Seleccionando un motor de 1000 watts

Seleccionando el mejor motor eléctrico para una aplicación especial.

Necesito un motor Eléctrico, que consuma un máximo de 1000 vatios y que a la vez me de el máximo de empuje para levantar un objeto muy pesado.

Independientemente de las características del avión, el motor debe ser cuidadosamente seleccionado para lograr la máxima eficiencia posible.

Los motores Eléctricos, dicho de una manera sencilla, convierten la potencia de entrada, medida en vatios a trabajo.

Trabajo representado en empuje y velocidad de la hélice.

No toda la potencia de entrada puede ser convertida en trabajo. Un porcentaje se convierte en pérdidas o calor.

Un motor brushles de los utilizados en aeromodelismo, normalmente trabajan con una eficiencia de 65 hasta el 80%.

Posiblemente se pueda conseguir alguno que nos trabaje por encima de 80%, pero estos son caros o serán mas pesados.

Así que si tenemos un motor que nos trabaje a:

65% de eficiencia, tendremos un trabajo de 650 vatios en la hélice.

70% de eficiencia, tendremos un trabajo de 700 vatios en la hélice.

75% de eficiencia, tendremos un trabajo de 750 vatios en la hélice.

80% de eficiencia, tendremos un trabajo de 800 vatios en la hélice.

Una forma de obtener mas eficiencia de un motor es usando un motor mas pesado del necesario para su aplicación.

Otra es re-alambrar el motor, para mas empacado de alambre, para un Kv determinado y para eliminar el cobre de manufactura china que traen, el cual es de un montón de alambritos muy delgados y aparentemente también con muchas impurezas, lo que lo hace de mayor resistencia.

 Usando un Motor más pesado.

Se dice que un motor puede ser usado en aplicaciones normales de aeromodelismo a 3 vatios de entrada por cada gramo de peso.

Entonces para 1000 vatios necesitamos un motor de 333 gramos.

Utilizar uno mas liviano, solo nos causara perdida de eficiencia, sobrecalentamiento y al final hasta se puede terminar quemando.

  

También podemos usar un motor mucho mas pesado, por ejemplo a 2 vatios por gramo y a 1000 vatios se usaría uno de 500g.

Esto nos daría muy buena eficiencia, muy cerca de la máxima eficiencia que otorga el motor.

Abría que sopesar la ganancia en empuje y velocidad vs la ganancia en peso.

Usando uno Re-alambrado.

Cualquier motor que se use, si se re-alambra y se consigue un mejor empacado de cobre, con Alambre de alta calidad, tipo industrial, se podrá aumentar su máxima eficiencia  y su eficiencia de operación.

He tenido experiencias en donde he aumentado su máxima eficiencia en 5% y su eficiencia a máxima operación hasta 9%.

La hélice. 

Antes de todo lo anterior, lo primero que debemos buscar es la hélice.

Se requiere una que nos de el mayor empuje posible y la velocidad apropiada de acuerdo al modelo que se diseñe.

Es natural encontrar que a mayor diámetro de hélice, producirá mayor empuje con la misma potencia de salida (trabajo en la hélice)

También hay que considerar que mientras la potencia de salida sea la misma, a mayor empuje, la velocidad de la hélice será menor.

Aquí hay que buscar un equilibrio en donde la hélice nos de el mayor empuje posible, pero que tenga una velocidad suficiente para nuestro modelo.

La velocidad de la hélice no es la velocidad del modelo, la velocidad del modelo será menor a medida que el modelo represente mas resistencia al avance.

Es común encontrarnos como velocidad del modelo el 80% de la velocidad de la hélice en modelos de entrenamiento.

La velocidad del modelo disminuirá drásticamente a medida que este presente un alto ángulo de ataque, situación que presentara el modelo a medida que este aumente su carga alar.

A continuación presentaremos una tabla de rendimiento de diversas hélices  a potencias fijas de salida de 650, 700, 750 y 800 vatios.

Los datos fueron obtenidos del programa Drive Calc, al nivel del mar y una temperatura ambiente de 20 grados centígrados.

