecánica entrega Pmec es:
Control de Par
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Control de Velocidad
Figura 6: Diagrama de bloques del controlador En el diagrama de bloques anterior se puede ver la secuencia de funcionamiento. A continuación se va a explicar de forma general ya que más adelante se explicará cada parte de forma más detallada. Lo primero a destacar es que todo el funcionamiento que este diagrama representa comprende tanto partes físicas del control como son la placa o el arduino como la parte de software, no diferenciando en este esquema las diferentes partes. Lo primero que se ve es “Par_ref”, esto es una señal que proviene de un dispositivo físico externo a la placa como puede ser un potenciómetro dando lugar a una señal analógica entre un rango determinado, esta señal determina el par que se desea que entregue el motor en cada instante. Al ser el par resultante instantáneo directamente proporcional a la corriente medida en el motor por el sensor de corriente, se restan las señales de par deseado (“Par_ref”) y “I_medida”, de esta resta resulta el error de par o corriente existente. Una vez obtenido dicho error, este se introduce en un control PID que dará lugar a un factor de servicio del PWM. Dicho PWM se genera además para unas fases concretas del motor. Para saber que fases debe alimentar en cada momento recibe información de los sensores de efecto hall del rotor y con esto lo calcula. Una vez ya que se sabe el factor de servicio y las fases, esta información se envía en forma de señal de baja potencia a un inversor que se encuentra integrado en un chip de potencia. Este inversor realiza lo que indiquen las señales pero ya a alta tensión, esto es, a niveles de electrónica de potencia. Finalmente esas tensiones de potencia resultantes alimentan ya directamente al motor DC brushless. Este ciclo que se ha explicado se podría decir que es casi continuo en cuanto a que es el proceso que más veces se repite a gran velocidad. Paralelo a este proceso existe otro proceso que se determina por unas funciones llamadas interrupciones, que permiten para todos los procesos existentes y llevar a cabo una subrutina prioritaria. Esta subrutina es una función más y responde a un estímulo, que en este caso es el cambio de posición del rotor al ser indicado por uno o unos de los sensores hall. Al cambiar el valor de salida de uno de estos se paran el resto de procesos y se actualiza la información del rotor, esto es, se recalculan las fases que han de ser alimentadas. Una vez realizados los cálculos, se vuelve a la rutina principal ya explicada previamente.
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2.6
TIPO DE MOTORES BRUSHLESS
Se pueden clasificar por: 2.6.1 UBICACIÓN DEL ESTATOR, ROTOR Y CARCASA. Según como se ubique el estator, el rotor, la carcasa y rotor se podrán definir los siguientes tipos de motores brushless: 2.6.1.1 MOTOR OUT-RUNNER O DE ROTOR EXTERNO Poseen el rotor alrededor del estator, una configuración muy común y útil para mejorar el motor. Están generando más popularidad que cualquier otra clase de motor.
Figura 7: Motor Out-Runner 2.6.1.2 MOTOR IN-RUNNER O DE ROTOR INTERNO Estos contienen el rotor en su parte interna. Son excelentes para alcanzar revoluciones elevadas, pero menos comunes que la configuración de carcasa rotatoria u Out-Runner.
Figura 8: Motor In-Runner
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2.6.1.3 MOTOR DE DISCO O AXIAL MAGNETIC FLUX Son motores en los que el rotor y el estator están enfrentados en forma de disco.
Figura 9: Motor de disco 2.6.2 FUNCIONAMIENTO ASISTIDO Otra clasificación de estos motores es por el tipo de funcionamiento asistido: 2.6.2.1 MOTORES BRUSHLESS SENSORED (CON SENSOR) Emplean unos sensores aparte del variador electrónico. Su objetivo es simple: determinar en qué posición está el rotor. Estos sensores le envían una señal precisa al variador para que se ajuste la tensión adecuada a la bobina que corresponde. Lo importante de estos sensores, es que a bajas velocidades detectar esto no es fácil y puede que la velocidad real del rotor se confunda con la velocidad que aparenta el sistema, es lo que se llama deslizamiento, esto causa pérdidas de potencia. Los sensores como son tan precisos, evitan esto y la potencia siempre estará regulada de manera correcta. Esto es lo que se llama una excelente sincronización o timing del motor con el variador.
