Qualcosa non va?

Chi oggi acquista un modellino di aereo elettrico già assemblato può dare per scontato che la configurazione sia più o meno corretta. I produttori hanno imparato ad abbinare elica, motore e batteria in modo tale che l’insieme funzioni senza problemi. Per i modelli di dimensioni «maneggevoli» non è certo una scienza occulta, poiché nella fascia fino a circa 500 Watt sono disponibili a prezzi convenienti numerosi componenti scalabili come eliche, motori, regolatori di velocità e batterie. Inoltre, i motori di nuova generazione sono considerati robusti e adatti a un ampio spettro di applicazioni. Ne traggono vantaggio anche tutti coloro che configurano autonomamente il proprio modello.

La velocità del motore (kv) e le dimensioni dell’elica non sono più un vero rompicapo (vola comunque), per cui motore ed elica vengono utilizzati al di fuori della loro curva caratteristica di funzionamento ottimale, consumando così inutilmente molta energia (che ormai, grazie alle batterie LiPo, è disponibile). Nei modelli di piccole dimensioni, che decollano con una potenza relativamente ridotta, questo aspetto si nota meno. I motori piccoli, grazie al rapporto superficie/volume favorevole, possono essere

. E se proprio non va bene, sostituire un componente non costa un occhio della testa. Diverso è il caso dei modelli più grandi, il cui fabbisogno di potenza, come è noto, aumenta con la terza potenza delle masse rilevanti del modello e richiede quindi rapidamente una batteria e un motore più potenti. Di conseguenza, le dimensioni diventano decisamente uno svantaggio. Più grande è il propulsore, meno favorevole diventa il rapporto superficie/massa e quindi la dissipazione della potenza persa. Più è grande, più è importante quindi il giusto adattamento... e il principio di prova ed errore può rivelarsi costoso.

Naturalmente, il mercato offre ormai motori eccellenti in grado di azionare eliche da 20" di diametro e oltre. Questi motori offrono una coppia abbondante. Affinché ciò avvenga con una buona efficienza, anche nei motori ad alto numero di poli non si può fare a meno di spesse strisce magnetiche, solidi pacchetti di ferro e robusti avvolgimenti in rame. Ciò comporta un aumento di peso – e costa denaro. Chi quindi apprezza il vantaggio della leggerezza della trazione elettrica rispetto al motore a combustione (sì, siamo già a questo punto da tempo) e dispone inoltre di un budget limitato, potrebbe cercare delle alternative. Queste esistono sotto forma del buon vecchio motore a ingranaggi

Allo stesso tempo si osserva un fenomeno che chi è attento al consumo energetico definisce «effetto rimbalzo». Un esempio comune tratto dalla vita quotidiana: poiché le lampadine a LED sono considerate a basso consumo, si tende semplicemente a lasciare la luce accesa più a lungo (dopotutto non costa nulla). Di conseguenza, nonostante la maggiore efficienza, si ottiene un consumo energetico più elevato.

Se applicato ai modelli di propulsione, ciò significa che, grazie a componenti resistenti, è possibile regolare il numero di celle, la densità specifica

Le soluzioni di trasmissione possono migliorare l'efficienza anche nei motori elettrici, noti per la loro flessibilità.

(kv 550 giri/min/V) – interessante non solo per i motori Helian.

Tecnologia delle ruote. Il motoriduttore, che per un certo periodo era stato dato per spacciato, merita un ritorno in auge.

A volte si diffonde l’ingenua convinzione che i veicoli elettrici possano tranquillamente fare a meno del cambio. Si tratta di un puro pio desiderio. È vero che il motore a corrente continua eroga la coppia massima già da fermo, ma lo fa a un costo (in termini di energia) ingiustificatamente elevato. Nelle biciclette elettriche, ad esempio, il motore centrale, che nel suo...

Poiché spesso comprende diversi stadi di trasmissione e sfrutta anche il cambio della bicicletta, ha ormai da tempo superato il motore nel mozzo della ruota. E anche i motori nel mozzo della ruota, nell’ottica di una struttura leggera, nella maggior parte dei casi incorporano un riduttore planetario. Con un rapporto di trasmissione ridotto, un motore di questo tipo funziona semplicemente in modo più efficiente.

