Warum haben bürstenlose Motoren eine kv-Bewertung?

Die Drehmomentabgabe eines Elektromotors ist direkt proportional zum Motorstrom (nicht zur Spannung!) und zum Strom (I) ist ungefähr gleich

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

Wobei V die Motorversorgungsspannung ist, R der Wicklungswiderstand ist und ε die Gegenelektromotorikkraft (Gegen-EMK) ist.

KV und Gegen-EMK

Die Gegen-EMK ist Die Spannung, die an den Motorklemmen anliegt, wenn sich der Motor dreht, ohne dass etwas daran angeschlossen ist. Diese Spannung wird vom Motor erzeugt, der als Lichtmaschine fungiert, wenn Sie so wollen, und ist direkt proportional zur Drehzahl. Die KV-Bewertung ist nichts anderes als eine andere Möglichkeit, die Beziehung zwischen Drehzahl und Gegen-EMK (KV ≈ U / min / ε) anzugeben. Es begrenzt die maximale Motordrehzahl bei einer bestimmten Batteriespannung, da bei einer bestimmten KV-abhängigen Drehzahl die Gegen-EMK “ “ aufhebt die Batteriespannung. Dies verhindert, dass mehr Strom zum Motor fließt, und reduziert somit das Drehmoment auf Null.

Wenn Sie Ihren Motor zum ersten Mal einschalten, ist die Drehzahl Null. Dies bedeutet, dass die Gegen-EMK ebenfalls Null ist. Die einzigen Dinge, die den Motorstrom begrenzen, sind der Wicklungswiderstand und die Versorgungsspannung. Wenn der Motorcontroller (ESC) bei niedrigen Drehzahlen die volle Batteriespannung an den Motor ausgeben würde, würden der Motor und / oder der ESC einfach schmelzen.

Spannung, Frequenz, Drossel und Geschwindigkeit

In bürstenlosen Motorsteuerungsschemata mit geschlossenem Regelkreis wird die Motordrehzahl (von der die Ausgangsfrequenz abhängt) nicht direkt gesteuert. Die Drossel steuert stattdessen die Ausgangsspannung und der Regler passt die Ausgangsfrequenz kontinuierlich an die Phasenverschiebung zwischen dem Winkel des Rotors und der Antriebswellenform an. Die Phase der Gegen-EMK teilt sensorlosen Reglern direkt den aktuellen Winkel des Rotors mit, während sensorische Regler Hall-Effekt-Sensoren für denselben Zweck verwenden.

Umgekehrt vorgehen (Frequenz direkt einstellen und steuern) Spannung als Reaktion auf die gemessene Phasenverschiebung) würde ein feiner Balanceakt werden:

• Wenn die Spannung zu niedrig eingestellt wird, kann zu wenig Strom fließen, wodurch das Drehmoment begrenzt wird. Wenn das Drehmoment sinkt, die Last jedoch konstant bleibt, muss der Motor langsamer werden, was zu einem sofortigen Synchronisationsverlust führt.

• Zu viel Spannung würde zu übermäßigem Stromfluss führen, Strom verschwenden und heizen Motor und Regler unnötig.

Somit ist der optimale Wirkungsgradpunkt mit der “ Frequenz zuerst steuern. Ein Regelkreis könnte ihn geschlossen halten, aber wenn der Regler nicht schnell genug auf einen Lastübergang reagieren kann, tritt ein Synchronisationsverlust auf. Dies gilt nicht für “ Spannung zuerst “ Steuerung, bei der ein Lasttransient nur eine vorübergehende Geschwindigkeitsreduzierung ohne nachteilige Auswirkungen bewirkt.

ESCs, die in RC-Hubschraubern mit kollektivem Pitch verwendet werden, haben häufig eine “ Regler “ -Funktion, die eine feste Motordrehzahl proportional zur Drosselklappeneinstellung beibehält. Selbst diese Regler steuern die Frequenz nicht direkt, sondern implementieren stattdessen eine PID Controller, der die Spannung als Reaktion auf die Differenz zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Frequenz einstellt.