El Calculo del Kv se hizo considerando que una pila lipo de 4celdas en serie, de 4000ma o mas,  nos dará con una carga de 1000 vatios un Voltaje de 15 Volts. y que con una de 6slipo nos dara un voltaje de 22,5V.

La velocidad de la hélice disminuirá a medida que busquemos mas empuje.

 

Relación de Velocidad  Vs empuje.
1000 watts  de entrada, 750 watts de salida.
Helice	Pitch	RPM	Empuje	MPH	Model S
APC 5x5	5	33430	1157	158.286	131.905
APC 6x4	4	30612	2139	115.9545	96.62879
APC9x4.5	4.5	16947	3068	72.21733	60.18111
APC 10x5	5	14464	3189	68.48485	57.07071
APC 12x6	6	11380	3600	64.65909	53.88258
APC 13x6.5	6.5	9831	3801	60.51278	50.42732
APC 14x7	7	8814	3991	58.42614	48.68845
APC 15x8	8	7461	4315	56.52273	47.10227
APC 16x8	8	6905	4900	52.31061	43.59217
APC 17x10	10	6121	4971	57.96402	48.30335
Mens 18x8	8	6346	5131	48.07576	40.06313
Meets 19x8	8	5826	5182	44.13636	36.7803
APC 20x10	10	4967	5232	47.03598	39.19665
APV 22x10	10	4497	5579	42.58523	35.48769

Avion para 1000 watts.

Lo primero es el modelo.

Se diseña un modelo que de el limite de las medidas de competencia, que su superficie de ala sea la mayor posible y el perfil de ala sea de lo mas cargador que exista, considerando que esto nos dará un grado de frenado o resistencia, que al final se tendría que pagar con perdida de velocidad.

La resistencia al avance (Drag) en el modelo debe ser mínimo, igual que el peso.
Se recomienda fuselaje de aluminio y alas de madera balsa abiertas, todo forrado con material plástico.

Todas las superficies del modelo deben ser redondeadas a la entrada y terminadas en forma de gota para evitar arrastres o drag.
Asi que se recomienda que el para fuego del motor no sea cuadrado y chato, que la terminación del fuselaje al terminal del ala no sea plana ni abierta. que las puntas del ala sean ligeramente redondeadas y no cuadradas, que las uniones del estabilizador horizontal y vertical sea fluido totalmente (esto en caso de contar con ello).

Un avión limpio de principio a fin, así evitaremos perder energía. aun así posiblemente al final la velocidad máxima del modelo solo sea del 80% de la velocidad de la hélice (Pitch speed)

La velocidad de la hélice, se mide RPM*paso/1056*1.6= KPH

Ahora calculamos la velocidad de perdida (Stall speed) del modelo que se proyecte o se haga.
Los estudiantes de Ingeniera lo harían en M/seg. pero los aeromodelistas no usamos esas medidas, así que nosotros hablaremos de MPH o KPH.
La conversión de M/seg a KPH se encuentra en esta pagina.
https://www.google.com.mx/search?q=m/s+a+kph&ie=utf-8&oe=utf-8&gws_rd=cr&ei=TTEgV4qdAsjYeuO3u6AD

Una ves obtenido la velocidad de perdida debemos de calcular la velocidad máxima que queremos para el modelo.

Este calculo tan fácil, al ser solo una multiplicación, es parte del éxito o fracaso del modelo.

Que velocidad requiere nuestro modelo para poder subir, dar vuelta a la derecha, nivelar, subir ligeramente y luego dar otra vuelta ala derecha y prepararse para aterrizar?

Un porcentaje muy bajo de 120% de la velocidad de perdida nos haría un avión muy difícil o imposible de controlar, requerirá mucha pericia, aun isa sera difícil que no se desplome al virar y ponerse con viento de cola.
 130 a 150% nos daría mas posibilidades, pero sera suficiente?
160-180% nos  asegura un éxito. Pero sacrificaremos empuje en favor de velocidad.

Ver articulo de relación de velocidad vs empuje.

Hélice.
Una ves determinado el valor de velocidad máxima, nos toca decidir la hélice.
Tenemos que escoger una hélice que a 1000 watts de entrada nos de la velocidad que buscamos, de preferencia que nos de el mayor empuje posible.
Hay que recordar, que entre mas velocidad necesitemos, obtendremos menos empuje.

