Tripletta di gol decisivi

Per molto tempo sembrava che nel campo dei propulsori per aeromodelli elettrici non ci fossero più grandi sviluppi. Batterie LiPo, elettronica di potenza MOS-FET, motori brushless: tutto è permesso, anche in verticale, se lo si desidera. Ma lo sviluppo non deve necessariamente finire in un vicolo cieco. Anche ciò che è già buono può essere ulteriormente sviluppato – a volte persino migliorato. Così, già da qualche tempo, Hacker Brushless Motors ha lanciato sul mercato un nuovo sistema di propulsione per acrobazia F3A che sembra confermare questa tesi. Dietro la denominazione un po’ complicata A50-7S Y Turbado Senstrol 3,2:1 XGear si nasconde un sistema di propulsione per modelli F3A che rappresenta più di un vero e proprio passo verso il futuro.

Alcune cose hanno un nome sbagliato, ma vengono comunque comprese correttamente, perché tutti sanno cosa si intende. Ad esempio, un cacciavite non serve a avvitare le viti e una stufa a legna è meglio non costruirla in legno. Anche i regolatori di velocità per modelli in scala rientravano (o rientrano) finora in questa categoria. Si chiamano «regolatori», ma nella maggior parte dei casi si tratta di «comandi». Si utilizzavano per regolare il numero di giri del motore di propulsione.

Se il pilota spinge in avanti la leva dell’acceleratore (ancora una volta, scelta lessicale errata), il motore riceve più tensione e quindi gira più velocemente. La velocità di rotazione dipende, oltre che dalla posizione della cloche, anche da altri fattori: numero di celle, tipo di motore (kv), dimensioni dell’elica, velocità di volo attuale.

Regolare, invece, significherebbe impostare con la posizione della cloche un numero di giri desiderato, indipendente dai fattori sopra menzionati

venga controllata e, per quanto possibile, mantenuta entro i parametri specificati. Da qui deriva anche il termine «controller», che nel linguaggio comune viene utilizzato in contesti del tutto diversi. Finora la vera regolazione della velocità era nota solo nel settore degli elicotteri, dove la velocità del rotore deve rimanere costante indipendentemente dall’impostazione del piolo e dalle manovre di volo.

Il fatto che ora anche i modelli ad ala fissa possano beneficiare di una vera regolazione della velocità è dovuto al nuovo programma di acrobazia aerea F3A, che

premia uno stile di volo in cui le figure ascendenti e discendenti devono essere eseguite alla velocità più possibile costante. Proprio il volo a velocità costante! Ciò presuppone – tra le altre cose – che la velocità dell’elica rimanga inalterata, indipendentemente dal fatto che si stia salendo – e l’elica venga frenata maggiormente – o che si stia scendendo, dove viene spinta dal flusso d’aria. Per azzardare un paragone, anche se un po’ zoppicante: il lavoro di un «vero» giroscopio…

Il funzionamento del regolatore di velocità è simile a quello del cruise control in auto, che mantiene costante la velocità indipendentemente dalla salita o dalla discesa – purché il motore sia in grado di farlo. In discesa, un moderno cruise control utilizza innanzitutto il freno motore per poi, se ciò non basta, «tirare davvero il freno». In modo molto simile, ma leggermente più efficiente, ciò avviene con il freno motore elettrico, che in questo caso recupera l’energia di frenata reimmettendola nella batteria. Resta tuttavia da vedere se ciò rappresenti un contributo significativo all’estensione dell’autonomia di volo.

Stabilire delle regole presuppone la possibilità di controllare il rispetto delle specifiche. È necessario un canale di ritorno. Nella combinazione di azionamento A50-7SY, questo feedback avviene tramite un cavo aggiuntivo che collega il motore al regolatore tramite un cavo JR. Il canale dati aggiuntivo aiuta anche – come si vedrà nella sezione successiva – nella commutazione. La base dati è fornita da un chip di identificazione del motore, in cui sono stati memorizzati dal produttore i parametri rilevanti del motore. In questo modo viene costantemente monitorata la temperatura del motore (i limiti possono essere modificati entro determinati intervalli). È inoltre possibile regolare la dinamica, ovvero la velocità con cui deve essere tradotto il movimento della leva dell’acceleratore. È possibile scegliere se mantenere costante il numero di giri