ESC “ Timing “

Die Motorsteuerzeiteinstellung von Reglern passt den Sollwert dieser mechanisch-elektrischen Phasenverschiebung an: Hohe Zeitsteuerung bedeutet, dass der Reglerausgang die erfasste Rotorposition um z 25 Grad, während bei niedrigem Timing diese Phasenverschiebung viel näher an Null gehalten wird. Eine hohe Zeiteinstellung erzeugt weniger Leistung weniger effizient.

Drehmoment

Normale RC-Regler können keine konstante Drehmomentsteuerung oder Drehmomentbegrenzung durchführen, da ihnen als Kosten- und Gewichtsersparnis eine Stromerfassungsschaltung fehlt . Die Drehmomentabgabe wird in keiner Weise gesteuert; Der Motor erzeugt gerade so viel Drehmoment (und zieht proportional so viel Strom), wie die Last bei einer bestimmten Drehzahl benötigt.Um zu verhindern, dass schnelle Drosselklappen den Regler, die Batterie und / oder den Motor überlasten (da die Überwindung der Trägheit möglicherweise ein unbegrenztes Drehmoment erzeugt), haben Regler normalerweise Grenzen für die Beschleunigung und die Spannung bei einer bestimmten Frequenz.

Bremsen

Wenn der Motor durch externe Mittel weiter gedreht wird, während die Spannung reduziert wird, wird die Gegen-EMK möglicherweise größer als der Pegel, den der Regler zu fahren versucht. Dies verursacht einen negativen Strom und bremst den Motor. Der so erzeugte Strom wird je nach verwendetem PWM-Abklingmodus entweder in den Motorspulen abgeführt oder in die Stromversorgung / Batterie zurückgeführt.

Kommentare

• Danke für die ausführliche Erklärung @jms. Wenn ich also richtig verstehe, erhöht das Erhöhen der Drossel die Amplitude des Wechselstromsignals an den 3 Motordrähten, was momentan eine Phasenverschiebung erzeugt, die der esc erkennt (mit Gegen-EMK?) Und dann seinen Frequenzausgang entsprechend ändert?
• @ThomasKirven Das ‚ ist korrekt und eine sehr schöne Art, es auszudrücken.
• Es sollte klargestellt werden, dass “ kv-Bewertung “ hat nichts mit Drehmoment zu tun
• @ TonyStewart.EEsince ‚ 75 Während sie Sind völlig unterschiedliche Parameter, gibt es einen Kompromiss zwischen den beiden: Wenn Sie zwei Motoren mit der gleichen Größe, Masse und Konstruktion kaufen, aber einer auf ein höheres KV als das andere gewickelt ist, dreht sich der Motor mit hohem KV schneller und erzeugt weniger Drehmoment bei gleicher Leistungsaufnahme.
• ja natürlich wie Zahnräder auf einem Fahrrad, Drehmoment gegen Geschwindigkeit, aber unabhängig von PS oder tatsächlicher Leistung

Ein ESC-Gen Raten 3-Phasen-Wechselstrom. Und soweit ich weiß, bestimmt die Frequenz der Wechselstromwellenform die Motordrehzahl vollständig, und die Amplitude (Spitzenspannung minus Tiefspannung) der Wellenform ist mehr oder weniger konstant. Für mich scheint Spannung wirklich nichts mit der Bestimmung der Drehzahl eines bürstenlosen Motors zu tun zu haben.

Entschuldigung, aber das ist alles falsch. Die in Quadcoptern verwendeten Motoren sind bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), die einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor entsprechen, jedoch elektronisch kommutiert werden.

