Perché i motori brushless hanno un rating kv?

Mi chiedo perché i motori brushless, come quelli usati per i quadrotori, abbiano una potenza in kv, che presumibilmente significa RPM per tensione sul motore. Quindi un motore da 2300 kv gira a 2300 rpm se "1 volt è applicato" ad esso.

La parte tra parentesi non ha senso per me. Un ESC genera corrente trifase CA. E da quanto ho capito, la frequenza della forma d'onda CA determina completamente la velocità del motore e l'ampiezza (tensione di picco meno tensione di depressione) della forma d'onda è più o meno costante. A me sembra che la tensione non abbia davvero nulla a che fare con la determinazione della velocità di un motore senza spazzole.

L'uscita della coppia di un motore elettrico è direttamente proporzionale alla corrente del motore (non alla tensione!) E la corrente (I) è approssimativamente uguale a

Dove V è la tensione di alimentazione del motore, R è la resistenza dell'avvolgimento e ε è la forza elettromotrice (retro EMF).

KV e ritorno EMF

L'EMF posteriore è la tensione che sarebbe presente ai terminali del motore mentre il motore gira senza che nulla sia collegato ad esso. Questa tensione è prodotta dal motore che agisce da alternatore, se lo si desidera, ed è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione. Il rating KV non è altro che un altro modo per stabilire la relazione tra velocità di rotazione e EMF posteriore (KV ≈ RPM / ε). Limita la velocità massima del motore a una determinata tensione della batteria, poiché a una velocità dipendente da KV il back-EMF "annulla" la tensione della batteria. Ciò impedisce a qualsiasi altra corrente di fluire al motore e quindi riduce la coppia a zero.

Alla prima accensione del motore, la velocità è zero. Ciò significa che anche l'EMF posteriore è zero, quindi le uniche cose che limitano la corrente del motore sono la resistenza dell'avvolgimento e la tensione di alimentazione. Se il controller del motore (ESC) dovesse trasmettere tutta la tensione della batteria al motore a basse velocità, il motore e / o ESC si scioglierebbero.

Tensione, frequenza, acceleratore e velocità

Negli schemi di controllo del motore brushless ad anello chiuso la velocità del motore (di cui la frequenza di uscita è una funzione) non è controllata direttamente. L'acceleratore controlla invece la tensione di uscita e l'ESC regola continuamente la frequenza di uscita in risposta allo sfasamento tra l'angolo del rotore e la forma d'onda dell'azionamento. La fase dell'EMF posteriore indica agli ESC sensorless direttamente l'angolo corrente del rotore, mentre gli ESC sensorizzati usano sensori ad effetto hall per lo stesso scopo.

Fare le cose al contrario (impostando direttamente la frequenza e controllando la tensione in risposta allo sfasamento misurato) diventerebbe un atto di bilanciamento fine:

• L'impostazione di una tensione troppo bassa consentirebbe di fluire troppo poca corrente, limitando la coppia. Se la coppia diminuisce ma il carico rimane costante, il motore deve rallentare, con conseguente perdita immediata della sincronizzazione.

• Una tensione eccessiva causerebbe un flusso eccessivo di corrente, sprecando energia e riscaldando inutilmente il motore e l'ESC.

Pertanto, il punto di efficienza ottimale è instabile con il controllo "frequenza prima". Un circuito di controllo potrebbe mantenerlo vicino, ma se l'ESC non è in grado di reagire abbastanza velocemente, si verificherà una perdita di sincronizzazione del carico transitorio. Questo non è vero per il controllo "tensione prima", in cui un transitorio di carico provocherà solo una momentanea riduzione della velocità senza effetti negativi.

Gli ESC utilizzati negli elicotteri RC a passo collettivo hanno spesso una funzione "regolatore", che mantiene una velocità del motore fissa proporzionale all'impostazione dell'acceleratore. Anche questi ESC in realtà non controllano direttamente la frequenza, implementando invece un controller PID che imposta la tensione in risposta alla differenza tra la frequenza desiderata e quella effettiva.

ESC "tempismo"

L'impostazione della fasatura del motore degli ESC regola il setpoint di questo sfasamento meccanico-elettrico: una fasatura elevata indica che l'uscita ESC conduce la posizione del rotore rilevata di ad esempio 25 gradi, mentre con una fasatura bassa questo sfasamento viene mantenuto molto più vicino allo zero. Un'impostazione di temporizzazione elevata produce più potenza in modo meno efficiente.

momento torcente

Gli ESC RC normali non possono eseguire il controllo costante della coppia o la limitazione della coppia, poiché mancano di circuiti di rilevamento della corrente come misura di riduzione di costi e peso. L'uscita della coppia non è controllata in alcun modo; il motore produce solo tanta coppia (e assorbe proporzionalmente tanta corrente) quanto il carico richiede ad una determinata velocità. Al fine di evitare che i pugni rapidi dell'acceleratore sovraccarichino l'ESC, la batteria e / o il motore (poiché il superamento dell'inerzia produce una coppia potenzialmente illimitata), gli ESC di solito hanno limiti all'accelerazione e alla tensione a una determinata frequenza.

frenata

Se il motore continua a girare con mezzi esterni mentre la tensione viene ridotta, alla fine l'EMF posteriore diventerà più grande del livello che l'ESC tenta di guidare. Ciò provoca corrente negativa e frena il motore. L'elettricità così prodotta viene o dissipata nelle bobine del motore o reimmessa nell'alimentatore / batteria, a seconda della modalità di decadimento PWM utilizzata.