La Porsche Taycan, di grande tendenza, dispone addirittura di un cambio a due marce sull’asse posteriore. La prima marcia aiuta la Taycan a ottenere un’accelerazione ancora migliore fin dalla partenza, mentre la seconda marcia, con rapporto lungo, dovrebbe consentire di raggiungere le velocità tipiche delle autostrade tedesche senza che la gestione del motore ne riduca le prestazioni.

I motori elettrici ricavano la loro potenza in modo semplicemente «più economico» da un numero di giri più elevato piuttosto che solo dalla coppia «indotta». Infatti, se si cerca di ottenere un motore elettrico con una coppia elevata, è necessario accettare effetti collaterali spiacevoli anche quando si utilizzano potenti magneti SE. La coppia aumenta sì in modo lineare con la corrente assorbita, ma

in modalità a batteria raggiunge comprensibilmente e rapidamente i propri limiti. Al contrario, si può provare a «sfruttare» meglio la corrente tramite un avvolgimento con più spire. Se un motore elettrico riceve, ad esempio, il doppio del numero di spire, la coppia specifica si raddoppia effettivamente. Tutto chiaro? Non del tutto, perché il filo dell’avvolgimento – a parità di dimensioni – non solo sarà lungo il doppio, ma, a causa dello

spazio di avvolgimento invariato, potrà avere solo la metà della sezione trasversale. Di conseguenza, la resistenza ohmica quadruplica (!) e l’aumento della resistenza dell’avvolgimento fa crescere in modo sproporzionato le perdite nel rame dipendenti dalla corrente. Rimane da considerare l’ingrandimento della macchina, per cui, raddoppiando la lunghezza dell’avvolgimento, la resistenza cresce «solo» di circa il doppio. Per questo, però, devono essere ingranditi anche i pacchi di ferro e

Questo motore Hacker Q80 L 135 kV offre una coppia generosa per eliche con diametro fino a 27". Rispetto alle soluzioni con riduttore, un motore di questo tipo garantisce una silenziosità senza pari. Tuttavia, questo motore pesa ben 1335 g.

Ideale per modelli da traino di grandi dimensioni.

tutta la struttura portante cresce di pari passo. La macchina diventa più grande e più pesante. La situazione migliora leggermente quando aumenta il diametro del motore. Raddoppiando il diametro, la coppia aumenta in modo approssimativamente quadratico (raddoppiando), ma, poiché cresce anche la circonferenza, diventa necessario suddividere il circuito magnetico in più segmenti per limitare i percorsi magnetici. Si arriva così alle macchine multipolari. Ma nemmeno queste rappresentano la soluzione a tutti i problemi, poiché, a causa dei cambi di polo ora più frequenti, causano maggiori perdite nel ferro e per correnti parassite dipendenti dalla velocità. È interessante sapere che un motore elettrico raggiunge il massimo rendimento nel campo di funzionamento in cui le perdite dipendenti dalla corrente si bilanciano con quelle dipendenti dalla velocità. Si può

non «lasciarsi trasportare» né in un senso né nell’altro.

Da innumerevoli serie di misurazioni effettuate su vari motori elettrici per aeromodelli si evince che i nostri classici motori a rotore esterno con 14-28 poli, pur raggiungendo i migliori valori di coppia, ma raggiungono anche relativamente presto quel limite di velocità (e quindi anche di tensione) oltre il quale l’efficienza ricomincia a diminuire. Proprio a-

