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Componenti di un multirotore

Telaio (Frame)


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Il frame o telaio è la parte portante del multirotore su cui andranno montate tutte le altre componenti.

I frame vengono costruiti con differenti materiali e ovviamente il miglior telaio è quello che ha una buona resistenza meccanica , una buona rigidità e un peso basso.

Il migliori telai sono costruiti con la fibra di carbonio ma i costi sono decisamente alti , fortunatamente esistono materiali con buone caratteristiche meccaniche e basso peso ma con un prezzo decisamente più accessibile (ABS , Nylon , fibra di vetro).

I frame vengono costruiti in diverse misure standard ed ogni misura normalmente è destinata ad un particolare utilizzo.

Per esempio i frame da 250 mm normalmente sono destinati a macchine da velocità mentre i frame da 450 in su per macchine da ripresa aerea .

Esistono anche telai asimmetrici come quello della foto sopra , questi telai vengono utlizati per le riprese aeree perché avendo un angolo maggiore di 45 gradi tra i bracci anteriori difficilmente le eliche verranno riprese.

Ovviamente il telaio sarà la prima cosa da scegliere perché in base a questo andremo a scegliere i motori con sufficiente spinta e di conseguenza tutto il resto dell’elettronica.

I più temerari e dotati di una stampante 3D possono costruirsi il telaio da zero scaricando i file STL da questi siti :


Motori elettrici


I motori elettrici sono uno dei componenti fondamentali di un multirotore  perché ne determineranno il comportamento più o meno reattivo ma soprattutto il costo finale della vostra macchina.

In vendita ci sono molti multirotori “giocattolo” che utilizzano motori a spazzole , questo tipo di motore è meno caro di un motore senza spazzole (brushless) ma è soggetto ad un’usura non indifferente e non ha la reattività di un motore senza spazzole.

Il motore a spazzole non sarà quindi la nostra scelta perché , anche se inizialmente ci darà l’impressione di spendere meno , la sua sostituzione per usura farà salire di molto i costi di manutenzione e ridurrà l’affidabilità del nostro multirotore .

Per poter scegliere i motori brushless dovremo capire le varie sigle e caratteristiche che li contraddistinguono prendendo come esempio un motore che ho utilizzato :

DYS D2836-7 1120KV2-4S Brushless Outrunner Motor

DYS D2836-7 1120KV2-4S Brushless Outrunner Motor

La prima parte della sigla (DYS) è il nome del costruttore, non sempre questo viene indicato nella sigla del motore , dipende dal fornitore.

La seconda parte è la sigla vera e propria D2836-7 e la parte dopo il trattino normalmente indica che di questo motore esistono diverse versioni con caratteristiche differenti.

Leggendo il foglio delle caratteristiche del modello 7 il primo parametro che incontreremo è il KV che non ha nulla a che vedere con i KiloVolt .

Il parametro KV indica rpm/V ovvero , sapendo a che tensione andremo ad alimentare il nostro motore , per mezzo di questo parametro potremo calcolare il numero massimo di giri al minuto che raggiungerà.

Per esempio se andremo ad alimentare il nostro quadricottero con una batteria 3s (11,1V) il motore in questione potrà raggiungere come massimo numero di giri :

rpm = KV * V = 1120 * 11,1 = 12432 rpm

Quindi per scoprire quanto veloce girerà il nostro motore oltre al KV dovremo anche decidere a che tensione andremo ad alimentarlo.

La tensione di alimentazione di un motore non è una cosa che potremo decidere a caso ma ogni motore avrà un campo in cui può lavorare e che quindi dovremo rispettare per evitare di bruciarlo.

Il parametro che troviamo subito dopo è la massima spinta che il motore può generare , ovviamente questa dipende anche dal tipo di eliche montate ma se utilizzeremo le eliche consigliate la spinta sarà più o meno quella.

Ovviamente la somma della spinta massima generata dai motori dovrà essere superiore al peso totale del nostro quadricottero , nel mio caso i motori sviluppano una spinta quasi quattro volte il peso del quadricottero .

Il parametro successivo è la potenza elettrica del motore , che nel mio caso è di 336 W .

