Volt, Watt, Ampere, Motori, ESC, Eliche, etc... come dimensionarli?

[Hydromiterc2motori]

Originalmente inviato da CarloRoma63

Scrivo questa breve guida dopo che sono stai postati una serie di messaggi quasi tutti uguali, in cui si chiede come dimensionare i vari componenti.
Questa guida vuole essere per i neofiti, gli esperti mi perdoneranno eventuali approssimazioni.

Partiamo dall'esigenza di far muovere uno scafo, sia esso un barchino da pesca , una riproduzione di un rimorchiatore o un piccolo scafo da corsa. Per far muovere uno scafo occorre applicargli una forza nella direzione opportuna: da dietro (poppa) verso avanti (prua). Questo compito viene svolto dall'elica. Senza entrare in dettagli tecnici, un'elica produce la spinta facendo muovere, nel senso inverso alla spinta da generare, una certa quantità di acqua ad una certa velocità. Quanta acqua viene spostata ed a quale velocità dipende da tre fattori: diametro dell'elica, il suo passo e la velocità a cui la facciamo girare. Il passo è normalmente fisso, normalmente varia tra 1 e 1,4 a seconda del tipo di elica, rimangono da definire gli altri due parametri: diametro e numero di giri. Per muovere uno scafo lento e pesante avremo bisogno di molta spinta a bassa velocità, quindi elica grande e pochi giri al minuto. Viceversa, per muovere uno scafetto leggero e veloce avremo un'elica più piccola ma un numero di giri molto elevato.
In entrambi i casi, l'elica fornisce allo scafo una spinta e richiede una certa potenza per essere mossa. Nel nostro mondo, la potenza si misura in WATT (W), nelle barche fullsize si misura in CavalliVapore (HP), dove un HP corrisponde a c.ca 730W.

Facendo un primo esempio pratico, diciamo che l'elica del nostro modello richiede 200W di potenza a 10.000 giri/minuto. Questa potenza viene erogata dalla batteria e convertita da energia elettrica ad energia meccanica dal motore, il quale richiede l'utilizzo di un regolatore particolare, l'ESC, che provvede sia a regolare la potenza fornita al motore che a trasformare la corrente continua della batteria in corrente alternata trifase necessaria al motore (solo per motori brushless).
Ricordiamoci sempre che lo scopo è di fornire 200W di potenza all'elica, quindi tutto il sistema dovrà essere dimensionato in base a questo parametro.
L'elica viene mossa dal motore, al quale è collegata attraverso l'albero di trasmissione. Questo organo meccanico introduce una leggera dispersione di potenza (sotto forma di attrito), che possiamo quantificare approssimativamente in un 10%. Quindi il motore dovrà erogare non 200W ma 220W. Il motore dovrà erogare questa potenza al numero di giri richiesto dall'elica, il che ci da già una indicazione di un parametro fondamentale nella scelta del motore: il KV, ovvero il numero di giri che fa il motore quando viene alimentato da una tensione di 1 Volt. Supponiamo quindi di voler alimentare il nostro motore con una batteria S2, quindi da 7,4V nominali. Il KV del motore dovrà essere 10000/7,4= circa 1350, che prudenzialmente abbasseremo a 1250-1300, in modo da poter compensare le perdite di tensione introdotte dal sistema di alimentazione.
Anche il motore introdurrà delle perdite di potenza, in parte dovute ad attriti meccanici ed in parte a "dispersioni" (passatemi il termine non proprio corretto) elettriche. Valutiamo queste perdite in un 20%, quindi i 220W erogati alla trasmissione richiedono 264W in elettricità. Dovendo alimentare il motore con un ESC, aggiungiamo un ulteriore 10% di perdite su quest'ultimo. I Watt richiesti alla batteria diventano quindi 290. Avendo definito che la tensione di alimentazione è di 7,4V, la corrente che la batteria dovrà erogare sarà 290W/7,4V=39,4A, che arrotonderemo a 40. E' importante notare che questa corrente arriverà al motore attraversando l'ESC, quindi tutti e tre gli elementi (compresi i cavi ed i relativi connettori) dovranno essere in grado di sopportarla. Come norma precauzionale, diciamo di darci un 20% di margine di sicurezza, quindi sia il motore che l'ESC che la batteria dovranno essere in grado di sopportare 50A.
Supponiamo adesso di volere una autonomia di 10 minuti alla massima potenza. Sempre usando il valore di corrente più prudenziale (50A), vediamo che ci occorre una batteria in grado di erogare (50A/60minuti)*10minuti=8300mAh (milliampere per ora). Dividendo i 50A richiesti per la capacità della batteria (8,3Ah) otteniamo il fattore C minimo, che in questo caso è circa 6. Visto che la maggior parte delle batterie eroga almeno 20C, questo parametro non è per noi un problema e qualsiasi batteria ci andrà bene.

