Hvorfor har børsteløse motorer en kv-rating?

Drejningsmomentet på en elektrisk motor er direkte proportional med motorstrømmen (ikke spænding!) og strømmen (I) er omtrent lig med

$$ I = \ dfrac {V- \ varepsilon} {R} $$

Hvor V er motorens forsyningsspænding, R er viklingsmodstanden, og ε er den bagelektromotoriske kraft (bag EMF).

KV og back EMF

Bagsiden EMF er den spænding, der ville være til stede ved motorterminalerne, når motoren drejer, uden at noget er forbundet til den. Denne spænding produceres af motoren, hvis du vil, og den er direkte proportional med rotationshastigheden. KV-klassificeringen er intet andet end en anden måde at angive forholdet mellem rotationshastighed og tilbage EMF (KV ≈ RPM / ε). Det begrænser den maksimale motorhastighed ved en given batterispænding, fordi back-EMF ved en eller anden KV-afhængig hastighed ” annullerer ” batterispændingen. Dette forhindrer mere strøm i at strømme til motoren og reducerer således momentet til nul.

Når du tænder din motor første gang, er hastigheden nul. Dette betyder, at den bageste EMF også er nul, så de eneste ting, der begrænser motorstrømmen, er viklingsmodstanden og forsyningsspændingen. Hvis motorstyringen (ESC) skulle afgive den fulde batterispænding til motoren ved lave hastigheder, ville motoren og / eller ESC bare smelte ned.

Spænding, frekvens, gas og hastighed

I børsteløs motorstyring med lukket sløjfe styres motorhastigheden (som udgangsfrekvensen er en funktion af) ikke direkte. Gashåndtaget styrer i stedet udgangsspændingen, og ESC justerer kontinuerligt udgangsfrekvensen som svar til faseforskydningen mellem vinklen på rotoren og drevbølgeformen. Fasen af den bageste EMF fortæller sensorløse ESCer direkte om rotorens aktuelle vinkel, mens sensorerede ESCer bruger hall-effekt sensorer til det samme formål.

Gør ting omvendt (indstilling af frekvensen direkte og styring af spænding som reaktion på det målte faseforskydning) ville blive en fin balanceringshandling:

• Hvis spændingen indstilles for lav, kan der strømme for lidt strøm, hvilket begrænser momentet. Hvis drejningsmomentet falder, men belastningen forbliver konstant, skal motoren sænkes, hvilket fører til øjeblikkeligt tab af synkronisering.

• For meget spænding vil medføre, at der strømmer for meget strøm, spilder strøm og varme motoren og ESC unødigt.

Således er det optimale effektivitetspunkt ustabilt med ” frekvens først ” kontrol. En kontrolsløjfe kunne holde den tæt, men hvis ESCen ikke kan “reagere hurtigt nok på, vil der opstå forbigående tab af synkronisering. Dette gælder ikke for ” spænding først ” kontrol, hvor en belastning forbigående bare vil medføre en kortvarig reduktion i hastighed uden skadelige virkninger.

ESCer, der anvendes i RC-helikoptere med kollektiv tonehøjde, har ofte en ” guvernør ” -funktion, som opretholder en fast motorhastighed, der er proportional med gashåndtaget. Selv disse ESCer styrer faktisk ikke frekvensen direkte, i stedet for at implementere en PID controller, der indstiller spændingen som reaktion på forskellen mellem den ønskede og faktiske frekvens.

ESC ” timing ”

Motortimingindstillingen for ESCer justerer sætpunktet for denne mekanisk-elektriske faseforskydning: Høj timing betyder, at ESC-udgangen fører den registrerede rotorposition ved f.eks. 25 grader, mens faseforskydningen ved lav timing holdes meget tættere på nul. En høj timingindstilling producerer mere effekt mindre effektivt.

Moment

Normale RC ESCer kan ikke udføre konstant drejningsmomentregulering eller drejningsmomentbegrænsning, da de mangler strømregistreringskredsløb som en omkostnings- og vægtbesparende foranstaltning . Momentudgangen styres ikke på nogen måde; motoren producerer lige så meget drejningsmoment (og trækker proportionalt så meget strøm) som belastningen kræver ved en given hastighed.For at forhindre hurtig gashåndtag i at overbelaste ESC, batteri og / eller motor (da overvægt af inerti producerer potentielt ubegrænset drejningsmoment), har ESCer normalt grænser for acceleration og spændingen ved en given frekvens.

Bremsning

Hvis motoren fortsætter med at dreje ved hjælp af eksterne midler, mens spændingen reduceres, vil bageste EMF til sidst blive større end det niveau, ESC forsøger at køre. Dette forårsager negativ strøm og bremser motoren. Den således producerede elektricitet spredes enten i motorspolerne eller føres tilbage til strømforsyningen / batteriet afhængigt af den anvendte PWM henfaldstilstand .