Figura 10: Motor Brushless Sensored 2.6.2.2 MOTORES BRUSHLESS SENSORLESS (SIN SENSOR) Es un motor normal pero sin el sistema de sensores. La explicación es más sencilla, el mismo variador actúa de analizador de señales y sabe cuánta tensión enviar a las bobinas. El problema es que no tiene la precisión necesaria y a bajas velocidades puede que interprete mal las señales y cause un deslizamiento, que es lo que vimos anteriormente, haciendo que haya pérdidas de potencia en el sistema.
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Figura 11: Motor Brushless Sensorless 2.7
CONTROLADOR DE VELOCIDAD (ESC) PARA MOTORES BRUSHLESS 18 A Y 30 A
2.7.1.1 CONEXIÓN AL MOTOR El ESC es un circuito electrónico complejo, que detecta el giro del motor y produce voltajes con la polaridad adecuada para mover el rotor a su siguiente posición. El ESC es conectado al motor mediante tres cables. A diferencia de los motores con escobillas (brushed) que utilizan sólo dos cables, tres cables son necesarios para la correcta operación de un motor sin escobillas (brushless). Si sólo conectas dos cables, el motor no va a funcionar. La conexión de cada uno de los cables puede ser realizada mediante el conector bala de 3.5mm que viene soldado al ESC, o soldando directamente cada cable del ESC al correspondiente cable del motor. Los cables deben estar debidamente aislados mediante aislante termo-retráctil para evitar cortocircuitos que puedan dañar los componentes. No se recomienda extender los cables a más de 20 cm. El sentido de giro del motor depende del orden de las conexiones. Para invertir el sentido de giro del motor hay que permutar dos conexiones, es decir, se desconectan dos cables entre el ESC y el motor, y se conectan nuevamente de manera cruzada. ADVERTENCIA: Nunca desconectes los cables entre motor y un ESC cuando el ESC esté energizado. Si lo haces, podrías producir un daño irreparable al ESC, daño que no es cubierto por la garantía.
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Figura 12: Conexión del motor, ESC, receptor, batería y servos 2.7.1.2 CONEXIÓN AL RECEPTOR El ESC debe ser conectado al receptor de radio mediante el conector de tres pines. Antes de conectar es muy importante comprobar la correspondencia de los pines del conector. Si el conector es conectado al revés, el ESC no funcionará y podría dañarse y provocar daños irreparables a los dispositivos involucrados. Es posible que el conector que se encuentra en la carcasa del receptor de radio tenga una forma tal que dificulte la entrada del conector del servo. Esto es debido a que diferentes fabricantes emplean conectores con formas levemente diferentes. Si éste fuere el caso, aun habiendo correspondencia de pines, será necesario recortar cuidadosamente el conector del ESC empleando un cuchillo afilado, hasta que sea posible la inserción de éste en el receptor. Este recorte del conector constituye una modificación que inmediatamente invalida la garantía. Por si tienes interés en saber más, el conector del ESC tiene tres terminales: El terminal del cable café va a tierra del circuito, que corresponde al voltaje más negativo. El terminal del cable rojo corresponde a la alimentación que el ESC proporciona al receptor de radio y los servos, y es cercano a 5V. En caso de que el receptor tenga otra fuente de alimentación (por ejemplo, una batería dedicada para el receptor), es necesario remover (cortar) la conexión del cable rojo, para que la alimentación que el ESC intenta entregar no haga cortocircuito con la alimentación del receptor. Esto puede ser realizado cortando el cable rojo, o bien removiendo cuidadosamente el pin del cable rojo desde el conector de plástico. El terminal del cable naranja lleva la señal del receptor que indica al ESC a qué potencia debe accionar el motor. Esta potencia está codificada según ancho del pulso en el cable naranja 2.7.1.3 CONEXIÓN A LA BATERÍA Una vez realizadas las demás conexiones, el ESC puede ser conectado a la batería mediante el conector T que viene soldado, o mediante el conector de tu preferencia. Es muy importante que la polaridad sea la correcta: el cable negro es tierra, y el cable rojo es el voltaje positivo de la batería. La conexión debe ser realizada en un intento firme, sin rebotes, sin titubeos. El ESC toma parte de la potencia de la batería para producir un voltaje de 5V para alimentar al receptor de radio a través del cable rojo del conector al receptor (ver sección
