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quinta-feira, 26 de março de 2015

Sobre Motocicletas, Triciclos, Scooters, Bicicletas, Skates e Patinetes Elétricos (Parte 1/3)


Graças a colaboração de um amigo foi que eu entendi que, a partir de um dado momento, também a indústria associada ao Aeromodelismo e a Robótica com Rádio Controle está servindo de apoio para ajudar a acelerar o desenvolvimento da tecnologia dos Veículos Elétricos (VEs).

Obviamente que não se trata, a princípio, de uma ajuda para se construir carrões como os da Tesla Motors, nem tão pouco como o menor, e popular, Nissan LEAF, mas, sim, de dispositivos de mobilidade ainda menores, e mais simples, tais como patinetes, skates, bicicletas, scooters, triciclos, ou mesmo motocicletas elétricas.

O que possibilita que os dispositivos de aeromodelismo sejam empregados também em pequenos veículos elétricos são vários fatores, que vão desde de o desenvolmento de novas baterias baseadas em Lítio, mas também de novas arquiteturas de motores CC sem escovas, e de drives (acionadores) versáteis, eficientes, de tamanhos compactos e fáceis de usar para estes novos motores, que podem possibilitatar, inclusive, (ainda que isso não seja um caso comum) a regeneração de energia, tal como ela qual ocorre em VEs de maior porte.

Embora o termo "motor driver" seja de emprego mais amplo e antigo, o pessoal aficcionado em aeromodelismo tem usado um termo novo para designar estes dispositivos, tratando-os pelo termo "ESC".

O que a sigla ESC significa? 

ESC é um acrônimo para "Electronic Speed Controller", ou seja, Controlador Eletrônico de Velocidade: um acionador / controlador de motor que permite variação de velocidade. Um ESC é necessário para se executar um motor, em geral motores sem escovas (brushless) são acionados por ESC. Eles são fabricados em certos valores padronizados para a gama de corrente máxima, em geral 50A/60A/70A/80A/100A/125A/200A.

Certifique-se de selecionar o ESC que você está aviando tem a caracteristica de corrente máxima (AMP 'A' rating) mais elevada do que aquela que diz respeito à carga máxima admitida pelo que você está empregando. Se o motor é um motor 50A, verifique se o ESC pode lidar com, pelo menos, 10% a mais do que 50A ou mais amperes (o ideal é 20% a mais).

Precisa tomar o cuidado de confundir as especificação, pois, um ESC com saída para até 125A constante, por exemplo, pode fornecer, transitoriamente, até 200A (corrente de pico), mas apenas por um intervalo de tempo limitado, em geral de até 10 segundos.

Estas mesmas considerações devem ser levadas em consideração ao se planejar o pacote de baterias, ou seja, o arranjo de pilhas deve ter uma qualidade tal, que permita lidar com a carga máxima do conjunto Motor / ESC, sem deixar cair demais a tensão fornecida, nem sobreaquecer.

Um destaque no mercado é para os produtos da Turnigy e da HobbyKing (Red Brick ESC), como o que aparece na foto acima), que, se não vai ganhar o primeiro lugar para o quesito estilo, eles têm os melhores pontos para a simplicidade e a confiabilidade. Com um conjunto básico de programação que estes ESCs apresentam, eles se tornam uma solução perfeita para quem procura um controlador de velocidade robusto e, ainda assim, básico.

O Red Brick ESC, por exemplo foi projetado com a dissipação de calor em mente. com um excesso de alumínio tamanho do dissipador de calor para os FETS, e dissipador de calor individual para o MCU o Red Brick ESC  é um pouco maior do que muitos ESC em sua classe, no entanto, este compromisso em tamanho é destinado a ajudar a eliminar os problemas associados com sobre-aquecimento.
Características:
  • Resposta de aceleração linear e suave;
  • Utiliza MCU (Microprocessor Control Unit) poderosa, de alta performance;
  • Funções de auto-proteção múltiplas:
    • Tensão de entrada anormal;
    • Sub-tensão da bateria;
    • Sobre-termperatura;
    • Perda de sinal do acelerador.
  • Partida segura: o motor não será executado até que o ESC esteja pronto (armado corretamente).
Especificações:
  • Max corrente: 200A;
  • UBEC (Ultimate Battery Eliminator Circuit): 5V / 5A;
  • Qte de células estimadas (Tensão da bateria Li-Po): 2 ~ 7 (7.4 ~ 25.9V);
  • Tamanho: 65x40x26mm;
  • Peso: 128g ~170g
BEC significa Battery Eliminator Circuit. Nos velhos tempos do aeromodelismo elétrico você tinha que usar uma bateria separada para alimentar o receptor e os servos. Como o hobby evoluiu, os controles de velocidade ESC começaram a incluir o BEC para alimentar o receptor e servos com uma única bateria, livre da necessidade da bateria extra para o receptor.