Inutile dire che i vari fattori di correzione che ho usato sono approssimativi, dipendono molto dalla qualità dei componenti, dalla loro configurazione, dalla precisione del montaggio, etc etc. Il mio discorso è quindi sostanzialmente qualitativo.

Sperando di aver fatto cosa gradita ai neofiti, mi scuso ancora con i più esperti per le approssimazioni introdotte.

Carlo

ottima guida!

secondo me un neofita dovrebbe impararlo a memoria prima di cominciare, direi che ci sono già tutte le informazioni utili necessarie per cominciare a ragionare di testa propria ed iniziare a porsi 4 se e 4 ma riguardo cosa scegliere!

great job!

bella anche l'idea della banca dati! si potrebbe elaborare un file excel con formule standard che diano come risultato una configurazione ottimale in base alle informazioni inserite, sarebbe molto utile!

[CarloRoma63]

Originalmente inviato da Hydromiterc2motori

ottima guida!

secondo me un neofita dovrebbe impararlo a memoria prima di cominciare, direi che ci sono già tutte le informazioni utili necessarie per cominciare a ragionare di testa propria ed iniziare a porsi 4 se e 4 ma riguardo cosa scegliere!

great job!

bella anche l'idea della banca dati! si potrebbe elaborare un file excel con formule standard che diano come risultato una configurazione ottimale in base alle informazioni inserite, sarebbe molto utile!

Ti ringrazio.
Le formule matematiche sono troppo complesse per essere applicabili ad uno scafo, ci sono troppe variabili. Conviene quindi semplificare l'intero sistema e vederlo "a blocchi".
Nella guida ho spiegato come si ragiona per la parte elettrica. Volutamente non sono entrato in materia di scafi in quanto non ho l'esperienza necessaria, ma alcune cose sulle eliche le posso comunque aggiungere.

Abbiamo detto che un'elica è caratterizzata da due parametri fondamentali: il passo ed il diametro.
Il passo consiste nell'avanzamento (definito "teorico") che farebbe l'elica se si avvitasse in un fluido gelatinoso. In un'elica ideale, il passo corrisponderebbe a quanto sposterebbe all'indietro l'acqua per ogni suo giro. Nelle eliche reali abbiamo un effetto chiamato "regressione" o "slittamento", che indica quanto l'elica "slitta" nell'acqua. Questo parametro, minore di 1, non è costante, dipende molto da come l'elica è montata, dalla sua velocità, dal numero di pale, etc etc. A noi basta sapere che l'acqua verrà spostata all'indietro di una certa percentuale del passo dell'elica. Il passo si misura come rapporto tra l'avanzamento teorico dell'elica ed il suo diametro. Un'elica con passo 1 e diametro di 40 mm avanzerà di 40mm, se avesse passo 1,4 avanzerebbe di 56 mm.
Il diametro dell'elica determina, assieme al suo passo, la quantità di acqua che verrà spostata per ogni suo giro.
Sapendo che la potenza si esprime come massa per velocità, possiamo dire che la potenza esercitata dall'elica all'acqua è proporzionale sia al diametro che al passo che al numero di giri.
Senza entrare nei meandri della matematica, nel caso di eliche immerse si dimostra facilmente che la potenza aumenta con il quadrato del passo, con il quadrato della velocità e con il cubo del diametro.