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anterior). Por lo tanto, al conectar la batería al ESC, el receptor también se ve alimentado y el motor podría partir si no se tiene el suficiente cuidado. 2.7.1.4 MONTAJE DEL ESC El ESC debe ser montado al avión en un lugar que cuente con suficiente ventilación y que tenga el mínimo de vibraciones mecánicas. Típicamente se emplea cinta autoadhesiva de doble faz. Uso del ESC Una vez realizadas las conexiones al motor y al receptor, asegúrate de que el transmisor de radio esté configurado adecuadamente y que el canal del acelerador (throttle) esté en su posición mínima. En radios computarizadas, el canal del acelerador debe tener un recorrido de 100%. En radios marca Dynam, es necesario invertir el canal del acelerador mediante la función “servo reverse”. Luego de esto puedes encender el transmisor y posteriormente conectar la batería. Al conectar la batería, el ESC determinará si estás usando una batería LiPo de 2 o 3 celdas 1, y luego, dependiendo de la posición del acelerador, el ESC entrará en modo normal (si el acelerador está al mínimo) o en modo programación (si el acelerador está al máximo). En modo normal oirás uno o dos pitidos, y cinco segundos después oirás una serie de cinco pitidos simples o dobles. En cambio, en modo programación tardará al menos cinco segundos en emitir dos pitidos cortos graves seguidos de dos pitidos cortos y agudos. Es importante no mover el acelerador del transmisor durante este proceso. Si no oyes uno o dos pitidos, posiblemente sea debido a una incorrecta conexión o porque el receptor no entrega las señales correctamente. En este caso, desconecta la batería, espera 10 segundos, arregla el eventual problema (si lo hubiere) y repite el procedimiento. 2.7.1.5 OPERACIÓN EN MODO NORMAL Al conectar la batería y manteniendo el acelerador en su punto más bajo, el ESC entrará en el modo normal de operación. Entonces el motor emitirá dos series de pitidos que indican una parte del estado de la programación del ESC. La primera serie es de uno o dos pitidos que indican si el ESC está configurado con o sin freno de hélice 2 . Luego viene una pausa de cinco segundos seguida de una segunda serie de cinco pitidos simples o dobles que indican la temporización3 del ESC. Si la primera serie consiste en un pitido agudo, significa que el freno de la hélice está activado; en cambio, si la primera serie consiste en un pitido grave seguido inmediatamente de un pitido agudo, significa que el freno de la hélice está desactivado. Si la segunda serie consiste en cinco pitidos agudos simples, significa que la temporización es suave, ideal para motores in-runner; en cambio, si la segunda serie consiste en cinco pitidos agudos dobles, significa que la temporización es dura, ideal para motores out-runner. Este proceso de pitidos para indicar la programación actual del ESC puede ser interrumpido en cualquier momento accionando el acelerador, lo que producirá la aceleración del motor.
3 MATERIALES 3.1
TUBO METÁLICO CIRCULAR DE 2 PULGADAS
Figura 13: Tubos metálicos circular de 2 pulgadas 3.2
TUBO DE PLÁSTICO DE 1 1/2 PULGADAS
Figura 14: Tubos de plástico de 1 ½ pulgadas
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3.3
TAPÓN METÁLICO DE 2 PULGADAS
Figura 15: Tapones metálicos de 2 pulgadas 3.4
RODAJES DE 1 PULGADA
3.5
Figura 16: Rodajes de 1 pulgada IMANES DE NEODIMIO
Figura 17: Imanes de neodimio
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3.6
ALAMBRE DE COBRE
3.7
Figura 18: Carretes de alambre de cobre TORNILLOS Y TARUGOS
Figura 19: Tornillos 3.8
Figura 20: Tarugos
VARILLA METÁLICA REDONDA
Figura 21: Varilla metálica redonda
4 DISEÑO
Figura 22: Esquema general del proyecto 4.1
IMANES