Kommentarer

• Tak for den detaljerede forklaring @jms. Så hvis jeg forstår det rigtigt, øger gashåndtaget amplituden af AC-signalet på de 3 motorkabler, hvilket kortvarigt skaber et faseskift, som esc registrerer (med back emf?) Og derefter ændrer dets frekvensudgang i overensstemmelse hermed?
• @ThomasKirven At ‘ er korrekt, og en meget flot måde at udtrykke det på.
• Det skal gøres klart ” kv rating ” har intet at gøre med drejningsmoment
• @ TonyStewart.EEs ‘ 75 Mens de er helt forskellige parametre, der er en kompromis mellem de to: Når du køber to motorer af samme størrelse, masse og design, men den ene er viklet til en højere KV end den anden, vil den høje KV-motor dreje hurtigere og generere mindre drejningsmoment ved samme strømindgang.
• ja selvfølgelig som gear på en cykel, drejningsmoment versus hastighed men ikke relateret til HP eller faktisk effekt

Et ESC-gen satser 3-faset vekselstrøm. Og ud fra hvad jeg forstår, bestemmer frekvensen af vekselstrømsbølgeformen fuldstændigt motorhastigheden, og amplituden (topspænding minus trugspænding) af bølgeformen er mere eller mindre konstant. For mig virker det som om spænding virkelig ikke har noget at gøre med at bestemme hastigheden på en børsteløs motor.

Beklager, men dette er alt forkert. Motorerne i quadcopters er børsteløse jævnstrømsmotorer (BLDC), der svarer til en børstet jævnstrømsmotor, men med elektronisk kommutering.

Motorhastighed bestemmes af spændingen (“back-emf”), som motoren genererer, når den drejer, ikke kommuteringsfrekvensen (som skal følges i låsetrin med motorens rotation, eller den vil ikke dreje). BLDC-motorer har permanente magneter, så back-emf er direkte proportional med omdrejningstal. Back-emf er lig med anvendt spænding minus spændingsfald på tværs af viklingsmodstanden og induktansen, og motoren vil fremskynde eller bremse, når den trækker den strøm, der kræves for at producere det moment, der absorberes af belastningen – nøjagtigt det samme som en børstet DC-motor.

ESC styrer motorhastigheden ved at variere den spænding, der påføres den. Normalt gøres dette med PWM, så spidsen af spidsen altid er lig med batterispændingen, men gennemsnits spændingen (som motoren reagerer på) varierer afhængigt af PWM on / off-forholdet. ESC producerer den kommuteringsfrekvens, som motoren kræver af den, svarende til hvordan armaturet i en børstet motor får kommutatoren til at skifte med den frekvens, den kræver.

Så den anvendte spænding har alt at gøre med motorhastighed. Dette er grunden til, at disse motorer har Kv-klassificering – det er en væsentlig parameter til bestemmelse af, hvilket omdrejningstal der kan opnås med en bestemt spænding. Da den effekt, der absorberes af en propel, er proportional med 3. omdrejningstal og den 4. effekt af propdiameteren, er Kv en kritisk parameter, når man matcher komponenterne i en quadcopter.

Den specificerede Kv-værdi skal være den teoretiske omdrejningstal ved 1V, når motoren ikke trækker nogen strøm. Imidlertid beregnes det almindeligt ved simpelthen at dividere målt målt tomgangs-omdrejningstal med påført spænding, hvilket giver en lidt lavere (forkert) værdi. Og ligesom hastigheden på en børstet motor kan øges ved at bevæge børsterne frem, så kan en børsteløs ESC øge den effektive Kv for en BLDC-motor ved at fremme kommuteringstimingen. Tilføj i fremstillingstolerancer og dårlig kvalitetskontrol, og det er ikke normalt, at en motor har en faktisk Kv 20% højere eller lavere end dens specifikation.

Motorer designet til anden anvendelse har ofte ikke Kv-klassificering, fordi det ikke anses for så vigtigt. Imidlertid leveres der normalt ikke omdrejningstal ved nominel spænding, hvorfra Kv kan afledes. Motoren “Momentkonstant (Kt) kan også specificeres. Kv er den omvendte af Kt.