deve essere mantenuta costante oppure la coppia. In quest’ultimo caso entra in funzione una limitazione di corrente che impedisce il sovraccarico anche se l’elica scelta è troppo grande. Infine, il regolatore Turnado Senstrol può naturalmente essere utilizzato anche secondo la vecchia tradizione in modalità di regolazione. La programmazione avviene, come di consueto per Hacker, tramite un Jeti-Box nell’ambito di cinque diverse modalità. L’impostazione predefinita di fabbrica (modalità 1) include già la possibilità di selezionare tutte e tre le modalità operative tramite un selettore a tre posizioni.

Quando un rotore magnetizzato ruota, nelle bobine che lo circondano viene indotta una tensione. Questa tensione, generata dal motore in proporzione alla velocità di rotazione, è nota anche come forza controelettromotrice (FCEM). In assenza di fattori di distorsione, tale tensione ha forma sinusoidale. Per poter far funzionare un motore con un buon rendimento, il controller deve applicare una tensione che si avvicini il più possibile, sia nella forma che nell’ampiezza, a questa tensione indotta. Ciò è realizzabile solo in misura limitata con la tecnologia convenzionale, poiché la batteria fornisce, per sua natura, tensione continua. La tecnologia dei controller utilizzata finora riesce solo a convertire questa tensione della batteria in intervalli più o meno ampi di tensione

suddividere i blocchi di tensione per applicarli alternativamente alle bobine del motore con polarità diverse. Questo processo viene chiamato “commutazione a blocchi”. I blocchi di tensione così generati hanno tuttavia una forma approssimativamente rettangolare, per cui le due forme d’impulso si sovrappongono solo parzialmente.

Oltre alla semplicità, questo metodo offre anche il vantaggio di generare perdite di commutazione minime nei transistor del regolatore, il che si riflette positivamente sulla superficie di raffreddamento necessaria. Non bisogna però rallegrarsi troppo presto, poiché le perdite di calore vengono semplicemente trasferite al motore.

L’idea di convertire la tensione continua in una tensione alternata sinusoidale

non può essere realizzata – come già accennato – senza uno sforzo aggiuntivo. Questo consiste nel suddividere questi blocchi di tensione – osservandoli, per così dire, al microscopio – in parti ancora più fini e nel sottoporli a una modulazione di larghezza di impulso (PWM). La semionda sinusoidale si genera con la collaborazione dell’induttanza del motore, variando il rapporto impulso-pausa: inizialmente impulsi brevi, che diventano sempre più lunghi fino al picco, per poi accorciarsi nuovamente nella fase discendente. È ovvio che in questo modo nel regolatore si verifichino ulteriori perdite di commutazione. In cambio, al motore viene fornita una tensione che si adatta meglio alla sua forza controelettromotrice. →

Quindi si tratta solo di una stazione di trasferimento delle perdite tra il regolatore e il motore? Non proprio; soprattutto se si dà importanza a una coppia elevata del motore per un periodo di tempo prolungato, la commutazione sinusoidale risulta vantaggiosa. Naturalmente è più complessa dal punto di vista circuitale e non è più realizzabile senza un apposito sensore di posizione del rotore nel motore. Poiché una spiegazione più approfondita andrebbe oltre lo scopo di questa pubblicazione, si rimanda gli interessati al seguente link: <https://support.maxongroup.com/hc/de/articles/360006288554-St%C3%A4rke-eines-BLDC-EC-Motors-bei-Sinuskommutierung>

Un ulteriore vantaggio della commutazione sinusoidale è la conseguente riduzione del rumore del sistema di azionamento. Sicuramente avrete già notato che i motori brushless-

Questi, in particolare se multipolari, di grande diametro e di tipo aperto, tendono a «cantare» in determinate posizioni dell’asta. Questo effetto acustico viene sfruttato fin dagli albori della tecnologia di regolazione elettronica come ausilio alla programmazione. Tuttavia, l’«altoparlante» presente nel motore richiede energia aggiuntiva e dovrebbe preferibilmente rimanere inattivo durante il funzionamento vero e proprio.