Es necesario tener en cuenta que mientras más poderosos sean los imanes, más potencia podrá entregar el motor. Por esto es que se busca siempre poner los imanes de tierra rara o neodimio. Por ejemplo para un estator que tiene 9 polos bobinados deberíamos tener 9 o 12 imanes en el rotor. Para motores con muchas RPMs pero bajo par motor (ej ducted-fan) con solo 6 imanes estaremos bien. Pero si queremos alto par motor, la mejor opción viene de la mano con 12 imanes. En realidad siempre deberíamos usar 12 imanes para cubrir en cualquier caso mejor los polos. En pocas palabras los imanes (calidad y cantidad) también son otro factor determinante de las RPMs y el par motor como lo es el alambre y la configuración de las bobinas. Hay dos tipos de anillos magnéticos, uno de color negro donde el material es a base de ferrita y otro de color gris que es mucho más poderoso que el primero. Estos anillos podemos usarlos para hacer un brushless de baja potencia, solo tendríamos que rebobinar el estator y listo. Se gana mucho al utilizar imanes poderosos, el pulso contra electromotriz (EMF) es mucho mayor para la misma cantidad de espiras en el bobinado que con imanes más débiles. Si tenemos este EMF se disminuye el rango de velocidad del motor; por ende es necesario bajar la cantidad de espiras de la bobina para lograr esas RPMs que perdimos. Cuando bajamos la cantidad de espiras, se "desperdicia" espacio si usamos el mismo alambre que al principio, por ello deberíamos aumentar la sección del alambre para llenar nuevamente el diente del estator con espiras y
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aprovechar así al máximo las líneas de flujo magnético. Un alambre más grueso tiene menos resistencia por lo tanto puede circular más corriente. Mientras más grueso el alambre, mas corriente y por lo tanto más potencia disponible en el motor siempre que tengamos imanes poderosos. Por este motivo, hay que usar los imanes más poderosos de Neodimio que encontremos Algo a tener en cuenta es que el imán debe ser polarizado en la dirección correcta, así de esta forma tenemos mayor fuerza de campo en dicha dirección.
Figura 23: Imanes de neodimio
Figura 24: Posicionamiento correcto de los imanes de neodimio
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4.2
NÚMERO DE POLOS EN EL ESTATOR
Los motores se bobinan con un cierto número de polos en el estator, teniendo en cuenta ciertos factores en el rotor. Las señales en los bobinados siempre son las mismas para todos los motores, pero podemos hacer que varíe el par motor del motor variando el número de polos. En el caso del motor de los bobinados más simples es el que tiene 3 bobinas en el estator y solo 2 imanes en el rotor, esto serian 3 polos en el estator y 2 polos del rotor. Luego podemos encontrar 6 polos en el estator y 4 polos en el rotor. En estos casos, cuando el campo magnético de las bobinas gira una vez, el rotor gira 1 vez también; determinando así una relación de giro de 1:1. El número total de polos del estator siempre debe ser múltiplo de 3 cuando se trata de un motor trifásico. Por otro lado tenemos que el número total de polos del rotor siempre debe ser múltiplo de 2, esto se debe a que siempre encontramos como mínimo un polo Norte y uno Sur para tener un flujo magnético
Figura 25: Bobinas de motores Brushless 4.3
SELECCIÓN DEL ALAMBRE DE COBRE
Para el bobinado de los motores normalmente usaremos alambre de cobre liso unifilar de corte circular. Hay otros tipos de alambres, como de corte cuadrado o multifilar, cuando las necesidades de potencia son realmente altas. Cuando es mucha corriente y se pretende usar un alambre muy grueso, conviene bobinar con 2 o más alambres finos de sección equivalente por una cuestión de practicidad al momento de doblar el alambre en el diente del
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estator. Usar un bobinado multifilar resulta también en un aprovechamiento del espacio ya que se cubren mejor los espacios inter-espira. Cuando el alambre es muy fino, y como sabemos las RPMs del motor van en relación con la corriente, si aumentamos la tensión, por ley de ohms circula corriente, pero un alambre tiene una determinada resistencia para su sección. Si la resistencia es alta y la corriente que circula es mucha, la potencia extra que le estamos proveyendo al motor se disipara en calor en el bobinado. Determinar la resistencia de un alambre de menos de 1 ohm es muy complicado con instrumentos simples como un tester, por ello es conveniente usar la siguiente tabla teniendo en cuenta el largo y el diámetro o la sección del mismo.
