Il rotore a magneti permanenti nei motori RC brushless

Ad oggi, nel mondo RC elettrico, ci confrontiamo con 2 principali tipologie di rotori induttori:

rotori a 4 poli ( generalmente per scala 1:8 e 1:5) e rotori a 2 poli (generalmente dalla scala 1:10 in su).

Se nei primi ( a 4 poli) di coppia e di  potenza ce n’è sempre in abbondanza (anche grazie a maggiori voltaggi in alimentazione), e che possiamo muoverci in un range regolamentare spesso ampio che ci consente la semplice sostituzione di tutto il motore con un’altro avente più o meno Kv, nei secondi ( a 2 poli) la cosa si fa un poco più complicatamente ma anche particolarmente interessante.

Infatti, essendo i motori a 2 poli normati e regolamentati  per spiraggio (Turns) ed avendo dimensioni più contenute e voltaggi in alimentazione non elevati, diventa fondamentale riuscire a estrapolare il massimo da essi in quella determinata situazione di gara/pista attraverso una messa a punto perfetta per sfruttare quel preciso range di utilizzo necessario al motore per esprimersi al meglio.

Le aziende mettono così a disposizione sul mercato diversi tipi di rotori proprio per aiutare i piloti nella ricerca della massima performance ; alcuni sono omologati per le gare, altri no , ma sono tutti perfetti per il puro e semplice divertimento.

Ma facciamo un passo indietro e analizziamo bene i principali singoli aspetti: alla fine avremo senz’altro le idee più chiare.

 

COS’E’ L’ALBERO ROTORE A MAGNETI PERMANENTI ?

è l’elemento centrale dei motori elettrici Brushless RC .

 

Sullalbero rotore viene applicato e fissato un cilindro solido, costituito da “terre rare” opportunamente miscelate con metalli, formato per compressione e reso stabile mediante cottura; attualmente per le competizioni si utilizzano leghe di Neodimio/Ferro/Boro, quindi il cilindro è a tutti gli effetti un metallo.

Successivamente, tramite particolari macchinari e processi, questo cilindro viene magnetizzato ad una determinata carica predeterminata.

Una volta bilanciato e controllato nella sua totalità, lo si riveste di uno strato isolante di Nickel, Zinco o di resina epossidica caricata di zinco+rame , o di solo Nickel.

Questo non solo perché sono magneti facilmente lesionabili e molto fragili, ma anche perché altrimenti subirebbero una decomposizione ossidativa rapida che li farebbe , in brevissimo tempo, tornare allo stato iniziale di polvere.

Si è così ottenuto un albero rotore provvisto di un magnete permanente ad elevata coercitivita’ (Hc).

Esistono magneti al neodimio di diversi gradi: il grado è un codice che inizia sempre con la lettera N (abbreviazione di Neodymium) ed è seguito da due cifre ( N27, N30, N33, N35, N38, N40, N42, N45, N48, N50): esso sta ad indicare il prodotto d'energia in MGOe ( Mega Gauss Oersted).

I numeri più bassi hanno "meno forza attrattiva", i più alti hanno una forza maggiore; di contro, più alta è la carica, più è sensibile a perdite a parità di calore.

Un suffisso costituito da una o due lettere dell'alfabeto che sovente segue il numero (M, H, SH, EH, UH , AH) sta ad indicare la cosiddetta “temperatura di Curie”, raggiunta la quale i magneti si smagnetizzano in maniera irreversibile.

Se non riportata alcuna lettera, il limite di temperatura d’esercizio del magnete è da sottointendere come Max 70/75º ; il fatto che alcuni tipi di magneti possano sopportare anche svariate decine di gradi in più, non ci esime dal dimenticare di salvaguardare anche le altre componenti che non sopporterebbero l’intenso calore prodotto.

POSIZIONAMENTO E AVVERTENZE

Sottoposto a regimi particolarmente elevati di velocità e coppia che il motore stesso trasmette agli elementi a valle, richiede che tutte le componenti che lo ospitano debbano combaciare con precisione, e che rechino tolleranze sì ridotte, ma sufficienti a garantire prestazioni ed affidabilità; risulta quindi molto importante ( in fase di produzione) ispezionare ciascuna di esse per garantirne la massima qualità.

Lo stesso vale quando ci approntiamo ad una revisione per pulizia, o per la sostituzione dei cuscinetti di banco, o quando sostituiamo il rotore; queste operazioni relativamente semplici, devono sempre essere seguite da un’attento riassemblaggio verificando sempre centratura e parallelismo del sistema assiale rotorico rispetto ai cuscinetti di banco, nonché le giuste tolleranze con le componenti che lo ospitano.

QUALE ROTORE SCEGLIERE?

La risposta è conseguente agli EFFETTI DEI MAGNETI DEL ROTORE

In linea generale:

Maggiori sono le “misure targa” di diametro esterno, di spessore del magnete e della sua lunghezza , maggiore sarà la coppia che produrrà e con meno RPM.