Lo stesso vale per i ben noti motori a 2 poli con avvolgimento a traferro (Hacker, Kontronik, Lehner), che funzionano in modo efficiente solo ai regimi più elevati e che quindi vengono solitamente commercializzati in abbinamento a riduttori planetari ad alto rapporto di riduzione. Finora, almeno così sembra, sono state meno considerate le macchine da 8 a 10 poli. Spesso raggiungono picchi di efficienza del 90% e oltre, e questo con correnti rispettabili comprese tra 40 e 80 A,

proprio lì dove gli hobbisti ambiziosi amano spesso cimentarsi per divertimento. Ci si ritrova così nel campo dei motori per elicotteri con regimi specifici che scendono fino a circa 450 rpm/V, i quali, con un «peso di combattimento» fino a 500 g, consentono una potenza erogata di diversi kilowatt. Non è un caso che questo tipo di motore sia diventato un vero e proprio concentrato di potenza, poiché la dinamica degli elicotteri 3D, innescata dai bruschi cambiamenti di passo,

Con l’andamento dinamico della corrente che ne deriva, pone requisiti estremamente elevati ai motori. Ciò ha portato, all’epoca del boom degli elicotteri, allo sviluppo di alcuni progetti molto ambiziosi. Ora che questo boom sembra essersi leggermente affievolito, per alcuni di questi “atleti della potenza” si apre un nuovo campo di applicazione. Possono sfruttare appieno i propri punti di forza a tensioni di esercizio più elevate con batterie da 6 a 12 (14) s. E, naturalmente, solo con un riduttore che, nella scelta dell’elica, consenta di spingersi anche nella gamma XXL.

Chi fa tutto nel modo giusto, non sbaglia di certo con le seguenti aspettative di rendimento:

• Le perdite del cambio vengono più che compensate dall’aumento dell’efficienza del motore.
• Si amplia la gamma di impiego dei motori già disponibili (Second Life).
• È possibile montare eliche più grandi, con maggiore portanza e quindi più efficienti (che spesso si adattano anche meglio all’estetica del modello).
• Il peso complessivo del sistema di propulsione è inferiore, nonostante la meccanica aggiuntiva,

rispetto a quello di un motore a trasmissione diretta con coppia equivalente (vantaggio principale).

Certo, alcune concessioni sono inevitabili. Ad esempio, l’installazione nel modello esistente può talvolta richiedere soluzioni creative nel caso di alcuni riduttori di forma ingombrante. Inoltre, il rumore di fondo aggiuntivo è innegabile e non sempre gradito.

Naturalmente, nemmeno i cambi che funzionano in modo fluido si ottengono gratis. Per questo vale sicuramente la pena approfondire le diverse tipologie.

Non a caso il riduttore epicicloidale, il cui funzionamento di base si può ritenere qui noto, gode già da tempo di grande popolarità. Un riduttore di questo tipo ha una struttura compatta, non presenta alcun disallineamento degli alberi e mantiene il senso di rotazione. È possibile ottenere rapporti di riduzione fino a un fattore 8 per ogni stadio. Il vantaggio principale risiede nella distribuzione interna della forza su 3 (...4) ingranaggi planetari, in modo che la pressione superficiale e quindi l’usura nella zona

si riduce l’usura dei fianchi dei denti. Si potrebbe trovare fastidioso l’inevitabile rumore derivante dal fatto che, in presenza di elevate portate, è possibile utilizzare solo ingranaggi metallici. Inoltre, questi gruppi motopropulsori richiedono manutenzione sotto forma di lubrificazione occasionale. Ciononostante, al momento dell’acquisto è opportuno assicurarsi di utilizzare solo riduttori i cui ingranaggi planetari siano dotati di cuscinetti a rotolamento (di solito cuscinetti a rullini), poiché le parti con cuscinetti a strisciamento tendono a gripparsi, con conseguenze talvolta gravi per l’intero sistema. →

Sono considerati collaudati gli azionamenti con rapporto di riduzione (arrotondato) di 7:1 e i motori a rotore interno a 2 poli con avvolgimento a traferro, che, per ragioni fisiche, sono progettati in modo più adatto a regimi specifici più elevati, compresi tra 1200 e 1800. In questo modo è possibile azionare in modo efficiente anche listelli da 20" e oltre. La situazione si semplifica ulteriormente utilizzando i motori a rotore esterno sopra citati, provenienti dal settore degli aeromobili ad ala rotante, che solitamente entrano in gioco con un rapporto di riduzione compreso tra 3:1 e 5:1.