La potenza elettrica serve a calcolare la corrente massima che circolerà nel motore e che sarà un dato fondamentale per poter scegliere i regolatori di velocità.

Nel mio caso sarà :

A = W / V = 336 / 11,1 = 30,27 Ampere

Subito di fianco alla potenza viene riportato la corrente massima che il regolatore elettronico di velocità deve sopportare .

Sul foglio dei dati viene consigliato un regolatore da 40 Ampere ma io ne ho utilizzato uno da 30 Ampere visto che il calcolo mi dava 30,27 Ampere e , per l’utilizzo che farò io della macchina , non sarò mai con il “Gas” al massimo se non per qualche secondo quindi un regolatore da 30 Ampere è sufficiente.

Ovviamente se montassi un regolatore da 40A non sarebbe male , anzi sarebbe un’installazione da manuale.

Nell’ultima colonna ci viene consigliato il tipo di elica da montare in base alla batteria che andremo a scegliere siccome la tensione di alimentazione determinerà il numero massimo di giri del motore , come potete notare più la batteria erogherà una tensione alta più l’elica avrà un diametro piccolo.

Nel mio caso ho scelto una batteria 3S (11,1V) e quindi un’elica 10×4,5 (diametro 10 inclinazione delle pale 4,5).


Regolatori di velocità elettronici (ESC)


39708s2Gli ESC o regolatori elettronici di velocità hanno , normalmente , la forma di un blocchetto e un certo numero di fili in ingresso ed in uscita.

Il loro compito è quello di regolare la velocità di rotazione dei motori brushless.

In ingresso avremo due fili di un diametro abbastanza consistente (dipende ovviamente dalla potenza che l’ESC può gestire) di cui uno di colore rosso ed uno nero . A questi fili viene collegata la batteria per alimentare il regolatore.

In uscita avremo invece tre fili (anche questi con una sezione abbastanza consistente) che andranno ad alimentare il motore. I fili in uscita sono tre perché i motori brushless sono trifase .

I colori normalmente sono gli stessi del motore ma non è obbligatorio rispettare la colorazione nel collegamento, anzi per invertire la rotazione di un motore brushless saremo costretti ad invertire due fili di uscita .

Gli altri fili collegati alla spinetta a tre poli sono per il pilotaggio del regolatore (comando impulsivo tipo quello dei servomotori).

Esisto due versioni di regolatori :

  1. Quelli con il cavo di comando a tre fili che includono al loro interno un alimentatore (BEC) . Questi regolatori ci permettono di alimentare direttamente dalla spinetta di controllo ad esempio il controllore di volo.
  2. Quelli con il cavo di comando a due fili che sono di tipo optoisolato e non possono alimentare nulla , ricevono solo la sequenza di impulsi di comando.

Non tutti i regolatori vanno bene per l’utilizzo sui multicotteri perchè nel nostro caso abbiamo necessità di tempi di reazione molto brevi e non vogliamo assolutamente che per un’abbassamento della tensione di batteria i motori si spengano , con i motori spenti il nostro multicottero si trasformerebbe in un mattone in caduta libera .

Esiste comunque la possibilità di caricare su di un ESC non appositamente costruito per i multicotteri dei firmware appositi come SimonK oppure BHeli. Io sinceramente preferisco comprarli già programmati con uno di questi firmware perché così sono già stati testati e quindi sono sicuro del loro funzionamento.


Eliche (Propellers)


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Come detto nella parte iniziale di questa raccolta nell’articolo “Cosa è un multirotore” ci servono di solito un numero pari di eliche (a meno che non vogliate costruire un tricottero) e metà di queste devono girare in un senso e l’altra metà nell’altro senso.

Nel caso di un quadricottero quindi 2 dovranno girare in un senso e due nell’altro.

La direzione di rotazione di un’elica normalmente viene indicata con le sigle :

– CW (Clock Wise ovvero che girano in senso orario)

– CCW (Counter Clock Wise, ovvero che girano in senso anti-orario)

In ambito modellistico si possono trovare due tipi di eliche, quelle per i modelli veloci e quelle per i modelli lenti, i cosiddetti “slow flyer”.