O BEC é, em geral, um regulador chaveado rebaixador de tensão (regulador "buck" ou "step-down"). Ele toma a tensão da bateria principal, por exemplo, de 11,1 V, e a reduz para baixo, para 5 Volts (por ex.), para alimentar com segurança o receptor e servos.

Em aeromodelismo e afins, os BECs, integrados aos ESCs, passaram a ser praticamente um padrão, pois, em média, o BEC pesa, apenas, de 10 ~ 20 vezes menos do que um pacote de bateria extra para o receptor. Considere, ainda, o incoveniênte que se tinha em se recarregar, também em separado, a bateria extra do receptor. Com um BEC, você só tem que se preocupar em carregar o seu pacote de bateria principal e, em seguida, seu modelo está apto para um voo seguro. A maioria dos ESCs atualmente têm um BEC (linear), ou preferenciamente, um SBEC (ou UBEC, chaveado) de 5V, integrado.

Em geral os ESCs funcionam com tensão de alimentação minima (tensão nominal da bateria) a partir de 2S, tensão que equivale à de duas células de Li-Polímero, associadas em série. Como cada célula Li-Polímero apresenta tensão nominal típoca de 3,7V, então:

2S = 2 x 3,7V = 7,4V

Já, quanto a tensão de alimentação máxima, em geral corresponde a 7S (tensão equivalente a de sete células de Li-ion ou Li-Polímero, em série, ou seja, 25,9V), todavia, existe uma classe especial de ESC, de emprego cada vez mais crescente, denominada HV ESC, que têm capacidade de operar com tensão de bateria de 12S (44,4V), ou mesmo 14S (51,8V), um nível de tensão que já se torna ideal, inclusive, para motocicletas.

Uma caracteristica desejavel dos ESCs (mas que nem todos os ESCs possuem) que ele seja um acionamento regenerativo síncrono. A maioria dos drives de motor usam a topologia de ponte H convencional, que recircula a corrente pelo motor durante cada ciclo de comutação. A solução mais interessante é a que permite retornar a corrente para a bateria, o que resulta em menor consumo médio, uma economia de 10 ~15% de energia.

Isso pode levar a melhorias dramáticas em tempo de execução com consecutivas paradas ou reversão dos sistemas moveiss, como no caso de um robô, ou a colocação de um veículo em condução em um terreno montanhoso. Este esquema também economiza energia, devolvendo a energia indutiva armazenada nas bobinas do motor à bateria cada ciclo de comutação, em vez de queimá-la na forma de calor nos enrolamentos do motor. Isso faz com que a operação parcial do acelerador fique muito eficiente.

A topologia regenerativa significa que as baterias estarão sendo recarregadas, sempre que você comanda seu o motor para frear ou para reverter, enquanto é desejavel, também, que o drive permita a vantagem de executar paradas e reversões rápidas, mas não necessáriamente tão rápidas quanto as que são exigíveis em robótica. Para atender a este quesito, pode-se olhar, também, para a linha de produtos da Dimension Engineering (SyRen), mais especificos para aplicações em robótica, em vez de aeromodelismo.

Outra caracteristica desejável, é que ele opere com uma frequência de chaveamento alta. Selecionando frequência de comutação na gama de ultra-sons (acima da frequência máxima da audição humana) tem-se a vantagem especial de eliminar a radiação acústica desagradável, muito embora sejam raros os ESCs que atendam a este requisito. 