Grazie al diametro esterno compatto, i riduttori planetari si adattano bene anche al muso degli alianti. Lì, così come nei

modelli a motore, a volte è opportuno non solo fissare anteriormente i gruppi motori di grandi dimensioni, ma anche sostenerli posteriormente per prevenire la tendenza all’oscillazione.

I motori disponibili in commercio con gruppo planetario flangiato (ad esempio di Hacker, Kontronik, Leomotion, Plettenberg, Reisenauer, Schambeck) sono considerati collaudati. Anche le prove con riduttori industriali – ad esempio riduttori epicicloidali progettati per azionamenti di tapparelle – hanno dato risultati soddisfacenti, ma a causa del loro modulo più grande sono solitamente un po’ più rumorosi durante il funzionamento.

Gli ingranaggi cilindrici sono i classici tra i convertitori di coppia. Il fatto che il senso di rotazione si inverta rappresentava un problema in passato, quando erano ancora in uso motori a spazzole con senso di rotazione preferito. I motori brushless funzionano altrettanto bene in entrambe le direzioni. Rimane però l’inevitabile disallineamento degli alberi. Nei sistemi di propulsione per aeromodelli a vela questo può talvolta rappresentare un problema. Non va naturalmente trascurato il tema della rumorosità. Si tratta di un problema ricorrente, poiché in passato venivano spesso utilizzati set di ingranaggi economici composti da pignoni in ottone e

gli ingranaggi in plastica stampata sono stati immessi sul mercato. Anche cose apparentemente semplici come due ingranaggi che si innestano l’uno nell’altro richiedono proprio l’attenzione ai dettagli. Oltre all’elevata qualità di lavorazione dei fianchi dei denti, contribuiscono a ridurre la pressione superficiale una larghezza dei denti sufficiente, un modulo adeguato e non eccessivo, un abbinamento appropriato dei materiali (metallo/plastica) e, soprattutto, la dentatura obliqua, a ridurre l’inevitabile rumore della trasmissione. Il tema della lubrificazione potrebbe riempire interi volumi, ma contribuisce non solo a ridurre l’attrito, ma anche a diminuire il rumore. Se il set di ingranaggi è incapsulato, si prendono due piccioni (si può ancora dire così oggi?) con una fava: la vibrazione dei cuscinetti viene smorzata e il grasso non schizza dappertutto.

Oltre alle soluzioni di trasmissione disponibili in commercio (ad esempio quelle di Kontronik), con set di ingranaggi adeguati è possibile assemblare facilmente da soli anche riduttori a ingranaggi cilindrici. La scelta del materiale dipende dalle rispettive possibilità di lavorazione. I primi tentativi con piastre di trasmissione in alluminio sono stati presto abbandonati, poiché il metallo è relativamente (!) pesante, smorza a malapena le vibrazioni e può addirittura agire come una tavola armonica. Si sono ottenute esperienze migliori con piastre in plastica dello spessore da 4 a 6 mm in polistirolo o Makrolon, la cui lavorazione, tuttavia, si effettua al meglio con una fresatrice CNC. Poiché però tali servizi dovevano essere «acquistati», le piastre del riduttore sono state realizzate, in via sperimentale, in compensato. Naturalmente, in questo caso entrano in gioco solo materiali di alta qualità e resistenti, ovvero pannelli non deformati in compensato di faggio incollato a 7...9 strati con uno spessore delle pareti di 6...8 mm. E, guarda un po’, il risultato è stato migliore del previsto. Così, i «mobili» inizialmente concepiti come soluzioni provvisorie si sono rivelati

Grazie all'ampia larghezza dei denti (30 mm), è in grado di sopportare una potenza di diversi kilowatt.