Tenemos 1000 watts de entrada. y esta se va a distribuir en 2 cosas.
La primera es el trabajo que realizara la hélice y es medido en watts. y sera la potencia de salida o Wout.
Esta a su ves esta compuesta de dos cosas Velocidad de la hélice y empuje, para aumentar una, disminuimos la otra.

La segunda es potencia de perdida, que se transforma en calor.
Un motor grande y de buena calidad sera mas eficiente y utilizara mas de su potencia consumida en transformarlo en trabajo en la hélice.
Aquí podemos esperar un 80% de eficiencia, sobre todo si el motor es bueno y hasta el 85% si el motor es muy pesado.

Motor.

Una ves decidida la hélice a usar y las rpm necesarias, seleccionamos el motor.

Una practica común, entre principiantes en el uso de motores eléctricos, sera la de selecciona cualquier motor y montarlo a su avión, luego ajustar los end point de transmisor y listo.

Por supuesto que esto es valido. pero cuanta eficiencia se pierde por usar este método tan burdo.
Eso depende del motor y de la potencia que realmente esta consumiendo el motor con la hélice a máxima aceleración.
Entre mas alto sea el porcentaje de ajuste d elos end point, menor sera la eficiencia en el motor producto del mal uso del ESC.
Un ESC trabaja mas eficientemente al 100% (todo abierto) que a aceleraciones parciales. 
Este punto es muy importante y prácticamente cualquier equipo pierde muchos puntos de eficiencia  al no prever esto.


Para seleccionar el motor, hay que leer el articulo de Seleccionando un motor para 1000 watts.

El calculo ya incluye también motores de 6slipo. Ya que actualmente la competencia no permite menos de 6s4000 ma lipo , pero algunas permite el uso de mas baterías, lo que no es recomendable por el exceso de peso,  Parece que el mínimo es 4000 ma.

Tabla de hélices utilizadas para motores a 1000 watts de entrada.

Todos los datos de RPM, empuje, son obtenidos con un simulador. Ya sea con Scorpion calc o con Drive calculator en 2 versiones.  La tabla solo sirve de referencia.
Para seleccionar el Motor hélice adecuado se tendrá que hacer pruebas reales y ajustar.

La primer prueba que recomiendo para seleccionar motor es medir el Kv y no confiar en el marcado por el fabricante.
La segunda para seleccionar entre varios el motor mas eficiente es probar las perdidas del motor.
Luego probar con varias hélices.
Las RPM marcadas en la tabla son las que el simulador marca para una helice a 1000 watts de entrada y 80% de eficiencia. (800 watts de trabajo)
El empuje es en gramos y simulado a nivel del mar y a una temperature de unos 25 grados centigrados.
El Kv es el valor aproximado para que un motor a 100% de aceleracion y con 80% de eficiencia nos de esas rpm.
Usar uno con Kv mas alto nos obligara a usar ajustes de end point en el acelerador y perderemos eficiencia en el ESC.
La velocidad maxima de perdida calculada para el modelo. Este valor a medida que disminuye podra soportar menos carga a la hora de volar. Siendo major los valores mas altos.
Los peores valores estan marcados en rojo y los mejores en Verde
Otra consideracion es que la velocidad maxima alcanzada por el modelo es 1.6 veces su velocidad de perdida (velocidad del modelo, considerando una perdida por arrastre del 20%)
De acuerdo a todos los modelos SAE que he visto, dificilmente el valor de 20% de perdida puede ser menor. aunque no descarto la posibilidad a medida que este tipo de modelos va evolucionando)
Ahora que si estos números están cerca de la realidad, esta claro que la mejor opcion es una hélice 22x12. 
No se puede descartar probar con APC16x8, 17x8 y 18x10 que tambien dan muy buenos numeros
El Patron de vuelo, proximamente lo publicare en este mismo articulo, ya que lo videos que he visto son vuelos bastante errraticos. Esto no quiere decir que yo los podria volar mejor, ya lo he calado y son muy pero muy dificiles de volar. Aun asi, si existe un patron de vuelo ideal que ayudaria bastante al modelo sobre todo con fuerte viento de cola o cruzado.