Minori sono le misure di diametro esterno, di spessore del magnete e della sua lunghezza,  minore sarà la coppia che produrrà e con più RPM.

Siccome è possibile “caricare a piacimento” un metallo, può accadere che a pari dimensioni, si possano ottenere diversi magneti con diverse intensità magnetiche; generalmente, il volume del magnete ha sempre maggiore rilevanza rispetto alla forza di magnetizzazione attribuita.

A parità di magnetizzazione attribuita, un magnete più grande sarà sempre più potente rispetto ad uno più piccolo.

Quindi è più preciso affermare che:

più elevata è la forza del magnete del rotore ( valore espresso in GAUSS), più coppia produrrà e con meno RPM ; più debole è la forza del magnete del rotore, meno coppia produrrà ma con più RPM.

Il gauss (simbolo G) è l'unità di misura del campo magnetico, indicato anche come "densità di flusso magnetico" o "campo di induzione magnetica".

LE BASI PER SOSTITUIRE UN ROTORE:

Il rotore è chiuso dalla cassa, e già in fase di produzione è contemplato un “gioco assiale”; se afferriamo con le dita il pignone, spingendo e tirando ci possiamo rendere conto che esiste uno spazio di movimento tra una battuta e l’altra, che altro non è che una tolleranza progettuale al fine di evitare strisciamenti, frenature o, peggio ancora, blocchi del rotore; questa tolleranza è soggettiva e può variare da un minimo di 4/5 decimi di mm. fino ad un max di 2 mm. .

Al contrario dei motori Brushed, dove si cerca la massima prestazione contenendo al massimo il posizionamento del rotore indotto rispetto alle spazzole ( tolleranze assiali di 2/3 decimali), nei brushless non ci sono particolari controindicazioni tecniche in quanto l’allontanamento o l’avvicinamento al punto massimo di forza magnetica generata dai solenoidi, influisce esclusivamente sulla tipologia di coppia, lasciando la potenza massima del motore inalterata; questo spiega perché spesso il gioco assiale è spesso ben superiore al millimetro già in fase di produzione, preferendo prevenire problemi di battuta per surriscaldamento o da sollecitazioni esterne ( vedi off-road).

Se il motore e’ riassemblato correttamente, durante il suo funzionamento è poco probabile che il rotore possa scorrere sul suo asse: infatti, appena il rotore inizia a girare, trova la sua posizione naturale data dai campi magnetici generati dallo statore ( autocentramento), fatto salvo che, un’errata interposizione degli spessori non vada ad impedirne il naturale posizionamento; in questo caso gli effetti negativi possono essere deleteri non solo sulle prestazioni, ma proprio sulla affidabilità dei componenti che, sotto stress meccanico e per temperature elevate autogenerate da super attrito, andranno certamente incontro a perdite di efficienza e/o rotture.

Se desideriamo ottenere un cambio di regime di rotazione e di coppia, e non si è certi di quello che stiamo facendo, piuttosto che decentrare dal punto 0 di max forza magnetica, è sempre preferibile sostituire il rotore scegliendolo tra i vari sostituti in base alle caratteristiche desiderate ( very high rpm, high rpm, standard, standard Torque, high Torque, max Torque).

Il rotore può scorrere sul suo asse durante l’uso intenso?

Sappiamo che l’utilizzo di un pignone a denti dritti è una scelta dei produttori che si avvantaggiano di maggiori prestazioni in termini di basso attrito ed alta scorrevolezza; ma la scelta è legata sopratutto ad un fattore ben più importante per i progettisti e poco considerata dai piloti , ovvero, che gli ingranaggi a denti dritti non generano forze importanti lungo l'asse, tanto che i piccoli movimenti derivanti, sono ampiamente contenuti dal campo magnetico in atto.

Come possiamo spessorare il rotore di un motore brushless?

 

Vanno utilizzati i rasamenti appositi forniti dai produttori in diversi spessori, e li andremo ad interporre tra le spalle del rotore ed i cuscinetti di banco nel modo che riterremo più opportuno; possono essere rondelle di ottone, di teflon  o O-Ring in gomma (elastomeri fluorurati) ad alta prestazione.

Infatti, nel caso di scelta di giochi ridotti a pochi decimi, o quando decentriamo il rotore dal campo magnetico statorico, è altamente consigliato interporre tra i rasamenti metallici questi speciali O-Ring.

Questo perché gli O-Ring oltre a generare spessore, garantiscono anche una importante protezione in caso di contatto assiale delle componenti; essendo per l’appunto elementi elastici, quando sottoposti ad una eventuale forza di compressione, sono in grado di rilasciare spazio utile al movimento quando necessario.

l momenti più critici per il rotore sono nell'avvio ed al massimo dei giri.

 

GM 2023