Die Motordrehzahl wird durch die Spannung („Gegen-EMK“) bestimmt, die der Motor beim Drehen erzeugt, nicht durch die Kommutierungsfrequenz (die im Sperrschritt mit dem folgen muss) Motordrehung oder es dreht sich nicht). BLDC-Motoren haben Permanentmagnete, sodass die Gegen-EMK direkt proportional zur Drehzahl ist. Die Gegen-EMK entspricht der angelegten Spannung abzüglich des Spannungsabfalls über den Wicklungswiderstand und die Induktivität, und der Motor beschleunigt oder verlangsamt sich, wenn er den Strom zieht, der zur Erzeugung des von der Last aufgenommenen Drehmoments erforderlich ist – genau wie bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor.

Der Regler regelt die Motordrehzahl durch Variieren der an ihn angelegten Spannung. Normalerweise wird dies mit PWM durchgeführt, sodass die Spitzenspannung immer gleich der Batteriespannung ist, aber die durchschnittliche Spannung (auf die der Motor reagiert) variiert je nach PWM-Ein / Aus-Verhältnis. Der Regler erzeugt die vom Motor geforderte Kommutierungsfrequenz, ähnlich wie der Anker in einem Bürstenmotor den Kommutator veranlasst, auf die von ihm geforderte Frequenz zu schalten.

Die angelegte Spannung hat also alles mit der Motordrehzahl zu tun. Aus diesem Grund haben diese Motoren eine Kv-Bewertung – dies ist ein wesentlicher Parameter, um zu bestimmen, welche Drehzahl mit einer bestimmten Spannung erreicht werden kann. Da die von einem Propeller aufgenommene Leistung proportional zur 3. Leistung der Drehzahl und zur 4. Leistung des Propellerdurchmessers ist, ist Kv ein kritischer Parameter bei der Anpassung der Komponenten eines Quadcopters.

Der angegebene Kv-Wert sollte die theoretische Drehzahl bei 1 V sein, wenn der Motor keinen Strom zieht. Sie wird jedoch üblicherweise berechnet, indem einfach die gemessene Leerlaufdrehzahl durch die angelegte Spannung geteilt wird, was einen etwas niedrigeren (falschen) Wert ergibt. Und so wie die Drehzahl eines Bürstenmotors durch Vorschieben der Bürsten erhöht werden kann, kann ein bürstenloser Regler die effektive Kv eines BLDC-Motors durch Vorschieben des Kommutierungszeitpunkts erhöhen. Fügen Sie Fertigungstoleranzen und eine schlechte Qualitätskontrolle hinzu, und es ist nicht üblich, dass ein Motor einen tatsächlichen Kv hat, der 20% höher oder niedriger als seine Spezifikation ist.

Motoren, die für andere Zwecke entwickelt wurden, haben häufig keine Kv-Bewertung, da dies nicht als so wichtig angesehen wird. In der Regel wird jedoch die Leerlaufdrehzahl bei Nennspannung angegeben, aus der Kv abgeleitet werden kann. Der Motor Die Drehmomentkonstante (Kt) kann ebenfalls angegeben werden. Kv ist die Umkehrung von Kt.