La scelta dei parametri passo, diametro e velocità dell'elica dipendono dal tipo di scafo e dal tipo di prestazioni che si vogliono ottenere. Uno scafo veloce avrà necessariamente bisogno di un'elica che produca un avanzamento nell'acqua molto lungo, in quanto la velocità reale dell'acqua spostata sarà quella teorica dell'elica, moltiplicata per il fattore di slittamento (ricordo che è minore di 1) a cui va sottratta la velocità dello scafo. E' evidente che se voglio uno scafo che vada a 50 km/h non posso usare un'elica che produca una velocità dell'acqua di soli 40 km/h, se mi basta una velocità dello scafo di 10 km/h potrò anche usare un'elica che mi produca una velocità dell'acqua di soli 30 km/h.
Definita la velocità di spostamento dell'acqua, dobbiamo definire quanta acqua deve essere spostata a quella velocità. Per calcolarci questo numero dovremmo sapere (avendo la sfera di cristallo o avendo studiato ingegneria navale ) quanta potenza assorbe il nostro scafo a quella velocità. Facciamo finta che scopriamo di aver bisogno di 200W, sapendo di dover spostare l'acqua a 30 km/h (per un nostro rimorchiatore, ad esempio) applicheremo le leggi della fisica (che ora non ricordo con precisione, consultate i vostri libri di fisica per i dettagli) e scopriremo quanti chili (o litri, visto che praticamente coincidono) di acqua dovremo far spostare alla nostra elica ogni secondo. Da questa quantità otteniamo infine il diametro dell'elica.

In linea di massima possiamo dire che per scafi lenti, più è pesante lo scafo e più l'elica serve grande (a parità di velocità dello scafo, bassi regimi di rotazione dell'elica ed eliche con passo corto), per scafi veloci avremo eliche piccole con grandi passi e numero di giri molto più elevato.

Come vedete, non esiste una formula semplice e certa per calcolare questi parametri, le variabili di cui tenere conto sono una enormità. Vale quindi la regola d'oro di vedere cosa usano gli altri su scafi simili al vostro, sapendo però adesso come agire per ottimizzare questo o quel dettaglio sul vostro scafo.

Carlo

[Milione]

bravo carlo,ottimo

[Milione]

in poche parole fate delle prove,e quando avranno soddisfatto le vostre esigenze,allora sarete a posto...

[CarloRoma63]

Originalmente inviato da Milione

in poche parole fate delle prove,e quando avranno soddisfatto le vostre esigenze,allora sarete a posto...

Vero, però un conto è fare le prove "a casaccio", un conto è sapere cosa può succedere modificando questo o quel parametro o, meglio, sapere cosa andare a modificare per cercare un certo risultato.

Carlo

[banana1965]

ciao mi chiamo luigi ho dei problemi con il mio cataamarano dessperado ho visto un video con un ragazzo di roma che si chiama rudy oppure pippuz 76 qualcuno lo conosce min puo far mettere in contatto con lui ha messo un video su youyube in video desperado vi ringrazio anticipatamente luigi

[kitaro]

Bella guida

quindi facciamo una prova per vedere se l'avete capita

1) scafetto da 600mm
2) elica bipala (originale 45mm ma variabile in base Vs. risultati)
3) peso scafo ca. 800g
4) motore originale SPEED 600 raffreddato con spiralina
Caratteristiche Tecniche:
Peso g 195
Dimensioni Ø 35,7x57 mm
Diam. albero 3,17 mm
Tensione nominale 7,2 V
Giri 18200
Assorbimento 12 A
Efficienza 69%
5) Batterie LiPo 3200 (o altro da Voi calcolato) 2s (o 3s se voluto)
6) ESC di serie 30A non raffreddato

ecc..... vediamo le alternative usando un Brushless e rimanendo sulle 2 o 3 cella

grazie

[Mbrieli95]

Originalmente inviato da CarloRoma63

Scrivo questa breve guida dopo che sono stai postati una serie di messaggi quasi tutti uguali, in cui si chiede come dimensionare i vari componenti.
Questa guida vuole essere per i neofiti, gli esperti mi perdoneranno eventuali approssimazioni.

