Waarom hebben borstelloze motoren een kv-waarde?

De koppeloutput van een elektromotor is recht evenredig met de motorstroom (niet de spanning!), en de stroom (I) is ongeveer gelijk aan

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

Waar V de voedingsspanning van de motor is, R de wikkelingsweerstand en ε de tegenelektromotorische kracht (back EMF).

KV en back EMF

De back EMF is de spanning die aanwezig zou zijn op de motorklemmen als de motor draait zonder dat er iets op is aangesloten. Deze spanning wordt geproduceerd door de motor die als alternator fungeert, als je wilt, en is recht evenredig met de rotatiesnelheid. De KV-classificatie is niets anders dan een andere manier om de relatie tussen rotatiesnelheid en tegen-EMF (KV ≈ RPM / ε) aan te geven. Het beperkt de maximale motorsnelheid bij een gegeven accuspanning, omdat bij een bepaalde KV-afhankelijke snelheid de back-EMF ” annuleert ” de accuspanning. Dit voorkomt dat er nog meer stroom naar de motor loopt en reduceert zo het koppel tot nul.

Wanneer u uw motor voor het eerst aanzet, is het toerental nul. Dit betekent dat de EMF aan de achterkant ook nul is, dus de enige dingen die de motorstroom beperken, zijn de wikkelingsweerstand en de voedingsspanning. Als de motorcontroller (ESC) de volledige accuspanning naar de motor zou sturen bij lage snelheden, zouden de motor en / of ESC gewoon smelten.

Spanning, frequentie, gasklep en snelheid

In borstelloze motorbesturingsschemas met gesloten lus wordt het motortoerental (waarvan de uitgangsfrequentie een functie is) niet rechtstreeks geregeld. De gasklep regelt in plaats daarvan de uitgangsspanning en de ESC past continu de uitgangsfrequentie aan in reactie op de faseverschuiving tussen de hoek van de rotor en de aandrijfgolfvorm. De fase van de achter-EMF vertelt sensorloze ESCs direct de huidige hoek van de rotor, terwijl sensorloze ESCs hall-effectsensoren gebruiken voor hetzelfde doel.

Dingen andersom doen (de frequentie rechtstreeks instellen en de spanning als reactie op de gemeten faseverschuiving) zou een prima evenwichtsoefening worden:

• Als de spanning te laag wordt ingesteld, kan er te weinig stroom vloeien, waardoor het koppel wordt beperkt. Als het koppel daalt maar de belasting constant blijft, moet de motor langzamer worden, wat leidt tot onmiddellijk verlies van synchronisatie.

• Te veel spanning leidt tot overmatige stroom, waardoor vermogen en verwarming verloren gaan. de motor en ESC onnodig.

Het optimale efficiëntiepunt is dus onstabiel met ” frequentie eerst ” controle. Een regellus zou het dicht kunnen houden, maar als de ESC “niet snel genoeg kan reageren op een belasting, zal tijdelijk synchronisatie verloren gaan. Dit geldt niet voor ” spanning eerst ” -besturing, waarbij een tijdelijke belasting slechts een tijdelijke snelheidsvermindering veroorzaakt zonder nadelige gevolgen.

ESCs die worden gebruikt in RC-helikopters met collectieve pitch hebben vaak een ” regulateur ” functie, die een vast motortoerental handhaaft dat evenredig is met de gasklepinstelling. Zelfs deze ESCs regelen de frequentie niet rechtstreeks, maar implementeren een PID controller die de spanning instelt in reactie op het verschil tussen de gewenste en werkelijke frequentie.

ESC ” timing ”

De motortiming-instelling van ESCs past het instelpunt van deze mechanisch-elektrische faseverschuiving aan: Hoge timing betekent dat de ESC-uitgang de waargenomen rotorpositie leidt door bijv. 25 graden, terwijl bij een lage timing deze faseverschuiving veel dichter bij nul wordt gehouden. Een hoge timing-instelling produceert meer vermogen minder efficiënt.