Un ESC genera corrente trifase CA. E da quanto ho capito, la frequenza della forma d'onda CA determina completamente la velocità del motore e l'ampiezza (tensione di picco meno tensione di depressione) della forma d'onda è più o meno costante. A me sembra che la tensione non abbia davvero nulla a che fare con la determinazione della velocità di un motore senza spazzole.

Scusa, ma è tutto sbagliato. I motori utilizzati nei quadricotteri sono motori DC Brushless (BLDC), equivalenti a un motore DC brushed ma con commutazione elettronica.

La velocità del motore è determinata dalla tensione ('back-emf') generata dal motore mentre gira, non dalla frequenza di commutazione (che deve seguire in fase di blocco con la rotazione del motore o non gira). I motori BLDC hanno magneti permanenti, quindi il back-emf è direttamente proporzionale ai giri / min. Back-emf è uguale alla tensione applicata meno la caduta di tensione attraverso la resistenza e l'induttanza dell'avvolgimento e il motore accelera o rallenta mentre assorbe la corrente richiesta per produrre la coppia assorbita dal carico, esattamente come un motore DC spazzolato.

L'ESC controlla la velocità del motore variando la tensione applicata ad esso. Di solito questo viene fatto con PWM, quindi la tensione di picco è sempre uguale alla tensione della batteria, ma la tensione media (a cui il motore risponde) varia in base al rapporto di attivazione / disattivazione PWM. L'ESC produce qualsiasi frequenza di commutazione richiesta dal motore, in modo simile a come l'armatura in un motore spazzolato fa commutare il commutatore alla frequenza richiesta.

Quindi la tensione applicata ha tutto a che fare con la velocità del motore. Questo è il motivo per cui questi motori hanno un rating Kv - è un parametro essenziale per determinare quali rpm possono essere raggiunti con una particolare tensione. Poiché la potenza assorbita da un'elica è proporzionale alla terza potenza del numero di giri e alla quarta potenza del diametro dell'elica, Kv è un parametro critico quando si abbinano i componenti di un quadricottero.

Il valore Kv specificato dovrebbe essere il numero di giri teorico a 1 V quando il motore non assorbe corrente. Tuttavia, viene comunemente calcolato semplicemente dividendo il numero di giri a vuoto misurato per la tensione applicata, il che fornisce un valore leggermente inferiore (errato). E proprio come la velocità di un motore spazzolato può essere aumentata facendo avanzare le spazzole, così un ESC senza spazzole può aumentare il Kv effettivo di un motore BLDC facendo avanzare il tempo di commutazione. Aggiungete tolleranze di produzione e scarso controllo di qualità e non è normale che un motore abbia un Kv effettivo superiore o inferiore del 20% rispetto alle specifiche.

I motori progettati per altri usi spesso non hanno un rating Kv perché non sono considerati così importanti. Tuttavia, di solito viene fornito il numero di giri a vuoto alla tensione nominale, da cui è possibile derivare Kv. È inoltre possibile specificare la costante di coppia del motore (Kt). Kv è l'inverso di Kt.

Perché i motori brushless hanno un rating kv?

"kv Rating" non ha nulla a che fare con la coppia, la corrente, la potenza, la spinta, il sollevamento o il trascinamento previsti

• L'eccezione è che la coppia relativa può variare con il numero di magneti e il numero di avvolgimenti dello statore per giro, quindi, come gli ingranaggi, questo rapporto può essere modificato. Quindi, in un certo senso, i motori delle stesse dimensioni con valori di kv relativamente più alti sono realizzati per una maggiore velocità e un minore sollevamento.

Si basa sul numero di magneti, sul numero di avvolgimenti dello statore per rotazione, sul numero di fasi per polo e non ha indicazioni di potenza.

È puramente la velocità di rotazione che genera la tensione EMF posteriore per corrispondere alla tensione applicata. Questa corrispondenza si verifica solo a vuoto e la resistenza riduce questo rapporto fino al 10% con un aumento verso la tensione nominale a seconda delle perdite intrinseche. (ad es. corrente parassita, attrito, generalmente piccolo rispetto alla potenza disponibile. Cambiando il modello dello statore dell'avvolgimento o cambiando il numero di magneti si cambierà il numero di rapporti RPM per volt per lo stesso materiale usato come il rapporto di trasmissione su una bici.