Figura 26: Tabla de diámetros de alambres de cobre
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Figura 27: Posicionamiento de las secciones A-B-C
Figura 28: Unión de los bobinados A-B-C
Figura 29: Estator con bobinado
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4.4
BRUSHLESS ELECTRONIC SPEED CONTROL (ESC)
Si usted está pensando en la elaboración de un modelo de avión o quadcóptero con Arduino, veremos cómo a utilizar un motor sin escobillas Emax CF2822 , un motor con gran par motor y ligero (sólo 39 g), ideal para estas aplicaciones.
Figura 30: Motor Brushless CF2822 Este tipo de motor no puede ser conectado directamente a la fuente de alimentación ,se necesita un controlador, conocido como ESC ( Electronic Speed C ontrol) . En la imagen de abajo, tenemos la 30A ESC con BEC interna , que vamos a utilizar para probar motor sin escobillas:
Figura 31: ESC La función de la ESC, como el nombre implica, está controlando electrónicamente la velocidad del motor mediante la variación, en el caso del motor sin escobillas (brushless), la transición entre las diferentes fases de este tipo de motor. El CES también puede tener otras funciones, tales como frenos, lenta variación de la velocidad del motor y la pérdida de función de localización de aeronaves, entre otros. Esta ESC, por otra parte, también tiene un componente (circuito?) Llamado BEC ( B Attery y Liminator C ircuit), un dispositivo que convierte ESC
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tensión de entrada (que van desde 5,6 a 16,8V) durante 5 o 6V para alimentar el receptor y servos de un modelo de avión. 4.5
CONEXIONES ESC
En la figura 32 se observa que tiene 8 hilos. Estos cables son en el esquema de conexión siguiente: 3 Los cables azules están conectados al motor (no se preocupan por el orden de conexión) El cable negro y rojo de plomo (más gruesa) son para la conexión a la batería (por lo general de litio o de NiMH NiMH / NiCd) 3 de hilos más finos que están muy juntos en un conector, el negro está conectada a la Arduino GND y el blanco a la clavija de salida de la Arduino, que comandar la ESC. El cable rojo es la salida de 5V , y no será usado, al menos en nuestra prueba con el Arduino Realización de las conexiones anteriores y la adición de un potenciómetro de 10K que controlará la velocidad del motor, tenemos el siguiente circuito:
Figura 32: Implementación del circuito de control y el motor Brushless Recuerde que debe utilizar una batería que proporciona la tensión y la corriente adecuada al motor que está utilizando. 4.6
RITUALES DE ACTIVACIÓN
Los ESC se controlan mediante pulsos. Podría dedicar todo un artículo a hablar de pulsos, pero voy a dar una explicación rápida.
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Un pulso es una señal que se envía cada cierto tiempo, normalmente cada 20ms. Si tienes un pin digital a LOW, y cada 20ms lo pones a HIGH durante un milisegundo, estás creando un pulso de 1ms. Esta imagen ilustra como varía la señal de un pulso de 1ms en función del tiempo:
Figura 33: Pulso de 1ms Un pulso de 1.5ms se vería así:
Figura 34: Pulso de 1.5ms Los ESC se controlan con pulsos de entre 1 y 2 milisegundos. A partir de ahora, me voy a referir a los pulsos de 1ms como pulsos de amplitud mínima y a los de 2ms como pulsos de amplitud máxima. Antes de empezar a funcionar, los ESC esperan recibir un pulso de activación. Algunos se activan si reciben un pulso de amplitud máxima durante 2-5 segundos, y otros con un pulso de amplitud mínima durante esta misma cantidad de tiempo. Por desgracia, los ESC están pensados para aficionados a RC, y no a la robótica. Por eso en la documentación casi nunca se especifica con qué amplitud de pulso debe activarse el controlador. He aquí las “especificaciones técnicas” del ESC: 1. Encienda la emisora y mueva la palanca a su posición más baja. 2. Conecte el motor al variador. 3. Conecte el variador al canal de gas en el receptor. 4. Conecte la batería de alimentación. 5. Espere la confirmación acústica del variador. 6. El variador está listo para su utilización. Lo importante aquí es el punto 1. Los ESCs están pensados para funcionar con mandos de radio, y lo que este punto dice es que para activar el ESC hay que mover el mando a su posición más baja. Y en su posición más
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baja, los mandos generan un pulso de amplitud mínima (excepto algunos modelos, pero esto no viene al caso). Por lo tanto, mi ESC se activa con un pulso de 1ms. Si el documento dice que hay que mover la palanca de gas a su posición máxima, significa que para activar el ESC hay que generar un pulso de 2ms. Después, la velocidad del motor se hace variar enviando pulsos también entre 1ms (velocidad mínima) y 2ms (velocidad máxima). 4.7 CONTROLAR EL MOTOR SIN ESCOBILLAS CON ARDUINO Vamos a controlar la velocidad del motor sin escobillas con el potenciómetro conectado al puerto analógico 5 Arduino. Para controlar el ESC utilizar PPM (P Ulse P OSICIÓN M odulation) a través de la biblioteca Servo Arduino. El programa convierte los valores de maceta leer entre 0 y 1023, a un valor entre 0 y 179. Para ello utilizamos el comando mapa (línea 27 del programa). El valor 0 corresponde al motor parado, y 179 a la máxima velocidad.