A noi servono quelle per i modelli lenti , perché quelle per i modelli veloci sono progettate per lavorare immerse in un flusso d’aria veloce e laminare (per intederci come succede in un aereo) , mentre le eliche dei multirotori spesso devo accelerare aria che prima era ferma.

Le eliche “slow flyer” sono più bombate e guardandole dall’alto sono più larghe mentre quelle per i modelli veloci sono sottili ed appuntite e con forme più spigolose.

Le dimensioni fisiche delle eliche vengono indicate da una serie di numeri come quelli che seguono :

  • 10×4,5
  • 13×3,8

Ora vediamo cosa significano :

  • il primo numero (10 o 13) indica il diametro dell’elica espresso in pollici ( un pollice equivale a circa 2,5 cm)
  • il secondo numero (4,5 o 3,8) indica l’inclinazione (pitch) delle pale dell’elica , più il numero è alto più le pale sono inclinate.

Eliche con un’inclinazione delle pale alta spingono in modo più violento l’aria e quindi si potrebbe pensare che in un multicottero sia meglio montare questo tipo di eliche.

In realtà le eliche con un’inclinazione alta vanno anche più facilmente in stallo potendo trasformare il nostro multicottero in un mattone in caduta libera.

Stallo aereodinamico

In linea di massima si preferisce quindi montare eliche con grandi diametri e basse inclinazioni , ovviamente se il motore è in grado di farle girare .

Come avrete capito la scelta delle componenti di un multicottero non è cosa semplice , quindi o vi fidate di un progetto già testato (io non mi fido mai) oppure utilizzate uno dei tanti calcolatori che sono disponibili in rete.

Io utilizzo questo http://www.ecalc.ch/xcoptercalc.php?ecalc&lang=it perchè mi sembra il più completo e mi dà la possibilità di verificare che tutte le componenti scelte siano dimensionate correttamente.

Anche qui comunque , visto che si tratta di calcoli teorici , tenetevi sempre dalla parte della ragione con un margine del 10 – 20 %.


Batterie LIPO


20151215_110048Le batterie ormai più comuni in ambito modellistico sono quelle ai Polimeri di litio perchè hanno capacità di scarica medio-alta, densità energetica medio-alta e vita medio-alta.

Insomma il giusto compromesso.

Patiscono però le scariche eccessiva e non dovrebbero mai scendere sotto i 3,1/3,2 V per cella per avere una vita più lunga.
Quando vengono utilizzate male si gonfiano e restano gonfie, quindi se avete una di queste batterie ed avete notato che è bella cicciotta vuol dire che ha sofferto e non sarà affidabile come una batteria nuova.

Ora analizziamo un pò delle sigle che distinguono queste batterie.

mAh

Se gli Ah (Ampere-ora) sono l’unità di misura della capacità di una batteria i mAh sono milli-Ampere-Ora ovvero semplicemente un millesimo di Ah.
Per dire 1Ah si può quindi anche dire 1000mAh e nulla cambia.
La maggior parte delle volte la capacità delle nostre batterie viene espressa in mAh e non Ah.

Batterie : 2S – 3S – 4S
Questo numero seguito dalla S indica il numero di celle collegate in serie e quindi in modo indiretto il voltaggio che la batteria può erogare.
Ogni cella di una LIPO ha un voltaggio nominale di 3,7V (3,2 da scarica e 4,1 da completamente carica, più o meno) quindi una batteria 2S erogherà 2 x 3.7 e così via .

C

Con C si indica la capacità di scarica che in linea approssimativa vi dice quanto potete sovraccaricare per un tempo limitato la batteria.
Per farla semplice se avete una batteria da 2000mAh e con un C da 20 potrete , per breve tempo , tirargli fuori 2000 x 20 = 40000 mA
Esistono batterie con C molto alti , con C che superano 60 , ma più è alto il C e più la batteria peserà.
E’ anche vero che però più il C è alto e più “birra” avete a disposizione e quindi il vostro mezzo sarà più reattivo .
Un buon valore per un quadricottero è 40 – 45.


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