Enquanto para aplicações em robótica seja mais fácil encontrar drives compactos de motores sem escovas que operem em frequência de comutação de até 32 kHz, quando aos ESCs tipicos para aplicação em aeromodelismo, em geral, eles não costumam ir além de 8 kHz (raros operam em 16 kHz ou 24 kHz), e a questão envolvida ai é principalmente a de custo, embora com uma significância cada vez menor.

Algo a se considerar, ainda, é que os drives compactos de motor sem escovas para robótica não costumam trabalhar com tensão de bateria acima de 30V (33.6V máximo absoluto), e esta pode não ser uma tensão alta o bastante, adequada para uma motocicleta de boa potência, enquanto os ESCs, por sua vez, costumam operar com sinal de aceleração transferidos através do sistema opticamente acoplado, para evitar a interferência electromagnética, o que pode ser um vantagem interesante.

Considere, ainda, que se você pretende construir uma motocicleta elétrica com uma potência adequada, é recomendável que você empregue um drive (ou um ESC), com capacidade de saída para, pelo menos, uns 120A contínuo (uns 180A de pico (burst) por até 10 seconds).

Apesar das especificações do ESC e da bateria precisarem estar casadas entre si, ambos têm que ser definidos, de fato, em função do motor a ser empregado. Quando definimos um motor para um sistema motorizado, isso envolve trabalhar com as relações entre três grandezas fisicas associadas à máquina elétrica: Conjugado, Potência e Velocidade.

Não existe apenas um roteiro correto para se proceder a definição da máquina elétrica de um sistema motorizado mas, existem jeitos que podem tornar as coisas mais fáceis, e outros que podem tornar tudo mais complicado.

Você precisa estar consciente, e levar em conta, que ao adquirir as suas peças para um projeto DIY, você eventualmente irá lidar com fornecedores varejistas que têm tanto preocupações, quanto um linguajar, diferente daquelas que você encontra quando lida com vendedores que fornecem peças para projetos industriais.

Também a realidade com respeito a disponibilidade de dados acerca das peças, pode ser bem mais restrititiva quando você lida com os fornecedores de peças para hobbistas, do que aquela que, em geral, é encontrada junto a fornecedores industririas profissionais. Enfim, estes são universos paralelos distintos.

Poucos fornecedores para o mercado de hobby estão preocupados em apresentar especificações detalhadas de seus motores, com recomendações sobre os limites máximos de operação e curvas para diferentes tensões de bateria. Mas nós precisamos conhecer as propriedades físicas e elétricas do nosso motor brushless ou seja, o quão grande, pesado, e poderoso ele é, e quão rápido ele vai transformar o giro da nossa roda em mobilidade, para uma dada tensão de alimentação e carga mecânica que exige esforço para ser movida.

Podemos começar tratando a grandeza velocidade isoladamente (deixando Conjugado e Potência de lado) e, rapidamente, nós podemos chegar números sobre rotação do motor e da roda. Mas, para começar a fazer isso, precisamos, antes, ter decidido que tipo de VE de pequeno porte almejamos construir. Os calculos e as definições podem diferir consideravelmente entre um patinete e uma bicicleta, apenas pelo fato da bicicleta possuir um pedal, por exemplo, Então vamos imaginar que o nosso propósito é o de construir um patinete elétrico (scooter), algo bem assemelhado aos que podemos ver na figura abaixo:

Patinete Elétrico MoTronik Preto 1000W - DropBoards

Esse é um equipamento muito prático, silencioso e econômico, que pode realizar a mobilidade de uma pessoa por diversos tipos de trajetos por asfalto ou por terra, incluindo pistas com uma boa inclinação, oferecendo conforto, boa dirigibilidade e segurança em pistas não muito acidentadas, e para distâncias percorridas não muito longas: você pode mesmo ir ao trabalho, faculdade, mercado, visitar amigos e até passear sem qualquer incômodo, porém nunca trafeguando por rodovias ou estradas.