Anche per questo motivo, i piloti acrobatici parlano di una piacevole silenziosità di funzionamento per quanto riguarda questo tipo di propulsione. A ciò contribuisce naturalmente anche l’uso prevalente di eliche a tre pale. Nelle configurazioni da 10 s attualmente regolamentate, le loro dimensioni sono di 20" di diametro e fino a 15" di passo. Nelle applicazioni commerciali, la riduzione del rumore riveste un’importanza di gran lunga maggiore. Chi vorrebbe mai un velivolo che ti canti continuamente qualcosa?

Fino all’inizio del XXI secolo, per i motori elettrici ad alta potenza

il riduttore meccanico era praticamente indispensabile. Con l’avvento dei motori a rotore esterno LRK a partire dal 2000, la situazione cambiò per la prima volta. Ora si otteneva praticamente «a domicilio» la coppia maggiore necessaria per l’utilizzo di eliche efficienti. I tipi di riduttori più semplici sono caduti in disuso. Sono sopravvissute applicazioni di tipo speciale, per lo più sotto forma di gruppi planetari di alta qualità. Infatti, è ancora meglio (e spesso più economico) sfruttare appieno le prestazioni di un motore elettrico avvicinandosi al limite di velocità, piuttosto che doverne aumentare le dimensioni. Nonostante gli ingranaggi e i telai di trasmissione aggiuntivi, è possibile risparmiare peso – a patto di affrontarlo nel modo giusto. In definitiva, grazie a questo tipo di regolazione della velocità, il motore può funzionare più vicino al massimo rendimento, il che ovviamente fa risparmiare energia e riduce il surriscaldamento del motore. Ma anche questo sistema presenta degli svantaggi, poiché, a differenza

rispetto alle trasmissioni dirette; si è vincolati a un intervallo di velocità più ristretto.

Alla Hacker si è optato per una trasmissione a cinghia dentata. Questa riduce il regime del motore in un rapporto di 3,2:1. Viene utilizzata una cinghia Optibelt di 16 mm di larghezza con un passo dei denti di 2,5 mm. Le trasmissioni a cinghia dentata richiedono poca manutenzione e funzionano in modo silenzioso, purché il numero di giri rimanga entro certi limiti. Questo vale per il sistema di trasmissione A50-7S Y Turnado Senstrol 3,2:1 XGear, poiché una velocità massima del motore di 9000 giri/min può essere considerata moderata. Grazie alle coppe dei cuscinetti in fibra di carbonio da 2,5 mm e agli ingranaggi in alluminio con ruota grande fresata per risparmiare materiale, l’aumento di peso rimane minimo. A causa delle caratteristiche del sistema, l’utente di un riduttore a cinghia dentata deve accettare uno sfalsamento assiale leggermente maggiore. In questo caso è pari a 42 mm. Per garantire un avvolgimento sufficiente della ruota piccola, si utilizza un tendicinghia composto da quattro cuscinetti a sfere. Il montaggio avviene tramite elementi elastici in gomma, in modo che anche in questo caso il rumore

L’A50-7S Y Turnado Senstrol 3,2:1 XGear di Hacker rappresenta senza dubbio un vero e proprio passo avanti nella tecnologia di propulsione elettrica per modelli da acrobazia. Oltre alla funzione di regolazione, è ora possibile controllare effettivamente anche la velocità o la coppia, e quindi anche limitarle,

riducendo così il rischio di disadattamento, ad esempio dovuto all’uso di eliche troppo grandi. Grazie alla modulazione sinusoidale, il motore a rotore esterno utilizzato può essere ulteriormente ottimizzato in termini di silenziosità e coppia specifica più elevata. L’utilizzo di un riduttore a cinghia dentata ottimizzato in termini di peso e rumorosità consente l’impiego di un motore più piccolo che, nonostante la maggiore efficienza,

apprezza in modo particolare il flusso d’aria di raffreddamento all’interno del modello. Il motore relativamente piccolo (serie 50) può, grazie al riduttore, sostituire motori più grandi (ad es. serie 80) nell’ambito di applicazione in questione.

Tutto sommato, un triplice balzo in avanti in termini di progresso. In alcuni ambiti, questo fenomeno viene anche definito «hat-trick».