Figura 35: Programación en arduino
Figura 36: Implementación del proyecto
5 CONSTRUCCION Paso 1: Antes de todo tenemos que tener en cuenta que para el proceso de diseño y construcción, debimos considerar que teníamos que realizar nuestro motor brushless con materiales cuyas medidas existían en el mercado local. Con esas consideraciones elegimos las siguientes medidas de los materiales: - Tubo metálico redondo de 2 pulgadas - Tubo de plástico redondo de 1 ½ pulgadas - Tapones metálicos de bronce de 54mm Paso 2: Comenzaremos elaborando la carcasa interior, esta acogerá el bobinado, para ello cortamos el tubo de plástico redondo de 1 ½ pulgadas con una altura de 5cm y colocamos 6 tornillos en la parte superior e inferior, en estos tornillos ira el bobinado.
Figura 37: Carcasa interior con el bobinado Paso 3: Luego de haber realizado la carcasa interior, construiremos el rotor el cual tiene 4 imanes de neodimio con polaridades intercaladas, para ello colocamos un tarugo dentro de la varilla metálica para darle grosor y tener los imanes más cerca de los bobinados y así el campo electromagnético tenga más efecto sobre ellos.
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Figura 38: Rotor con los 4 imanes de neodimio
Paso 4: Al tener el rotor listo debemos construir el lugar donde girara el rotor, para ellos utilizaremos los rodajes y los tapones metálicos, comenzaremos haciendo un hueco en una de las tapas metálicas y pegando los rodajes, no se puede soldar los rodajes a la tapa metálica ya que los rodajes tienen balines interiores recubiertas por grasa para darle suavidad y si soldáramos la grasa se evaporaría haciéndolo más duro. Por ellos optamos por pegarlas con un adhesivo de gran calidad (Soldimix 24 horas).
Figura 39: Tapas superiores e inferiores del motor
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Paso 5: Luego de tener la carcasa interior, el rotor, las tapas; se elaborara la carcasa exterior el cual contendrá todo los antes mencionado, para ellos utilizaremos el tubo metálico redondo de 2 pulgadas cortándolo a un tamaño que puede variar pero debe tener como mínimo 5 cm ya que la altura de la carcasa interior es de esa medida.
Figura 40: Motor Brushless
6 PRUEBAS Luego de haber diseñado y construido el motor Brushless pasaremos a las pruebas necesarias. Medimos la corriente en las 3 líneas del bobinado y nos dieron valores iguales de 1.05A
Figura 41: Medición de corriente en las líneas Teniendo el motor encendido medimos las revoluciones del rotor y nos arrojó un valor de 3897 rpm.
Figura 42: Medición de las rpm del rotor
7 INVESTIGACION PARA LA ADQUISICION DEL MOTOR PROTEAN Nuestro proyecto inicial fue el control de un motor Protean, pero debido a las complicaciones para la adquisición de dicho motor, tuvimos que realizar el proyecto de la elaboración de un motor Brushless. Comenzamos investigando en el mercado local, fuimos a buscar a las diversas concesionarias de automóviles de país como es el caso de TOYOTA, MITSUBISHI, FORD en las cuales en todas nos dijeron que no contaban con dichos motores en ninguna de sus sucursales del país. Luego decidimos investigar en mercados internacionales específicamente en mercados europeos, mandamos un correo electrónico a la empresa fabricante de neumáticos Michelin en España y nos devolvieron el mensaje aduciendo que dicho proyecto del motor protean fue suspendido y por ende no podría ser adquirido.