Kommentare

• Es erscheint irreführend, über die an den Motor angelegte Spannung zu sprechen, da das Signal Wechselstrom ist und sich ständig ändert. Wenn ich den Wellenformausgang eines Reglers messen würde, während er an einen tatsächlichen Motor angeschlossen ist, würde ich dann wirklich sehen, wie die Wellenform bei höheren Drosselklappenwerten in der Amplitude zunimmt?
• Die Spannung muss von RMS in DC umgewandelt werden, um den äquivalenten kommutierten Gleichstrommotor vom Bürstentyp oder den tatsächlichen durchschnittlichen Gleichstrom zu erhalten, der an den Regler angelegt wird, der PWM-modulierten Gleichstrom erzeugt. Ignorieren Sie die ESC-Kommutierung und 3 Phasen, um sie zu verstehen. Es handelt sich nicht um einen Frequenzumrichter.
• “ Wenn ich den Wellenformausgang eines Reglers bei Anschluss an einen tatsächlichen Motor messen würde, würde die Wellenform wirklich wachsen in der Amplitude bei höheren Drosselklappenwerten ?? “ – Art von. Sie würden eine PWM-Rechteckwelle sehen, deren Tastverhältnis bei höheren Drosselklappenwerten zunimmt. Die PWM-Welle wird für 1 Kommutierungsschritt flach überdeckt und dann für 2 Schritte linear herunter- / hochgefahren, um zur entgegengesetzten Polarität zu gelangen (die durchschnittliche Spannung, die eine Trapezwellenform verfolgt). Dies ist ‚ AC ‚ bei der Kommutierungsfrequenz, aber ‚ gemittelte DC ‚ bei der PWM-Frequenz.
• @Tony Stewart Hier wird es kompliziert. Bei niederfrequenter PWM schaltet sich der Strom vollständig ein und aus, sodass der Motor auf die Effektivspannung der PWM-Welle ‚ reagiert und die Drosselkurve nicht linear ist (mehr Leistung als bei niedriger Leistung erwartet) Gas, aber auch mehr Heizung und geringerer Wirkungsgrad). Wenn die PWM-Frequenz erhöht wird, sorgt die Induktivität des Motors ‚ dafür, dass der Strom reibungsloser fließt, sodass sich die Spannungsantwort von Effektivwert zu Durchschnitt verschiebt und die Drosselkurve linear wird.
• und Wenn die Kommutierungsrate für den ESC zu schnell ist, dreht sie sich um und fällt vom Himmel. Möglicherweise ein Punkt mit niedrigem Druck, der einen schnellen Drehzahlanstieg verursacht.

Warum haben bürstenlose Motoren eine kv-Bewertung?

„kv Rating“ hat nichts mit dem erwarteten Drehmoment, Strom, Leistung, Schub, Hub oder Widerstand zu tun

• Die Ausnahme ist, dass sich das relative Drehmoment mit der Anzahl der Magnete und der Anzahl der Statorwicklungen pro Umdrehung ändern kann. Daher kann dieses Verhältnis wie bei Zahnrädern geändert werden. In gewissem Sinne sind Motoren gleicher Größe mit relativ höheren kv-Werten für mehr Geschwindigkeit und weniger Auftrieb ausgelegt.

Sie basieren auf der Anzahl der Magnete, der Anzahl der Statorwicklungen pro Umdrehung und der Anzahl der Magnete Phasen pro Pol und hat keine Leistungsangabe.

Es ist nur die Rotationsgeschwindigkeit, die die erzeugt Gegen-EMK-Spannung entsprechend der angelegten Spannung. Diese Übereinstimmung tritt nur im Leerlauf auf, und der Luftwiderstand verringert dieses Verhältnis um bis zu 10%, wobei die Nennspannung in Abhängigkeit von den inhärenten Verlusten zunimmt. (z. B. Wirbelstrom, Reibung, im Vergleich zur Leistung im Allgemeinen gering Durch Ändern des Wicklungsstatormusters oder der Anzahl der Magnete wird die Anzahl der Drehzahlen pro Volt für dasselbe Material geändert, das wie das Übersetzungsverhältnis eines Fahrrads verwendet wird.

• • Beispielberechnungen mit verschiedenen Magneten, Felddrehung bestimmen

    • Gesamtmagnete / 2 = Feldrotationsfaktor

    • Feldrotationsfaktor * kV = Magnetzyklus / V

    • Bei 14 Magneten ist der Feldrotationsfaktor = 7, somit Feldrotation = 7609 Zyklen / v

    • Für 2200 kv:

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

Leistung ist eine Funktion von Strom und Last. wird mit JEDEM bewertet eine lineare Last oder die nichtlineare Last der aerodynamischen Stütze. oder eine inkrementelle lineare Last in Bezug auf g / W oder g / A wobei g der Propellerschub ist.