Este VE de pequeno porte não é um simples Patinete, pois, embora ele se apresente como um diciclo de rodas em linha, devido a configuração pouco ortodoxa, que não é apenas por causa da propulsão elétrica, mas também por causa da instalação do assento que dá conforto ao motorista dele, algo que não é típico dos patinetes originais. Mas ele também não chega a ser, propriamente, uma Scooter, devido ao seu porte extra-pequeno, e por ser bem mais leve, permitindo, inclusive, que ele seja concebido para ser dobrável, para mais fácil transporte, apesar dele poder ser dimensionado para ter uma performance equivalente à uma scooter com MCI (à combustível) de até 50 cc.

Segundo resolução e norma da Contran - Conselho Nacional de Trânsito / Denatran - Departamento Nacional de Trânsito, a designação oficial para este tipo de veículo é "Motoneta", um veículo automotor de duas rodas, dirigido por condutor em posição sentada, providos de motor de propulsão elétrica com potência máxima de até 4 kW, cujo peso máximo incluindo o condutor, (mais passageiro e carga), não exceda a 140 kg e cuja velocidade máxima declarada pelo fabricante não ultrapasse a 50 km/h, e, como tal, está sujeitos aos requisitos de segurança, habilitação, registro e licenciamento previstos.

Antes de mais nada, para quem está sem uma noção de custo, um patinete-scooter desses está sendo vendido, na data de hoje, ao preço unitário de R$ 2.392,90 no boleto bancário, pelo site da loja virtual submarino.com.br. Este é um preço de venda deveras competitivo e, a ideia é que nós tenhamos como desafio realizar um projeto e cosntrição de um assemelhado, sem que, de modo algum, o custo final se iguale ou supere este preço, pois caso contrário, nem mesmo o prazer de se realizar um projeto DIY poderá ser o suficiente para nós encorajar a empreende-lo.

Alegadamente, de acordo com o site de venda, em pista plana, este patinete-scooter é capaz de transportar até 100kg, e atingir uma velocidade de até 42km/h,  e em ladeiras de "inclinação (ascendente) média", ele suporta transportar até 80kg (obviamente que com uma velocidade (muito) menor do que a máxima). No momento, a fim de estabelecer um passo-a-passo, vamos olhar (apenas) para a informação da velocidade máxima almejada (42km/h), enquanto os dados sobre a magnitude da carga a ser movida, por enquanto, pouco nos interessa.

A características das rodas é que elas são identicas (trazeira e dianteira iguais), feitas de alumínio com diâmetro de 4', e utilizam pneus calibráveis com medidas 265 mm x 85 mm. Mais precisamente, eles são pneus off-road 4.10 / 3.50 - 4 de Nylon, que dificilmente encontraremos exatamente igual, mas que, por um preço bastante módico (menos de R$ 34,00), podemos obter um com as mesmas medidas dimensionais, porém feito de material de qualidade um pouco inferior (imagem abaixo, a direita), em lojas especializadas em máquinas.


Os pneus de menor qualidade não significam, necesáriamente, que você terá uma durabilidade menor em uso, apesar desta ser uma tendência que deve, de fato, ser esperada. Todavia, você pode apostar que, o seu dinheiro, iria durar muito menos se você insistisse em querer usar os pneus exatamente iguais aos originais do Patinete Elétrico MoTronik da DropBoards.

O que você não terá, exatamente, são as rodas pneumáticas off-road, que são desnecessárias, até por que, é exagerado você acreditar que a estrutura do scooter (patinete), de fato, possibilite a ele suportar qualquer ambiente off-road que vá além de uma pista feita de calçamento de pedras bem acentadas, ou uma rua de terra pouco esburacada, de ou num campo gramado com topografia sem grandes inclinações.

Em compensação, você terá rodas pneumáticas "cargo speed" de alta estabilidade, resistência a cargas pesadas e com maior movimentação no asfalto, além de alta resistência a desgastes, que permite a rodagem em terrenos e pisos mais abrasivos.

Todavia, no caso de os pneus já virem acompanhado de rodas, é preciso se tomar o cuidade de verificar se estas rodas são, de fato. adequadas: em geral, rodas para aplicação cargo não são construídas com rolamento de esferas, uma caracteristica construtiva que é altamente recomendável para as rodas a serem usadas neste projeto de sccooter, principalmente por causa da relativamente alta velocidadade final almejada.