Kommentarer

• Det virker vildledende at tale om spænding på motoren, da signalet er AC og altid varierer. Hvis jeg målte bølgeformens output fra en ESC, mens jeg var tilsluttet en faktisk motor, ville jeg virkelig se bølgeformen vokse i amplitude ved højere gasspærreværdier?
• Spændingen skal konverteres fra RMS til DC for at få den ækvivalente kommuterede børstetype DC-motor eller den faktiske gennemsnitlige DC anvendt på ESC, der genererer PWM-moduleret DC. Ignorer ESC-kommuteringen og 3 faser for at forstå det. Det er ikke et frekvensstyringsdrev med variabel frekvens.
• ” Hvis jeg målte bølgeformoutputtet fra en ESC, mens jeg var tilsluttet en faktisk motor, ville jeg virkelig se bølgeformen vokse i amplitude ved højere gasværdier ?? ” – Sort af. Du vil se en PWM-firkantbølge med driftscyklus, der øges ved højere gasværdier. PWM-bølgen er fladt til 1 kommuteringstrin og ramper derefter ned / op lineært i 2 trin for at komme til den modsatte polaritet (den gennemsnitlige spænding sporer en trapezformet bølgeform). Dette er ‘ AC ‘ ved kommuteringsfrekvensen, men ‘ har et gennemsnit af DC ‘ ved PWM-frekvensen.
• @Tony Stewart det er her det bliver kompliceret. Ved lavfrekvent PWM tændes og slukkes strømmen fuldstændigt, så motoren reagerer på PWM-bølgen ‘ s rms spænding, og gaskurven er ikke-lineær (mere effekt end forventet ved lav gas, men også mere opvarmning og lavere effektivitet). Når PWM-frekvensen øges, får motoren ‘ induktans strømmen mere jævnt, så spændingsrespons skifter fra rms til gennemsnit, og gaskurven bliver lineær.
• og hvis kommuteringshastigheden er for hurtig til ESC, vipper den og falder ud af himlen .. måske et lavtryksspot, der forårsager hurtig RPM-stigning.

Hvorfor har børsteløse motorer en kv-vurdering?

“kv Rating” har intet at gøre med forventet moment, strøm, kraft, tryk, løft eller træk

• Undtagelsen er, at det relative drejningsmoment kan ændre sig med antallet af magneter og antallet af statorviklinger pr. omdrejning, ligesom gear, dette forhold kan ændres. Så på en måde er motorer af samme størrelse med relativt højere kv-værdier lavet til mere hastighed og mindre løft.

Det er baseret på antal magneter, antal statorviklinger pr. Rotation, antal faser pr. pol og har ingen indikation af effekt.

Det er rent rotationshastigheden, der genererer tilbage EMF-spænding for at matche den anvendte spænding. Denne match forekommer kun uden belastning, og træk reducerer dette forhold op til 10% med stigning mod nominel spænding afhængigt af iboende tab. (f.eks. Hvirvelstrøm, friktion, generelt lille sammenlignet med effekt nytte. Ændring af viklingsstatormønsteret eller ændring af antallet af magneter vil ændre antallet af omdrejningstal pr. volt for det samme materiale, der bruges som gearforholdet på en cykel.

• • Eksempelberegninger med forskellige magneter, Bestem feltrotation

    • samlede magneter / 2 = feltrotationsfaktor

    • Feltrotationsfaktor * kV = magnetisk cyklus / V

    • Så med 14 magneter, feltrotationsfaktor = 7, således feltrotation = 7609 cyklusser / v

    • For 2200 kv:

      • 14 magnet – 2200 * 7 = 154000 cyklusser / V
      • 10 magnet – 2200 * 5 = 11000 cyklusser / V
      • 8 magnet – 2200 * 4 = 8800 cyklusser / V

Effekt er en funktion af strøm og belastning er kun er klassificeret med ENTEN en lineær belastning eller den ikke-lineære belastning af den aerodynamiske prop. eller en inkrementel lineær belastning med hensyn til gm / W eller gm / A hvor gm er stødkraften.

Baggrundsminiaturebillede om teori (over forenklet)

• Det er baseret på fysikens love defineret af Maxwell og mere dybtgående af Heaviside og Lorenz, der beviste, at denne kraft på ladning q er et produkt af summen af E-feltet og hastigheden af B-feltet.

Så siger vektorligningerne. F = q (E + vxB)

Lorenz-kraft , F virker på en partikel af elektrisk ladning q med øjeblikkelig hastighed v på grund af et eksternt elektrisk felt E og magnetfelt B. Denne kraft er det, vi kalder Elektromagnetisk kraft og matches med den bageste EMF uden belastning.

Vinkelhastigheden pr. Volt er en mere kompleks med antallet af statorpoler og rotorpoler, der giver en ratiometrisk konvertering og kommuteringen af motorstrømmen vendes automatisk bare et tilstrækkeligt antal buesekunder efter det nul magnetiske felt for at sikre, at der ikke er dødt stop.(design / procesfejl)

Således er den magnetiske ladningshastighed proportional med feltstyrken, der skyldes spænding og kaldes også Back EMF-feltstyrke

Kommentarer

• De, der kan finde fejl, skal bevise det, de, der genkender sandheden, burde godkende det
• Dette er teknisk korrekt, så jeg nulstillede (+1) dine stemmer, men der er bestemt en meget mere forståelig måde at sige dette på den måde, du ‘ prøver på at udtrykke det.
• Jeg tilføjer et +1 også, dette dækker hvor konstanterne kommer fra. Jeg har tilføjet et svar, der forbinder Kv, Kt og Ke
• @Daniel var enig, men teorien kastes bare ind for at vise rødderne til de magnetiske principper, som er langt mere komplekse end denne læser ‘ s fordøjelsesversion. BEMF kan fortolkes på forskellige måder, men matcher altid Vin uden belastning, uanset om det er en megawatt eller en milliwattmotor.
• Kend til kilder, der forklarer dette detaljeret, ned til de tidsvarierende felter, der bruges i maxwells ligninger?