Koppel

Normale RC ESCs kunnen geen constante koppelregeling of koppelbegrenzing uitvoeren, omdat ze geen stroomdetectieschakeling hebben als een kosten- en gewichtsbesparende maatregel . De koppeloutput wordt op geen enkele manier gecontroleerd; de motor produceert net zoveel koppel (en trekt proportioneel zoveel stroom) als de belasting vereist bij een gegeven snelheid.Om te voorkomen dat snelle gasstoten de ESC, batterij en / of motor overbelasten (aangezien het overwinnen van traagheid een potentieel onbeperkt koppel oplevert), hebben ESCs meestal limieten voor acceleratie en de spanning bij een bepaalde frequentie.

Remmen

Als de motor door externe middelen blijft draaien terwijl de spanning wordt verlaagd, zal uiteindelijk de tegen-EMF groter worden dan het niveau dat de ESC probeert aan te drijven. Dit veroorzaakt negatieve stroom en remt de motor af. De aldus geproduceerde elektriciteit wordt ofwel gedissipeerd in de motorspoelen of teruggevoerd naar de voeding / batterij, afhankelijk van de gebruikte PWM vervalmodus .

Opmerkingen

• Bedankt voor de gedetailleerde uitleg @jms. Dus als ik het goed begrijp, verhoogt het verhogen van de gashendel de amplitude van het AC-signaal op de 3 motordraden, wat tijdelijk een faseverschuiving veroorzaakt, die de esc detecteert (met back-emf?) En vervolgens de frequentie-uitvoer dienovereenkomstig verandert?
• @ThomasKirven Dat ‘ is correct, en een heel mooie manier om het te zeggen.
• Het moet duidelijk worden gemaakt ” kv-beoordeling ” heeft niets te maken met koppel
• @ TonyStewart.EEsince ‘ 75 Terwijl ze zijn volledig verschillende parameters, er is een afweging tussen de twee: wanneer u twee motoren van dezelfde grootte, massa en ontwerp koopt, maar de ene is opgewonden tot een hogere KV dan de andere, zal de hoge KV-motor sneller draaien en minder koppel genereren bij hetzelfde opgenomen vermogen.
• ja natuurlijk zoals versnellingen op een fiets, koppel versus snelheid maar niet gerelateerd aan pk of feitelijk vermogen

Een ESC-gen tarieven 3 fasen wisselstroom. En van wat ik begrijp, bepaalt de frequentie van de AC-golfvorm volledig de motorsnelheid, en de amplitude (piekspanning minus dalende spanning) van de golfvorm is min of meer constant. Voor mij lijkt dit alsof spanning niets te maken heeft met het bepalen van de snelheid van een borstelloze motor.

Sorry, maar dit is helemaal verkeerd. De motoren die in quadcopters worden gebruikt, zijn borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC), die equivalent zijn aan een geborstelde gelijkstroommotor maar met elektronische commutatie.

Het motortoerental wordt bepaald door de spanning (“back-emf”) die de motor genereert tijdens het draaien, niet de commutatiefrequentie (die in een vergrendelde stap moet volgen met de de motor draait of hij zal niet draaien). BLDC-motoren hebben permanente magneten, dus back-emf is recht evenredig met het toerental. Back-emf is gelijk aan aangelegde spanning minus spanningsval over de wikkelingsweerstand en inductie, en de motor zal versnellen of vertragen naarmate hij de stroom trekt die nodig is om het door de belasting geabsorbeerde koppel te produceren – precies hetzelfde als een geborstelde gelijkstroommotor.

De ESC regelt het motortoerental door de spanning die erop wordt toegepast te variëren. Meestal gebeurt dit met PWM, dus de piekspanning is altijd gelijk aan de accuspanning, maar de gemiddelde spanning (waarop de motor reageert) varieert afhankelijk van de PWM aan / uit-verhouding. De ESC produceert elke commutatiefrequentie die de motor ervan vraagt, vergelijkbaar met hoe het anker in een geborstelde motor ervoor zorgt dat de commutator schakelt met de frequentie die hij nodig heeft.

