Micromotori DC per modellismo (prototipo per generatore?)

[Jno]

Salve, seguo questo forum almeno in lettura.
Dopo 40 anni di distacco dal modellismo,
mi è capitato di riparare un dronino giocattolo del nipote.

La sua domanda sembrava semplice: ci sono motori migliori date le dimensioni?
(da 6 a 10mm di diametro e sino a 20-22 mm di lunghezza)

Ho risolto il problema del nipote con una breve ricerca sul mercato
e l'acquisto di motorini brush coreless migliori. (roba da pochi euro)

Dopo di chè , data la antica curiosità , nella ricerca rilevo che
motori ancora migliori li fanno la maxon ed altre ditte similari
a botte di decine di euro e spesso anche centinaia.

Rimanendomi i motorini rotti del nipote li ho aperti ed in un paio di giorni
sono arrivato ad almeno 2 conclusioni:

-sono trasformabili in brushless e questa cosa apre orizzonti poco studiati dal mercato

-nella modalità brush non ho trovato su google patent , tra le centinaia di brevetti immessi,
una variazione sul tema che sto affrontando, derivata da semplice osservazione.
(ecco perché nel titolo anche la parentesi "prototipo per generatore")

Posso parlarne qui?
Intendo come semplice scambio di opinioni, poi se qualche giovane trova la cosa interessante
può sfruttarla come meglio crede, anche se dalle copie cinesi ormai non ci si difende più
(e neanche un brevetto ti difende più)

Ovviamente posso allegare immagini e considerazioni, tipo scambio di opinioni al bar,
non sono un ingegnere e non ci tengo più di tanto a fare una gara " a chi ne sà di più" ......

[Jno]

Volendo modificare un coreless brush in brushless
prendiamo dall'esploso meccanico dei motorelli solo la parte presente
nel riquadro "C"



Da un motore "1" si distaccano i fili degli avvolgimenti
e si separano come indicato dalla freccia "2"

Ora abbiamo 2 strade, mantenere la configurazione a pentagono
che è la modifica come saldature più semplice da fare
(freccetta azzurra "1" in figura)
oppure separare completamente i 5 avvolgimenti isolandoli tra loro
(freccetta azzurra "2" in figura)

Usare 5 avvolgimenti comporta comunque avere un brushless con una resa
in termini percentuali un poco superiore al brushless classico con tre avvolgimenti,
siano essi a "Y" oppure a triangolo.

come eventualmente connetterlo ad una elica direttamente
senza il cuscinetto precedente ma con un piccolo bronzino di distacco:

[Jno]

Questo è quasi il limite minimo delle dimensioni , si può scendere di un 25% ancora.

Nel caso minimo il motore misura 1.6 mm x 2,4, quello in figura è un 2,4 mm x 3,5 mm.

Questi microbi ricavabili dai motorini di vibrazione dei telefonini hanno tre avvolgimenti
e permettono, una volta aperti tipo "barattolo dei pelati" , di essere pilotati quali
motori brushless tramite un solo chip che li protegge da sovracorrenti e da blocco meccanico.

Nell'immagine del post precedente manca la "perlina forata" delle collanine in metallo ,
( anche quelle dello sciaquone del water , per capirci)
inserite nell'albero evitano che il magnete rotante possa fuoruscire


<b>Questo il circuito che pilota tre avvolgimenti:</b>


costa "ben" 60 centesimi

questo ad esempio è l'esperimento similare di qualche anno fa di un russo:

https://www.youtube.com/embed/uDFmD4pjbkY?w

ed un suo utilizzo

https://www.youtube.com/embed/n-706pBTHWQ?w

Sono ricavati da due avvolgimenti, non male come risultato.

Ma mentre il suo usa 5 chip per pilotarlo, il mio ne usa solo 1
è quindi più piccolo, più leggero ed una volta finito
anche più aggraziato dal punto di vista estetico....

[Jno]

Riassumendo:
- si distacca il magnete aprendo il motore come un "barattolo di pelati"
- al magnete si connette il meccanismo per la trasmissione del moto, un ingranaggio dentato ad esempio
- si inseriscono nell'albero dell'avvolgimento due rondelline forate sottili di teflon
- si reinserisce il magnete cosi distaccato sull'albero dell'avvolgimento coreless
- con la perlina forata si evita che il magnete fuoriesca dalla sede
- nella parte posteriore del motore si saldano i fili (da 3 a 15 a seconda del motorino coreless)
- si reinserisce il tutto nella cassa metallica avanzante (il "barattolo") incollandola con bicomponente
ed il motore brushless coreless è pronto

Vantaggi:
l'avvolgimento coreless pesa poco e si avvia subito
la massa è minore ed il numero dei giri è più alto
ed altri vantaggi già conosciuti e brevettati, tra cui il discorso che se lo si vuole
convertire in generatore, ad es: eolico , si richiede minor forza per farlo ruotare,
ma a questo arriveremo dopo.