Figura 43: Correo electrónico de Michelin
Luego de haber realizado más investigaciones encontramos motores en el mercado asiático el cual encontramos motores de diferentes precios y potencias, pero había complicaciones de envió ya que nos daban un plazo de envió de un mes y medio, el cual no era conveniente para nosotros porque no contábamos con eso tiempos ni con el dinero suficiente para poder adquirirlo, a continuación adjuntaremos proformas de dichos motores.
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Figura 44: Proforma 1
Figura 45: Proforma 2
Figura 46: Proforma 3
8 CONCLUSIONES En el diseño y construcción de nuestro motor Brushless tuvimos muchas dificultades, comenzando desde la búsqueda de información teórica ya que es escasa pero logramos encontrar lo necesario para poder entender el funcionamiento de dicho motor. Podemos deducir que la parte fundamental y extremadamente importante en todo el diseño de este motor, fue el diseño y construcción del bobinado ya que de ella dependía el campo magnético el cual ejercía el campo necesario para producir movimiento en los imanes de neodimio, para ellos tuvimos presentes la información teórica adquirida e información adquirida por el método de ingeniería inversas, ya que tuvimos que desarmar un motor brushless para poder tener una idea aproximada de la cantidad de vueltas que necesitaba nuestros bobinados. Ya que el bobinado y las conexiones referentes a esta eran la parte fundamental para el éxito de nuestro proyecto, tuvimos muchísimo cuidado al momento de su construcción. Otro punto también importante fue la colocación de los imanes de neodimio en el rotor, teníamos que estar completamente seguros de las posiciones, ya que el campo magnético que generaba los bobinados debía afectar a dichos imanes y si se encontraban en posiciones incorrectas puedo haber funcionado incorrectamente o en peor de los casos no haber funcionado. Otro inconveniente que tuvimos que sobrellevar fue la adquisición de una fuente de alimentación que pueda tener 5 amperios de corriente debido a que el ESC funciona en aproximadamente 11.1 v y 5 amperios y las fuentes de nuestros laboratorios solo cuentan con fuentes de 3 amperios .
9 RECOMENDACIONES Para la realización del diseño y construcción de un motor brushless podemos citar algunas recomendaciones: Corroborar la información adquirida, comparando con información de diversas fuentes la autenticidad de dichos documentos. Ya que el punto neurálgico de un motor brushless es el bobinado, tener sumo cuidado en el momento la construcción de esta. Buscar el completo aislamiento de las bobinas ya que cada una es independiente. Una correcta elección en los materiales de la carcasa interior como exterior. Un adecuando diseño y construcción del rotor ya que esta gira a altas velocidades, y podría producir el desprendimiento de los imanes de neodimio que el rotor cuenta. Dentro de la construcción de la carcasa interior debemos tener en cuenta el material ya que en ella ira los bobinados y deber ser en lo posible un no conductor para evitar cualquier tipo de incidentes. Fijar el motor brushless en un lugar donde permanezca estable ya que la vibración del giro del roto podría provocar que se desestabilice y caiga.
10 BIBLIOGRAFIA
Dentro de los materiales de estudios que indagamos información para nuestro proyecto están los siguientes autores: Motores de corriente continua. Autor : José Roldan Viloria Principios básicos de la corriente continua. Autor: FESTO Entre las direcciones web donde obtuvimos considerables aportes están las siguientes: https://1mecanizadoelarenal.files.wordpress.com/2013/11/motoresbrushless.pdf http://motores.nichese.com/brushless.htm http://www.quadruino.com/guia-2/materiales-necesarios-1/motoresbrushless http://www.cochesrc.com/motor-electrico-brushless-funcionamiento-ycaracteristicas-a3607.html http://www.neoteo.com/motores-brushless-bldc/ http://masteringenieros.com/wp-content/uploads/pdf/MI50N/-wwwadsnt-recursos-masteringenieros-file-motor.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico_sin_escobillas