Dus de aangelegde spanning heeft alles te maken met het motortoerental. Dit is de reden waarom deze motoren een Kv-classificatie hebben – het is een essentiële parameter om te bepalen welk toerental kan worden bereikt met een bepaalde spanning. Aangezien het door een propeller geabsorbeerde vermogen evenredig is met het 3e vermogen van tpm en het 4e vermogen van de propdiameter, is Kv een kritische parameter bij het matchen van de componenten van een quadcopter.

De gespecificeerde Kv-waarde moet het theoretische toerental zijn bij 1V wanneer de motor geen stroom trekt. Het wordt echter gewoonlijk berekend door het gemeten onbelaste toerental eenvoudigweg te delen door de toegepaste spanning, wat een iets lagere (onjuiste) waarde oplevert. En net zoals de snelheid van een borstelmotor kan worden verhoogd door de borstels vooruit te bewegen, zo kan een borstelloze ESC de effectieve Kv van een BLDC-motor verhogen door de commutatietiming te versnellen. Voeg fabricagetoleranties en slechte kwaliteitscontrole toe, en het is niet gebruikelijk dat een motor een werkelijke Kv heeft die 20% hoger of lager is dan de specificatie.

Motoren die voor ander gebruik zijn ontworpen, hebben vaak geen Kv-waarde omdat dit niet zo belangrijk wordt geacht. Meestal wordt echter het nullasttoerental bij nominale spanning geleverd, waaruit Kv kan worden afgeleid. De motor “s koppelconstante (Kt) kan ook worden gespecificeerd. Kv is het omgekeerde van Kt.

Opmerkingen

• Het lijkt misleidend om te praten over de spanning die op de motor wordt toegepast, aangezien het signaal wisselstroom is en altijd varieert. Als ik de golfvormoutput van een ESC zou meten terwijl ik verbonden was met een echte motor, zou ik dan echt de golfvorm in amplitude zien groeien bij hogere gasklepwaarden ??
• De spanning moet worden geconverteerd van RMS naar DC om de equivalente DC-motor van het gecommuteerde borsteltype te krijgen of de werkelijke gemiddelde DC die wordt toegepast op de ESC die PWM-gemoduleerde DC genereert. Negeer de ESC-commutatie en 3 fasen om het te begrijpen. Het is geen aandrijving met variabele frequentie.
• ” Als ik de golfvormuitvoer van een ESC zou meten terwijl deze was aangesloten op een echte motor, zou ik de golfvorm echt zien groeien in amplitude bij hogere gasklepwaarden ?? ” – Soort van. Je zou een PWM-blokgolf zien met een toenemende duty-cycle bij hogere gasklepwaarden. De PWM-golf wordt afgevlakt voor 1 commutatiestap en loopt vervolgens lineair omhoog / omlaag gedurende 2 stappen om de tegenovergestelde polariteit te bereiken (de gemiddelde spanning die een trapeziumvormige golfvorm volgt). Dit is ‘ AC ‘ bij de commutatiefrequentie, maar ‘ gemiddelde DC ‘ op de PWM-frequentie.
• @Tony Stewart hier wordt het ingewikkeld. Met laagfrequente PWM wordt de stroom volledig in- en uitgeschakeld, zodat de motor reageert op de PWM-golf ‘ s rms-spanning, en de gascurve is niet-lineair (meer vermogen dan verwacht bij lage gas geven, maar ook meer verwarming en lager rendement). Wanneer de PWM-frequentie wordt verhoogd, zorgt de inductantie van de motor ‘ ervoor dat de stroom soepeler loopt, zodat de spanningsrespons verschuift van rms naar gemiddeld en de gascurve lineair wordt.
• en als de commutatiesnelheid te hoog is voor de ESC, klapt hij om en valt hij uit de lucht .. misschien een lagedrukvlek die een snelle toename van het toerental veroorzaakt.

Waarom hebben borstelloze motoren een kv-classificatie?

“kv Rating” heeft niets te maken met verwacht koppel, stroom, vermogen, stuwkracht, lift of slepen

• De uitzondering is dat het relatieve koppel kan veranderen met het aantal magneten en het aantal statorwikkelingen per omwenteling, dus net als tandwielen kan deze verhouding worden gewijzigd. Dus in zekere zin worden motoren van hetzelfde formaat met relatief hogere kv-waarden gemaakt voor meer snelheid en minder lift.