quanto rende un motorino microbico al momento?
I brush coreless di quella grandezza rendono un 50%,
già la trasformazione in brushless coreless ne aumenta di quasi 10 punti percentuali la resa,
nessun attrito delle spazzole, nessuna perdita di potenza dovuta alle scintillazioni, basso emf.

ok, poniamo che un ottimo motorino giocattolo siffatto renda il 60 %,
come lo miglioriamo ulteriormente in resa?

il motore a tre fasi e spazzole esiste..... da sempre.
un motore brushless esiste da quando esistono i semiconduttori
(a meno di versioni sperimentali a....valvole)

Ma tutti generalmente hanno 3 avvolgimenti e tre segnali sfasati di 120°
vediamo il singolo segnale all'avvolgimento e la sua media di potenza trasferibile:


vediamo adesso cosa succede se invece di tre avvolgimenti ne usiamo 5 o più:



oooops...guarda, se usiamo 9 avvolgimenti invece che tre aumentiamo la possibilità
di trasferire potenza in modo da portare il 60% di resa del micromotore ad un 80% minimo.

a me non sembra poca cosa

[Jno]

Purtroppo il forum non consente di editare i messaggi precedenti, manca qualche parola
che potrebbe dare dei fraintendimenti, quando qualcuno se ne accorgerà..."corriggeremo"

ora , i motorelli coreless brush, una volta modificati in motori brushless (non più coreless)
hanno sempre avvolgimenti dispari, il modello avvolgimento da 5,5 x 15mm ha ad esempio 5 avvolgimenti,
lo si potrebbe pilotare così:


basta aggiungere un NE555 e poco più.

Quanto più sono grandicelli, più avvolgimenti hanno ,
perché c'è fisicamente lo spazio per inserire gli avvolgimenti nella cassa del motore.

Sono sempre (ovviamente) dispari ed il motivo lo si capisce bene,
come è anche visibile nel filmato:

https://www.youtube.com/watch?v=ASCWr0noEYU

salderemo i fili da portare al driver ( l'ESC multifase)
sulla contattiera posteriore del motore,
oppure se è troppo piccola li saldiamo sempre nella parte posteriore del motore
dove sotto un lievissimo strato di resina epossidica si intravedono le saldature degli avvolgimenti.



con 15 avvolgimenti , sovrapposti tra loro come in figura riportata nel post precedente,
ognuno è tenuto acceso e in piena funzione per 24° di rotazione del motore.
Questo è il motorino più grosso che potremo realizzare,
una versione intermedia , più utile per il modellismo conterrà 9 avvolgimenti.

Spero che qualcuno si chieda ( preferibilmente nel thread ) il perché di 9 o 15 avvolgimenti.......
essenzialmente è per la semplicità del circuito pilota ( economicità inclusa )

[Jno]

- Il circuito ne555 genera/simula una frequenza come quella fornita dal ricevitore del dronino
sul circuito pilota del motorino

- il 4017 non fa altro che dare un impulso su ognuna delle 10 uscite,
di queste segnali prendo solo le uscite dispari al momento,
ossia uso solo gli impulsi dispari che il 4017 genera dal n°1 al n° 10

Le uscite utilizzate 1,3,5,7,9 pilotano la frequenza di ingresso del circuito DRV10963
ed ottengo 3 x 5 integrati = 15 uscite utili per il motorino con 24° di sfasamento
tra un avvolgimento e l'altro in pilotaggio

-l'uso di questa cosa come assobimento medio è 5x0,5A*3,5V= 8,75 W
-quello massimo prima della protezione è di 16-18 W, dipende dalla tolleranza degli integrati.

fino a qui è divertente , ma dovremo ancora aumentare la resa del motore
nella conversione di questa potenza assorbita.

il costo del circuito e nell'ordine della decina di euro per pilotare 4 di questi motori,
addirittura ho visto nei forum chi ordina i "sample" in modo gratuito....

[Jno]

Aumentare la resa del brushless non sarà facile, ma nemmeno impossibile.

Già costruire avvolgimenti in diagonale aiuta ad aumentare la resa dei motori,
tant'è che la versione coreless dei motorini cinesi smontati sono dritti
ed i motori coreless di marca sono avvolti con inclinazione diagonale, nell'immagine al centro.
Anche per i motori brush vale questa regola, quello nella parte sinistra dell'immagine è un esempio:



Si tende a cercare di sfruttare al meglio il flusso magnetico,
anche la cassa esterna dei motori ne aumenta il rendimento.

Senza la cassa il motore funziona ugualmente e si raffredda anche meglio,
ma rende meno per dispersione di flusso magnetico .

Nella immagine del post precedente si intravede segnati lungo la cassa esterna
del motore alcune linee di flusso per far capire meglio cosa avvenga nel motore.

Si ritorna ora al motore brush coreless per come è costruito.
Con queste basi possiamo migliorarlo ancora ed usandolo all'inverso diviene anche un generatore
lievemente diverso dal solito concetto.