• • Calcoli di esempio con vari magneti, Determinare la rotazione del campo

    • magneti totali / 2 = fattore di rotazione del campo

    • Fattore di rotazione del campo * kV = ciclo magnetico / V

    • Quindi con 14 magneti, fattore di rotazione del campo = 7, quindi rotazione del campo = 7609 cicli / v

    • Per 2200 kv:

      • 14 magneti - 2200 * 7 = 154000 cicli / V
      • 10 magneti - 2200 * 5 = 11000 cicli / V
      • 8 magneti - 2200 * 4 = 8800 cicli / V

La potenza è una funzione della corrente e solo il carico è valutato CON OGNI carico lineare o carico non lineare dell'elica aerodinamica. oppure un carico lineare incrementale in termini di gm / W o gm / A dove gm è la spinta dell'elica.

Miniatura di base sulla teoria (oltre semplificata)

• Si basa sulle leggi della fisica definite da Maxwell e in modo più approfondito da Heaviside e Lorenz che hanno dimostrato che questa Forza in carica q è un prodotto della somma del campo E e della velocità del campo B.

Quindi dicono le equazioni vettoriali. F = q (E + VXB)

La forza di Lorenz , F che agisce su una particella di carica elettrica q con velocità istantanea v, dovuta a un campo elettrico esterno E e campo magnetico B. Questa forza è quella che chiamiamo Forza elettromagnetica ed è abbinata a EMF posteriore a vuoto.

La velocità angolare per Volt è più complessa con il numero di poli dello statore e dei poli del rotore che danno una conversione raziometrica e la commutazione della corrente del motore viene automaticamente invertita solo un numero adeguato di secondi d'arco dopo il campo magnetico nullo per garantire l'assenza di dead dead . (errore di progettazione / processo)

Pertanto la velocità di carica magnetica è proporzionale all'intensità di campo dovuta alla tensione e viene anche definita intensità di campo posteriore EMF

La classificazione KV si riferisce al massimo RPM / volt che può essere raggiunto con il motore, quindi un motore da 2300 KV a 1 V funzionerebbe a velocità fino a 2300 RPM, indipendentemente dalla frequenza. Più bassa è la tensione, minore è la coppia massima che il motore può produrre. Se si dovesse aumentare la frequenza e tentare di farlo funzionare a una velocità superiore, il motore non avrebbe abbastanza coppia per superare l'attrito a quella velocità e stallo.

Per una macchina BLDC ci sono due costanti chiave

$K_t$ con unità Nm / A

$K_e$ con unità V /$\omega$ (tensione di linea di picco)

Per una macchina BLDC ideale $K_t \equiv K_e$ ma a causa di specifiche su dove queste due costanti sono definite ($K_e$ essendo tensione a terminale aperto e $K_t$ essendo la produzione di coppia alla corrente nominale) $K_t$ tende ad essere più basso a causa della saturazione dello statore

Che cosa ha a che fare con i motori BLDC per quadrotori e $K_v$

Bene $K_v$ è solo il reciproco di $K_e$ UNA VOLTA convertito in rpm.

Poiché i quadrotori e tali dispositivi RC sono generalmente limitati alla tensione di alimentazione, questa costante di giri indica la velocità del rotore che può essere raggiunta (scarica) per una data batteria. Allo stesso modo è possibile stimare la coppia che può essere prodotta a causa della relazione tra queste costanti.

Il ruolo di un ESC è quello di mantenere il flusso dello statore a 90 gradi rispetto al flusso del rotore. Questo viene fatto con l'uso del sensore di posizione, come l'elemento hall o utilizzando il rilevamento EMF posteriore - controllo sensorless.
Inoltre, l'ESC può emettere un'uscita trifase sinusoidale, detta FOC (Field Oriented Control) o tensione quadrata, in cui sono collegate solo due bobine contemporaneamente, la terza viene lasciata flottante.
Non è il caso che il rotore segua il campo dello statore, piuttosto il contrario: è lo statore archiviato che segue la posizione del rotore. Con FOC, l'ampiezza della tensione dello statore vettoriale è costante e rotante rispetto alla posizione del rotore. La tensione deve essere superiore alla tensione generata da EMF posteriore per far girare il motore. È qui che il fattore Kv gioca un ruolo.

Non sono sicuro del motivo per cui questa mancata sia citata in questo contesto.

Dovrebbe essere V / krpm. o volt / 1000 giri / minuto. Potrei forse capire V / k short hand ma kv è chilo volt.
Forse i volt tra le gambe del motore o una gamba e il neutro possono essere ambigui, ma la convenzione è tra 2 gambe dei cavi del motore. Immagino che sia perché è più facile se non esiste un filo neutro.