Het is gebaseerd op het aantal magneten, het aantal statorwikkelingen per rotatie, het aantal fasen per pool en heeft geen indicatie van vermogen.

Het is puur de rotatiesnelheid die de tegen EMF-spanning om de toegepaste spanning aan te passen. Deze overeenkomst vindt alleen plaats zonder belasting en weerstand vermindert deze verhouding tot 10% met een toename in de richting van de nominale spanning, afhankelijk van inherente verliezen. (bijv. Wervelstroom, wrijving, over het algemeen klein in vergelijking met vermogen gebruik. Door het patroon van de opwindstator te veranderen of het aantal magneten te veranderen, wordt het aantal RPM-verhouding per volt gewijzigd voor hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt als de overbrengingsverhouding op een fiets.

• • Voorbeeldberekeningen met verschillende magneten, veldrotatie bepalen

    • totale magneten / 2 = veldrotatiefactor

    • Veldrotatiefactor * kV = magnetische cyclus / V

    • Dus met 14 magneten, veldrotatiefactor = 7, dus veldrotatie = 7609 cycli / v

    • Voor 2200 kv:

      • 14 magneet – 2200 * 7 = 154000 cycli / V
      • 10 magneten – 2200 * 5 = 11000 cycli / V
      • 8 magneten – 2200 * 4 = 8800 cycli / V

Vermogen is een functie van stroom en alleen belasting wordt beoordeeld met OF een lineaire belasting of de niet-lineaire belasting van de aerodynamische prop. of een incrementele lineaire belasting in termen van gm / W of gm / A waarbij gm de stuwkracht is.

Achtergrondminiatuur over theorie (te vereenvoudigd)

• Het is gebaseerd op de wetten van de natuurkunde gedefinieerd door Maxwell en dieper door Heaviside, en Lorenz die bewezen dat deze Force on charge q is een product van de som van het E-veld en de snelheid van het B-veld.

Dus de vectorvergelijkingen zeggen. F = q (E + vxB)

De Lorenz-kracht , F die inwerkt op een deeltje met elektrische lading q met onmiddellijke snelheid v, als gevolg van een extern elektrisch veld E en magnetisch veld B. Deze kracht noemen we de Elektromagnetische kracht en wordt zonder belasting geëvenaard door de tegen-EMF.

De hoeksnelheid per volt is een meer complexe met het aantal statorpolen en rotorpolen die een ratiometrische conversie en de commutatie van de motorstroom opleveren wordt automatisch omgekeerd net een voldoende aantal boogseconden na het magnetische nulveld om geen dode stop te garanderen.(ontwerp- / procesfout)

De magnetische ladingssnelheid is dus evenredig met de veldsterkte die het gevolg is van spanning en wordt ook wel Back EMF-veldsterkte genoemd

Opmerkingen

• Degenen die fouten kunnen vinden, moeten het bewijzen, degenen die de waarheid erkennen, zouden het moeten goedkeuren
• Dit is technisch correct, dus ik heb het op nul gezet (+1) uw stemmen, maar er is zeker een veel begrijpelijkere manier om dit te zeggen in de manier waarop u ‘ probeert het uit te drukken.
• Ik voeg toe ook een +1, dit geeft aan waar de constanten vandaan komen. Ik heb een antwoord toegevoegd dat Kv, Kt en Ke koppelt.
• @Daniel was het daarmee eens, maar de theorie is er gewoon in gegooid om de wortels van de magnetische principes te laten zien die veel complexer zijn dan deze lezer ‘ s overzichtsversie. De BEMF kan op verschillende manieren worden geïnterpreteerd, maar komt altijd overeen met Vin zonder belasting, ongeacht of het een megawatt- of een milliwatt-motor is.
• Weet van bronnen die dit gedetailleerd uitleggen, tot in de tijd variërende velden die in maxwells-vergelijkingen?

De KV-beoordeling verwijst naar de maximum RPM / volt dat kan worden bereikt met de motor, dus een motor van 2300 KV bij 1 V zou werken bij snelheden tot 2300 RPM, ongeacht de frequentie. Hoe lager de spanning, hoe lager het maximale koppel dat de motor kan produceren. Als je de frequentie zou verhogen en zou proberen om hem met een hogere snelheid te laten draaien, zou de motor niet genoeg koppel hebben om wrijving bij die snelheid te overwinnen en afslaan.