Miniaturansicht des Hintergrunds zur Theorie (zu stark vereinfacht)

• Sie basiert auf den Gesetzen der Physik, die von Maxwell und ausführlicher von Heaviside und Lorenz definiert wurden, die bewiesen haben, dass diese Kraft auf Ladung q ist ein Produkt aus der Summe des E-Feldes und der Geschwindigkeit des B-Feldes.

So heißt es in den Vektorgleichungen. F = q (E + vxB)

Die Lorenzkraft , F, die aufgrund eines externen elektrischen Feldes E und eines Magnetfelds B auf ein Teilchen der elektrischen Ladung q mit der momentanen Geschwindigkeit v wirkt. Diese Kraft nennen wir die Elektromagnetische Kraft und wird von der Gegen-EMK ohne Last angepasst.

Die Winkelgeschwindigkeit pro Volt ist komplexer, wobei die Anzahl der Stator- und Rotorpole eine ratiometrische Umwandlung und die Kommutierung des Motorstroms ergibt wird automatisch nur eine ausreichende Anzahl von Bogensekunden nach dem Nullmagnetfeld umgekehrt, um sicherzustellen, dass kein Dead Stop auftritt.(Design- / Prozessfehler)

Somit ist die magnetische Ladungsgeschwindigkeit proportional zur Feldstärke, die auf die Spannung zurückzuführen ist, und wird auch als Gegen-EMK-Feldstärke bezeichnet

Kommentare

• Diejenigen, die Fehler finden können, müssen dies beweisen, diejenigen, die die Wahrheit erkennen, sollten sie genehmigen.
• Dies ist technisch korrekt, also habe ich mich auf Null gesetzt (+1) Ihre Stimmen, aber es gibt definitiv eine viel verständlichere Möglichkeit, dies so auszudrücken, wie Sie ‚ versuchen, es auszudrücken.
• Ich füge hinzu a +1 deckt auch ab, woher die Konstanten kommen. Ich habe eine Antwort hinzugefügt, die Kv, Kt und Ke verbindet.
• @Daniel stimmte zu, aber die Theorie wird nur hineingeworfen, um Wurzeln der magnetischen Prinzipien aufzuzeigen, die weitaus komplexer sind als dieser Leser ‚ s Digest-Version. Der BEMF kann auf verschiedene Arten interpretiert werden, passt jedoch immer zu Vin ohne Last, unabhängig davon, ob es sich um einen Megawatt- oder einen Milliwatt-Motor handelt.
• Kennen Sie alle Quellen, die dies detailliert erklären, bis hin zu den zeitlich variierenden Feldern, die in verwendet werden Maxwells-Gleichungen?

Die KV-Bewertung bezieht sich auf die Maximum U / min / Volt, das mit dem Motor erreicht werden kann – ein 2300-kV-Motor mit 1 V würde also mit Drehzahlen arbeiten bis zu 2300 U / min, unabhängig von der Frequenz. Je niedriger die Spannung, desto geringer das maximale Drehmoment, das der Motor erzeugen kann. Wenn Sie die Frequenz erhöhen und versuchen würden, sie mit einer höheren Drehzahl zu betreiben, hätte der Motor nicht genügend Drehmoment, um die Reibung bei dieser Drehzahl zu überwinden und zu blockieren.