Escolhido os pneus, então, agora, nós podemos fazer a conversão do movimento linear da scooter (patinete) na pista, em movimento rotativo do eixo da roda, ignorando eventuais deslisamentos que possam ocorrer por falta de aderência na pista, e para o caso da velocidade máxima que pretendemos atingir, que é de 42 km/h.

A circunferência externa do pneu (em metros) é dada por 0,265  π = 0,8325 m e, ao trafegar a 42 km/h, isso equivale a trafegar a 42000  60 = 700 m/min, de modo que, a rotação do eixo da roda deverá ser de 700  0,8325 = 840,8 rpm (rotação  min). Esta informação (840,8 rpm) é a rotação máxima idealizada para a roda, e ela será pertinente para fazermos escolher do motor.

Resumidamente, um motor de CC (Corrente Contínua) converte a corrente elétrica que o alimenta em esforço (torque ou conjugado), enquanto que, a tensão elétrica, é convertida em velocidade (em rotações por minuto ou rpm). O torque (ou cojugado) é o esforço (ou força de torção) medido a uma certa distância radial a partir do centrodo eixo de giro, expressado usualmente em Newtons  metros (Nm). Para muitos mais detalhes veja, também: Conjugado, Potência e Velocidade em Máquinas Elétricas.

Do ponto de vista da velocidade ou rotação, existem dois tipos de motores elétricos adequados para os VEs de pequeno porte: os motores padrão e os motorredutores. Os motores padrão têm eixos diretamente ligados ao rotor do motor, em geral, com velocidades de saída do eixo entre 1800 e 3000 rpm. Já, os motoredutores são dotados de um sistema de transmissão com ingrenagens incorporado a eles que têm a função de reduzir a velocidade (e consequntemente, aumentar o torque, embora que ainda não trataremos do torque), em geral, com velocidades de saída do eixo entre 400 e 500 rpm.

Em tese, poderíamos optar por qualquer uma desses tipos de motores para um VE de pequeno porte, todavia, os motoredutores são mais adequados para as bicicletas elétricas, que têm rodas de aro 16" a 26". Motoredutores tambem podem se aplicar a VEs de pequeno porte com rodas menores, porém, quando somente quando é necessário uma operação em velocidade máxima baixa, e uma grande quantidade de torque para a escalada de subidas mais ingremes, ou quando se dirige por areia ou lama.

No entanto, este não seria o caso de um Kart elétrico, tal como também não é o caso do patinete-scooter elétrico, onde a velocidade final almejada, de 42 km/h, não pode ser considerada baixa, e onde a roda é pequena (de 6" ~ 12"), para os quais, melhor se aplica o emprego de um motor padrão, muito embora, isso não signifique que não teremos um sistema de redução, que se faz necessário pois, a faixa de rotação de 1800 a 3000 rpm do motores existentes não atende a necessidade que temos de uma rotação maxima de algo em torno de 840 ~ 850 rpm na roda tracionada.

Isso significa dizer, que o acoplamento entre o eixo do motor e o eixo da roda não se dará diretamente, mas, através de um sistema de transmissão, em geral empregando uma corrente de aço, uma coroa e um pinhão, tal como, guardadas as devidas proporções, se faz numa bicicleta, ou numa motocicleta, só que sem o emprego de um dispositivo de câmbio de marchas.

Em geral o termo coroa é utilizado para designar a engrenagem motriz (aquela ligada ao eixo do motor), mas este termo também é empregado para designar a engrenagem maior do sistema de transmissão, que é utilizado em conjunto com o pinhão, e está em contraposição ao pinhão. Então o emprego destes termos pode levar a confusões aqui, pois, no caso da scooter, a engrenagem menor é a engrenagem motriz (associada ao eixo do motor), porquanto temos a necessidade de reduzir a velocidade e de aumentar o torque.

Almejar uma velocidade máxima de 42 km/h para uma sccoter pode ser algo que pareça exagerado, pois, alguns projetos de scooter são especificados para uma velocidade máxima de apenas 25 km/h (ou mesmo de 22 km/h). Então, fica a critério do bom senso e do gosto do projestista, especificar a quantidade de dentes da sua própria engrenagem maior (a da roda), a partir da engrenagem que já vem junto com o motor (de 11 dentes) sendo que, quanto maior esse número de dentes da engrenagen da roda, menor será a velocidade, porém, maior sera o torque (melhor perfornmance em pistas de inclinação ascendente).