Opmerkingen

• Is dat dan het werkelijke nulkoppel RPM voor die spanning? dat wil zeggen is het de piekspanning van de golfvorm wanneer u hem met een boormachine op dat toerental draait?
• Het nulkoppel-toerental zal meestal ergens boven de KV-waarde liggen – de KV-waarde is slechts een punt waarop de motor kan leveren een redelijk koppel en een hogere frequentie kan leiden tot een verminderd koppel, een onbetrouwbare werking of uiteindelijk afslaan als het niet langer wrijving kan overwinnen.
• Heeft u aanvullende informatie die u aan uw antwoord kunt toevoegen? zoals waar en waarom deze beoordeling is ontwikkeld? Het lijkt vrij beperkt te zijn tot quad-copters en vergelijkbare markten.
• Het is ‘ moeilijk te zeggen, maar het is waarschijnlijk ontwikkeld door de RC-industrie als een manier om motoren te classificeren voor een veilige maximale snelheid. Ik heb dit nog nooit gezien op borstelloze motoren die bedoeld zijn voor niet-RC-toepassingen
• Dus de amplitude van het signaal dat een ESC produceert is eigenlijk niet constant?

Voor een BLDC-machine zijn er twee sleutelconstanten

\ $ K_t \ $ met eenheden Nm / A

\ $ K_e \ $ met eenheden V / \ $ \ omega \ $ (pieklijnspanning)

Voor een ideale BLDC-machine \ $ K_t \ equiv K_e \ $ maar vanwege specifieke kenmerken waar deze twee constanten a gedefinieerd (\ $ K_e \ $ zijnde open-klem spanning & \ $ K_t \ $ zijnde koppelproductie bij nominale stroom) \ $ K_t \ $ neigt lager te zijn vanwege verzadiging van de stator

Wat moet dit doen met BLDC-motoren voor quadrotors & \ $ K_v \ $

Nou \ $ K_v \ $ is slechts het omgekeerde van \ $ K_e \ $ ONCE geconverteerd naar rpm.

Omdat quadrotors en dergelijke RC-apparaten meestal een beperkte voedingsspanning hebben, geeft deze rpm-constante de rotorsnelheid aan die kan worden bereikt ( gelost) voor a gegeven batterij. Evenzo kunt u het koppel schatten dat kan worden geproduceerd door de relatie tussen deze constanten.

De rol van een ESC is om de statorflux op 90 graden te houden ten opzichte van de rotorflux. Dit wordt gedaan met behulp van een positiesensor, zoals een Hall-element of door back-EMF-detectie te gebruiken – sensorloze besturing.
Verder kan de ESC een sinusgolf-driefasige uitgang uitvoeren, de zogenaamde FOC (Field Oriented Control) of kwadratische spanning, waar alleen twee spoelen zijn tegelijkertijd verbonden, de derde blijft zweven.
Het is niet het geval, die rotor volgt het statorveld, eerder het tegenovergestelde: het is de ingevulde stator die de rotorpositie volgt. Met FOC , de ampliduut van de vectorstatorspanning constant is en roteert ten opzichte van de rotorpositie. De spanning moet hoger zijn dan de door EMF gegenereerde spanning om de motor te laten draaien. Hier speelt de Kv-factor een rol.

Ik weet niet zeker waarom dit in deze context niet wordt geciteerd.

Het zou V / krpm. of volt moeten zijn / 1000 omwentelingen / minuut. Ik zou de korte hand van V / k kunnen begrijpen, maar kv is kilo volt.
Misschien is de spanning tussen de benen op de motor of een been en neutraal misschien een groots maar de afspraak is tussen 2 benen van de motordraden.Ik denk dat het komt omdat het gemakkelijker is als er geen neutrale draad bestaat.

Reacties

• Nee, kilovolts wordt geschreven als ‘ kV ‘, niet ‘ kv ‘. Zie en.wikipedia.org/wiki/… .