Del brush coreless dicevamo che è leggero, la struttura rotante è il solo avvolgimento di rame,
una pala eolica lo ruota con più semplicità.
Possiamo tranquillamente usare gli avvolgimenti diagonali di maggiore resa
e tramite un trucchettino possiamo persino diagonalizzare il flusso magnetico.

Questa ultima particolarità non la ho trovata nei meandri dei brevetti presenti su google patent,
può essere effettivamente una osservazione nuova.

Passiamo prima ai magneti, più sono potenti e più può essere potente anche il motore.
I limiti sono il materiale e le dimensioni.
Per il materiale, arrivati al neodimio si può ancora salire in potere magnetico, ma a che costo?

Ma il motore coreless brush può accogliere il magnete all'interno, solitamente di fabbrica
si arriva ai 12 mm di diametro del motore, poi le fabbriche superando quel diametro
mettono il magnete esterno all'avvolgimento.

Ma se noi lo inseriamo sia internamente che esternamente?
Cavoli , è come avere un magnete di maggior flusso magnetico!!
Aumentiamo la possibile potenza esprimibile da quel motore.

Ma non solo, l'anello magnetico esterno all'avvolgimento può essere
sfasato di qualche grado rispetto al magnete cilindrico interno
forzando la diagonalizzazione del flusso magnetico ed aumentando ancora di più la resa

Bellissimo!! ora lo costruiamo in piccolo con 4 spiccioli? (a breve..... sempre qui )
nel frattempo....

BUONA PASQUA A TUTTI !!!!!

[IsidoroKZ]

Non so nulla di macchine elettriche e di costruzione di micromotori, quindi non so apprezzare i dettagli dell'argomento, pero` sono ammirato dalle tue capacita` manuali! Non mi sarebbe mai venuto in mente che si potesse modificare radicalmente un motore commerciale.

Per quanto riguarda le parole mancanti, se mi mandi in messaggio privato che cosa modificare e dove, posso farlo io.

[EcoTan]

lo si potrebbe pilotare così:

Il centro stella degli avvolgimenti è accessibile?
I motori sensorless per modellismo hanno 3 fili quindi il centro stella in quel caso non è accessibile, e qui faccio una domanda:
premesso che i controller per modellismo tipo ESC ripetono un ciclo costituito da 6 passi alimentando 2 fili per volta,
personalmente ho realizzato un diverso controller che ripete un ciclo costituito da 12 passi alimentando a volte 2 fili ed a volte 3 fili, alternatamente.
Non dico che sia meglio o peggio, mi pare che la partenza risulti più dolce, esiste qualche controindicazione?

[Jno]

Volendo modificare un coreless brush in brushless....

Ora abbiamo 2 strade, mantenere la configurazione a pentagono
che è la modifica come saldature più semplice da fare
(freccetta azzurra "1" in figura)

oppure separare completamente i 5 avvolgimenti isolandoli tra loro
(freccetta azzurra "2" in figura)

Ciao ad entrambi e grazie per le risposte, mi sentivo un tantino solo .....
Non ci sono grossi errori, in un post ho scritto circa :
modificato motore brush coreless in brushless coreless
ma in realtà dopo la modifica ruota il magnete e non la struttura coreless
divenendo un motore brushless , non altro, perde la caratteristica coreless.

complicandosi tanto la vita si possono addottare due strade:
- separare i 5 avvolgimenti tra loro e risaldarli con configurazione simil stella
( lo svantaggio e che i fili sono veramente microbici ma il circuito costa poco)
- lasciare la configurazione di fabbrica a pentagono
( saldare i 5 fili è veramente semplice)

Ovviamente ci dobbiamo progettare un driver, quello che c'è in commercio
non è bello e pronto disponibile in vendita.

Abbiamo degli integrati che possono pilotare sino a 10 mini-carichi elettrici
le uscite possono essere messe in parallelo e raddoppia la corrente per ogni singolo
avvolgimento a stella.
Lo svantaggio è che non sai al primo impulso da quale parte ruota il motore..:unsure:
Si supera questo problema dando una frequenza più alta per un mezzo secondo al 4017,
da quello che ho potuto vedere così riesce a partire nel modo corretto.

nel caso di simil triangolo si costrisce un driver simile a quello a tre avvolgimenti
che ne piloti 5, gli step da usare garantiscono il senso della rotazione



Ma parlando di motori per modellismo ritengo divenga complicato (vedi anche più costoso e pesante)

Volendo costruire il motore a doppio magnete serve un magnete diametrale



Da dove ero partito per il nipote ed il suo dronino?
Dal fatto che il suo motore pesa 4 grammi e che un motore pari rotazione e doppia potenza
ne pesa invece 32 di grammi (parliamo di 50.000 RPM) per cui se li avessi adottati
tutta la potenza in più non era in grado di sollevare il maggior peso dei motori più potenti.

Il magnete esterno aggiunge circa altri 5 grammi per motore ,mi sembra una via possibile.