Partiamo dall'esigenza di far muovere uno scafo, sia esso un barchino da pesca , una riproduzione di un rimorchiatore o un piccolo scafo da corsa. Per far muovere uno scafo occorre applicargli una forza nella direzione opportuna: da dietro (poppa) verso avanti (prua). Questo compito viene svolto dall'elica. Senza entrare in dettagli tecnici, un'elica produce la spinta facendo muovere, nel senso inverso alla spinta da generare, una certa quantità di acqua ad una certa velocità. Quanta acqua viene spostata ed a quale velocità dipende da tre fattori: diametro dell'elica, il suo passo e la velocità a cui la facciamo girare. Il passo è normalmente fisso, normalmente varia tra 1 e 1,4 a seconda del tipo di elica, rimangono da definire gli altri due parametri: diametro e numero di giri. Per muovere uno scafo lento e pesante avremo bisogno di molta spinta a bassa velocità, quindi elica grande e pochi giri al minuto. Viceversa, per muovere uno scafetto leggero e veloce avremo un'elica più piccola ma un numero di giri molto elevato.
In entrambi i casi, l'elica fornisce allo scafo una spinta e richiede una certa potenza per essere mossa. Nel nostro mondo, la potenza si misura in WATT (W), nelle barche fullsize si misura in CavalliVapore (HP), dove un HP corrisponde a c.ca 730W.

Facendo un primo esempio pratico, diciamo che l'elica del nostro modello richiede 200W di potenza a 10.000 giri/minuto. Questa potenza viene erogata dalla batteria e convertita da energia elettrica ad energia meccanica dal motore, il quale richiede l'utilizzo di un regolatore particolare, l'ESC, che provvede sia a regolare la potenza fornita al motore che a trasformare la corrente continua della batteria in corrente alternata trifase necessaria al motore (solo per motori brushless).
Ricordiamoci sempre che lo scopo è di fornire 200W di potenza all'elica, quindi tutto il sistema dovrà essere dimensionato in base a questo parametro.
L'elica viene mossa dal motore, al quale è collegata attraverso l'albero di trasmissione. Questo organo meccanico introduce una leggera dispersione di potenza (sotto forma di attrito), che possiamo quantificare approssimativamente in un 10%. Quindi il motore dovrà erogare non 200W ma 220W. Il motore dovrà erogare questa potenza al numero di giri richiesto dall'elica, il che ci da già una indicazione di un parametro fondamentale nella scelta del motore: il KV, ovvero il numero di giri che fa il motore quando viene alimentato da una tensione di 1 Volt. Supponiamo quindi di voler alimentare il nostro motore con una batteria S2, quindi da 7,4V nominali. Il KV del motore dovrà essere 10000/7,4= circa 1350, che prudenzialmente abbasseremo a 1250-1300, in modo da poter compensare le perdite di tensione introdotte dal sistema di alimentazione.
Anche il motore introdurrà delle perdite di potenza, in parte dovute ad attriti meccanici ed in parte a "dispersioni" (passatemi il termine non proprio corretto) elettriche. Valutiamo queste perdite in un 20%, quindi i 220W erogati alla trasmissione richiedono 264W in elettricità. Dovendo alimentare il motore con un ESC, aggiungiamo un ulteriore 10% di perdite su quest'ultimo. I Watt richiesti alla batteria diventano quindi 290. Avendo definito che la tensione di alimentazione è di 7,4V, la corrente che la batteria dovrà erogare sarà 290W/7,4V=39,4A, che arrotonderemo a 40. E' importante notare che questa corrente arriverà al motore attraversando l'ESC, quindi tutti e tre gli elementi (compresi i cavi ed i relativi connettori) dovranno essere in grado di sopportarla. Come norma precauzionale, diciamo di darci un 20% di margine di sicurezza, quindi sia il motore che l'ESC che la batteria dovranno essere in grado di sopportare 50A.
Supponiamo adesso di volere una autonomia di 10 minuti alla massima potenza. Sempre usando il valore di corrente più prudenziale (50A), vediamo che ci occorre una batteria in grado di erogare (50A/60minuti)*10minuti=8300mAh (milliampere per ora). Dividendo i 50A richiesti per la capacità della batteria (8,3Ah) otteniamo il fattore C minimo, che in questo caso è circa 6. Visto che la maggior parte delle batterie eroga almeno 20C, questo parametro non è per noi un problema e qualsiasi batteria ci andrà bene.