Se empregarmos um motor padrão de 2750 rpm , onde tenhamos uma engrenagem de 11 dentes acoplado ao seu eixo, por exemplo, precisaremos de uma engrenagem de 36 dentes (uma relação de 1 : 3,27), ligada ao eixo da roda, para termos uma rotação máxima ideal, de 845 rpm, na roda.

Com um Motor Padrão, que já vem preparado com suporte para montagem (4 parafusos) e para o acionamento de uma corrente tracionadora de aço #25, e com um peso de 2,495 kg com o desempenho de um motor de ímã permanente, nós já poderíamos atingir uma boa solução para a motorização, neste projeto.

Olhando em site especializado em suporte para Scooters de Motores Elétricos, eu encontrei um motor assim (mas que não é um motor especifico da área de modelismo), de 36V, 350 W, e ao preço de US $ $74.95 (R$ 239,10 - com US $1 cotado a R$ 3,19), fora o imposto de importação que se paga ao recebê-lo no Brasil. Este motor é, comumente, vendido como peça de reposição compatível com Scooters elétricas diversas, feitas na China, tais como as das marcas Freedom, Sunl, Dolphin, Boreem, E-Scooter, X-Treme, Star II, entre outras marcas e modelos semelhantes.

Mas, porque optar por um motor de tensão de 36V? Em primeiro lugar, simplesmente por se tratar de uma das opções dentro dos padrões de mercado. Em geral, você irá encontrar, com muito mais facilidade e quantidade de oferta, os motores CC sem escovas de tensão de 24V, de 36V e de 48V (para scooters e motocicletas com motor igual ou maior ao equivalente a um motor de 100 cc, pode ser mais adequado um motor elétrico de tensão ainda maior, de 60V).

Por um lado a tensão mais alta é vantajosa, na medida em que, para uma dada mesma potência, o motor de tesão mais alta demandará uma corrente elétrica proporcionalmente menor, e os seus enrolamentos podem, então, ser feitos com fios condutores mais finos. Todavia, a tensão mais altta exige que você precise de um pacote de bateria que requer associar mais células em série, para que, na somatória, atinja o valor da tensão correta. A tensão de 36V exige a associação de 10 células de Li-ion / Li-Polimero, em série (onde 3,7V é a tensão nominal típica por célula, e 10  3,7 = 37 V ).

O motor em questão ainda apresenta a característica de ter a rotação do eixo reversível, quando invertemos a polaridade dos condutores de alimentação. No caso do método de fixação por suporte de montagem não ser a forma mais adequada, existe, ainda, a possibilidade de emprego de um outro motor CC sem escovas com as mesmas caracteristicas eletromagneticas e de desempenho torque / velocidade / potência, porém, com sistema de fixação que é diferente, através de furos roscados de montagem nos discos frontal e traseiro da carcaça do motor.

A montagem por meio desses furos roscados frontais e trazeiros, a pricípio, pode parecer a forma mais adequada, mas, este motor tem as dimensões ligeiramente maiores e, um considerável peso extra (cerca de 1 kg a mais), o que não faz dele um produto mais caro, ao contrário, ele costuma ser mais barato, US $64.95 (R$ 207,20, sem o imposto) e, acredito que ele tenha uma maior demanda de procura.

Bem, mas esta seria a apresentação do que seria, podemos dizer, uma solução convencional para a motorização do patinete-scooter, empregando motores que foram construídos pensando, especificamente, neste tipo de aplicação. Mas existe um outro caminho que nós podemos seguir, e que pode nos levar a uma esperiência interessante. Mas esse outro caminho, no entanto, pode ser também sombrio, principalmente para quem se envereda por ele, pela primeira vez: o emprego em scooters, de motores e de controladores de velocidade que são típicos das aplicações do mundo do aeromodelismo.

Em continuidade, é disso (e muito mais) que trataremos na próxima postagem.

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