realizzabili con sufficiente precisione, incredibilmente leggeri e – cosa importante – sorprendentemente silenziosi. Quest’ultima caratteristica presuppone naturalmente che le distanze tra gli assi, che determinano il gioco tra i fianchi dei denti, siano scelte correttamente. Infatti, gli ingranaggi non devono in nessun caso incepparsi, ma non devono nemmeno presentare un gioco eccessivo. La soluzione pragmatica in questo caso è la seguente: il pignone e

ruota grande vengono serrati insieme tramite un robusto anello di gomma, con l’interposizione di 4 strati di carta stagnola (presa dal cassetto della cucina della mamma). Successivamente, la distanza necessaria tra gli alberi può essere determinata effettuando due misurazioni con un semplice calibro a corsoio. Per chi l’avesse già dimenticato: distanza tra gli alberi esterna più distanza tra gli alberi interna e poi dividere il totale per due. Distanza tra gli alberi = (misura _esterna + misura interna) : 2

La vera sfida consiste ora nel trasferire la misura così ottenuta sulle piastre con la massima precisione possibile e nel praticare i fori per i cuscinetti a sfere con gli utensili adeguati. Se si trova una punta Forstner adatta, il gioco è fatto. Va da sé che il lato anteriore e quello posteriore vengono lavorati in un’unica operazione.

Nella scelta dell’accoppiamento degli ingranaggi, va inoltre tenuto presente che è necessario evitare rapporti di trasmissione esatti e interi, poiché in tal caso si verificherebbe un continuo contatto tra gli stessi denti (eventualmente difettosi), il che può favorire l’usura.

Una forma speciale è rappresentata dall’ingranaggio a dentatura interna, che negli anni ’90 ha fatto carriera nel modellismo con il nome di «Introgear». Nonostante i suoi innegabili vantaggi (minore disallineamento degli alberi, assenza di inversione del senso di rotazione, maggior numero di denti in presa), è ormai considerato una specie in via di estinzione.

I più anziani ricorderanno sicuramente i riduttori Kruse, anch’essi risalenti all’epoca citata. Si basavano su cinghie dentate rinforzate con fibra di vetro e offrivano rapporti di riduzione fino a 1:4, anche se nella maggior parte dei casi venivano utilizzati rapporti di riduzione nettamente inferiori. I motori a spazzole, allora comuni, con l’azionamento diretto semplicemente non consentivano l’uso di eliche efficienti, ma presentavano anche una flessibilità di velocità limitata verso l’alto. Pertanto, la trasmissione a cinghia dentata era un mezzo molto apprezzato per poter azionare eliche di dimensioni ragionevoli anche con motori in ferrite. Divennero possibili anche le trasmissioni a doppio motore. Tuttavia, anche questo tipo di sistema sembra essere rapidamente scomparso dalle piste di volo dopo l’impatto del “meteorite” rappresentato dai motori a rotore esterno multipolare.

Se si assisterà a una rinascita su larga scala delle trasmissioni a cinghia è ancora tutto da vedere, poiché le trasmissioni a cinghia dentata, con il loro massimo disallineamento degli alberi, non sono mai compatte e, sia per ragioni di efficienza che per il rumore di funzionamento talvolta sottovalutato, sono più adatte a bassi regimi. Inoltre, le cinghie sono disponibili in commercio solo con un numero di denti o una lunghezza prestabiliti, il che rende necessarie misure di compensazione meccanica come, ad esempio, rulli tenditori o alberi scorrevoli. Ciononostante, un rapporto di riduzione di questo tipo può rivelarsi utile anche oggi quando si tratta di passare a eliche di grandi dimensioni con un rapporto passo/diametro approssimativamente quadrato, poiché solo in questo modo il movimento dell’aria viene convertito in modo efficiente in propulsione.

Le soluzioni di propulsione elettrica nell’aeromodellismo non sono quindi affatto l’unica opzione possibile. Infatti, a volte, invece di attingere pesantemente al budget dedicato all’hobby, è possibile riflettere attentamente sulle alternative di propulsione. E per alcuni motori che finora non suscitavano più interesse si profila un nuovo e stimolante campo di applicazione. Non sono forse prospettive incoraggianti in un’epoca dominata dalla cultura dell’usa e getta?