Inutile dire che i vari fattori di correzione che ho usato sono approssimativi, dipendono molto dalla qualità dei componenti, dalla loro configurazione, dalla precisione del montaggio, etc etc. Il mio discorso è quindi sostanzialmente qualitativo.

Sperando di aver fatto cosa gradita ai neofiti, mi scuso ancora con i più esperti per le approssimazioni introdotte.

Carlo

Ciao Carlo, anch'io sono un neofita ed ho progettato il mio primo modello da realizzare.
In questo momento mi stavo occupando della dimensionalizzazione del motore.
Nella guida iniziare che hai scritto descrivi molto bene la fase di scelta della batteria e del motore partendo dall'esempio in cui ti servono 200 W all'elica per muovere lo scafo.
Quello che voglio sapere io riguarda tutta la parte precedente alla determinazione delle 200 W sull'elica.
Nello specifico, quello che voglio chiedere a tutti voi sul forum è:
Partendo da uno scafo noto, di cui conosco il peso, il volume di carena e la velocità alla quale voglio farlo andare, come stabilisco tutti i parametri sull'elica (numero di giri, velocità angolare, passo ecc)?
Per poi passare alla determinazione del motore e quindi della batteria come nel tuo post iniziale.
Io sono uno studente di ingegneria meccanica e come tesi ho sviluppato questo drone che si muove sull'acqua, mi resta solo da dimensionare la motorizzazione e spero che voi riusciate a darmi una risposta.

Ringrazio molto per l'attenzione, ogni risposta è la ben venuta.

[CarloRoma63]

Originalmente inviato da Mbrieli95

Ciao Carlo, anch'io sono un neofita ed ho progettato il mio primo modello da realizzare.
In questo momento mi stavo occupando della dimensionalizzazione del motore.
Nella guida iniziare che hai scritto descrivi molto bene la fase di scelta della batteria e del motore partendo dall'esempio in cui ti servono 200 W all'elica per muovere lo scafo.
Quello che voglio sapere io riguarda tutta la parte precedente alla determinazione delle 200 W sull'elica.
Nello specifico, quello che voglio chiedere a tutti voi sul forum è:
Partendo da uno scafo noto, di cui conosco il peso, il volume di carena e la velocità alla quale voglio farlo andare, come stabilisco tutti i parametri sull'elica (numero di giri, velocità angolare, passo ecc)?
Per poi passare alla determinazione del motore e quindi della batteria come nel tuo post iniziale.
Io sono uno studente di ingegneria meccanica e come tesi ho sviluppato questo drone che si muove sull'acqua, mi resta solo da dimensionare la motorizzazione e spero che voi riusciate a darmi una risposta.

Ringrazio molto per l'attenzione, ogni risposta è la ben venuta.

Personalmente, la mia risposta la trovi al post 19 di questa discussione, di più non so dirti. Visto che sei ingegnere meccanico, hai sicuramente conoscenze più approfondite delle mie su come calcolare la potenza necessaria, che è il primo parametro che devi cercare. Se non hai queste conoscenze, prova a cercare sui testi dell'istituto nautico, magari li ci trovi qualcosa.

Carlo

[blaky]

scusate ma se ho uno scafo di un metro di lunghezza e voglio che vada almeno a 80 km orari , prima cosa devo sapere che elica devo mettere e quanti giri al minuto deve fare x spingere lo scafo a 80 km/h
su cosa devo basarmi x sapere il diametro giusto dell'elica ?
quanti giri deve fare l'elica ?
quanti wat servono x girare a quella velocità ?
come faccio a calcolare tutto questo ?