Kommentare

• Ist das also das tatsächliche Drehmoment Null U / min für diese Spannung? dh ist es die Spitzenform der Wellenform, wenn Sie sie mit einem Bohrer bei dieser Drehzahl drehen?
• Die Drehzahl des Drehmoments Null liegt normalerweise irgendwo über der KV-Bewertung – die KV-Bewertung ist nur ein Punkt, den der Motor liefern kann Ein angemessenes Drehmoment und ein Betrieb mit einer höheren Frequenz können zu einem verringerten Drehmoment, einem unzuverlässigen Betrieb oder schließlich zum Abwürgen führen, wenn die Reibung nicht mehr überwunden werden kann.
• Haben Sie zusätzliche Informationen, die Sie Ihrer Antwort hinzufügen können? wie wo und warum wurde dieses Rating entwickelt? Es scheint ziemlich auf Quad-Copter und ähnliche Märkte beschränkt zu sein.
• Es ist ‚ schwer zu sagen, aber es wurde wahrscheinlich von der RC-Industrie als entwickelt Art der Bewertung von Motoren für eine sichere Höchstgeschwindigkeit. Ich habe dies noch nie bei bürstenlosen Motoren gesehen, die für Nicht-RC-Anwendungen vorgesehen sind.
• Die Amplitude des Signals, das ein Regler erzeugt, ist also tatsächlich nicht konstant?

Für eine BLDC-Maschine gibt es zwei Schlüsselkonstanten

\ $ K_t \ $ mit Einheiten Nm / A

\ $ K_e \ $ mit Einheiten V / \ $ \ omega \ $ (Spitzenleitungsspannung)

Für eine ideale BLDC-Maschine \ $ K_t \ äquiv K_e \ $, jedoch aufgrund von Einzelheiten darüber, wo diese liegen zwei Konstanten a definiert (\ $ K_e \ $ ist die Spannung im offenen Anschluss & \ $ K_t \ $ ist die Drehmomenterzeugung bei Nennstrom) \ $ K_t \ $ ist aufgrund von tendenziell niedriger Sättigung des Stators

Was hat dies mit BLDC-Motoren für Quadrotoren zu tun? & \ $ K_v \ $

Nun \ $ K_v \ $ ist nur der Kehrwert von \ $ K_e \ $ ONCE, der in U / min umgewandelt wurde.

Da Quadrotoren und solche RC-Geräte normalerweise auf die Versorgungsspannung begrenzt sind, gibt diese Drehzahlkonstante die Rotorgeschwindigkeit an, die erreicht werden kann ( entladen) für a gegebene Batterie. Ebenso können Sie das Drehmoment abschätzen, das aufgrund der Beziehung zwischen diesen Konstanten erzeugt werden kann.

Die Rolle eines Reglers besteht darin, den Statorfluss in Bezug auf den Rotorfluss auf 90 Grad zu halten. Dies erfolgt unter Verwendung eines Positionssensors wie eines Hall-Elements oder unter Verwendung einer Gegen-EMK-Erfassung – sensorlose Steuerung.
Ferner kann der Regler einen dreiphasigen Sinuswellenausgang ausgeben, der als FOC (Field Oriented Control) oder Rechteckspannung bezeichnet wird, wo nur Zwei Spulen werden gleichzeitig angeschlossen, die dritte bleibt schwebend.
Es ist nicht so, dass der Rotor dem Statorfeld folgt, sondern umgekehrt – es ist der Stator, der der Rotorposition folgt. Mit FOC ist die Verstärkung der Vektorstatorspannung konstant und dreht sich in Bezug auf die Rotorposition. Die Spannung muss höher sein als die durch Gegen-EMK erzeugte Spannung, um den Motor zu drehen. Hier spielt der Kv-Faktor eine Rolle

Ich bin mir nicht sicher, warum dies in diesem Zusammenhang falsch angegeben wird.

Es sollte V / krpm oder Volt sein / 1000 Umdrehungen / Minute. Ich könnte möglicherweise V / k kurze Hand verstehen, aber kv ist Kilovolt.
Vielleicht können Volt zwischen den Beinen am Motor oder einem Bein und Neutralleiter sein groß, aber die Konvention ist zwischen 2 Beinen der Motorleitungen.Ich würde vermuten, dass es einfacher ist, wenn kein Neutralleiter vorhanden ist.

Kommentare

• Nein, Kilovolt wird als ‚ kV ‚, nicht ‚ kv ‚. Siehe en.wikipedia.org/wiki/… .