KV-klassificeringen refererer til maksimum RPM / volt, der kan opnås med motoren – så en 2300 KV motor ved 1 V ville arbejde med hastigheder op til 2300 RPM, uanset frekvens. Jo lavere spænding, desto lavere er det maksimale drejningsmoment, motoren kan producere. Hvis du øgede frekvensen og forsøgte at køre den ved en højere hastighed, ville motoren ikke have tilstrækkeligt drejningsmoment til at overvinde friktionen ved den hastighed og standsning.

Kommentarer

• Så er det faktiske nulmoment RPM for denne spænding? dvs. er det bølgeformens spids, når du drejer det med en boremaskine ved denne RPM?
• Nulmomentet RPM vil normalt være et eller andet sted over KV-klassificeringen – KV-klassificeringen er bare et punkt, hvor motoren kan levere en rimelig mængde drejningsmoment og kørsel med en højere frekvens kan forårsage reduceret drejningsmoment, upålidelig drift eller til sidst gå i stå, når det ikke længere kan overvinde friktion.
• Har du yderligere oplysninger, du kan tilføje til dit svar som hvor og hvorfor denne vurdering blev udviklet? Det ser ud til at være ret begrænset til quad-copters og lignende markeder.
• Det ‘ er svært at fortælle, men det blev sandsynligvis udviklet af RC-industrien som en måde at klassificere motorer til en sikker maksimal hastighed. Jeg har aldrig set dette på børsteløse motorer beregnet til ikke-RC applikationer
• Så amplituden på signalet, som en ESC producerer, er faktisk ikke konstant?

For en BLDC-maskine er der to nøglekonstanter

\ $ K_t \ $ med enhederne Nm / A

\ $ K_e \ $ med enheder V / \ $ \ omega \ $ (peak line-line voltage)

For en ideel BLDC-maskine \ $ K_t \ equiv K_e \ $ men på grund af detaljerne om hvor disse to konstanter en defineret (\ $ K_e \ $ er åben-terminal spænding & \ $ K_t \ $ er momentproduktion ved nominel strøm) \ $ K_t \ $ har tendens til at være lavere pga. mætning af statoren

Hvad skal dette gøre med BLDC-motorer til kvadrotorer & \ $ K_v \ $

Nå \ $ K_v \ $ er bare det gensidige af \ $ K_e \ $ ONCE konverteret til rpm.

Fordi quadrotors og sådanne RC-enheder normalt er forsyningsspændingsbegrænset, vil denne rpm-konstant fortælle dig rotorhastigheden, der kan opnås ( losset) til en givet batteri. På samme måde kan du estimere det drejningsmoment, der kan produceres på grund af forholdet mellem disse konstanter.

En ESCs rolle er at holde statorfluxen 90 grader i forhold til rotorfluksen. Dette gøres ved brug af positionssensor, som hallelement eller ved hjælp af EMF-sensing tilbage – sensorløs kontrol.
Yderligere kan ESC afgive sinusbølge trefaset output, såkaldt FOC (Field Oriented Control) eller firkantet spænding, hvor kun to spoler er forbundet samtidigt, den tredje er flydende.
Det er ikke tilfældet, at rotoren følger statorfeltet, snarere det modsatte – det er statoren arkiveret, der følger rotorpositionen. Med FOC , forstærkeren af vektorstatorspændingen er konstant og roterer med hensyn til rotorposition. Spændingen skal være højere end EMF-genereret spænding for at dreje motoren. Det er her Kv-faktoren spiller en rolle.

Ikke sikker på, hvorfor dette er miss citeret i denne sammenhæng.

Det skal være V / krpm eller volt / 1000 omdrejninger / minut. Jeg kunne muligvis forstå V / k kort hånd, men kv er kilovolt.
Måske volt mellem benene på motoren eller et ben og neutral kan være am stor, men konventionen er mellem to ben på motorledningerne.Jeg vil gætte, det er fordi det er lettere, hvis der ikke findes nogen neutral ledning.

Kommentarer

• Nej, kilovolt er skrevet som ‘ kV ‘, ikke ‘ kv ‘. Se da.wikipedia.org/wiki/… .