Dlaczego silniki bezszczotkowe mają wartość kv?

Moment obrotowy silnika elektrycznego jest wprost proporcjonalny do prądu silnika (nie napięcia!), a prąd (I) jest mniej więcej równe

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

Gdzie V to napięcie zasilania silnika, R to rezystancja uzwojenia, a ε to siła elektromotoryczna wsteczna (tylna EMF).

KV i tylna EMF

Tylna EMF to napięcie, które byłoby obecne na zaciskach silnika, gdy silnik obraca się i nic do niego nie jest podłączone. Napięcie to jest wytwarzane przez silnik działający jako alternator, jeśli wolisz, i jest wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej. Ocena KV to nic innego jak inny sposób określenia związku między prędkością obrotową a tylną EMF (KV ≈ RPM / ε). Ogranicza maksymalną prędkość silnika przy dowolnym napięciu akumulatora, ponieważ przy pewnej prędkości zależnej od KV, przeciwelektromotoryczna ” anuluje ” napięcie akumulatora. Zapobiega to przepływowi większej ilości prądu do silnika, a tym samym zmniejsza moment obrotowy do zera.

Kiedy po raz pierwszy włączasz silnik, prędkość wynosi zero. Oznacza to, że tylna EMF jest również zerowa, więc jedynymi czynnikami ograniczającymi prąd silnika są rezystancja uzwojenia i napięcie zasilania. Gdyby sterownik silnika (ESC) wyprowadzał pełne napięcie akumulatora do silnika przy niskich prędkościach, silnik i / lub ESC po prostu by się stopiły.

Napięcie, częstotliwość, przepustnica i prędkość

W schematach sterowania silnikiem bezszczotkowym z zamkniętą pętlą prędkość silnika (której funkcją jest częstotliwość wyjściowa) nie jest bezpośrednio sterowana. Zamiast tego przepustnica kontroluje napięcie wyjściowe, a ESC w sposób ciągły dostosowuje częstotliwość wyjściową w odpowiedzi na przesunięcie fazowe między kątem wirnika a przebiegiem napędu. Faza tylnego pola elektromagnetycznego przekazuje bezczujnikowe ESC bezpośrednio bieżący kąt wirnika, podczas gdy czujniki ESC używają czujników efektu Halla do tego samego celu.

Odwrotne ustawienie (bezpośrednie ustawienie częstotliwości i sterowanie napięcie w odpowiedzi na zmierzone przesunięcie fazowe) stałoby się dobrym działaniem równoważącym:

• Ustawienie zbyt niskiego napięcia pozwoliłoby na przepływ zbyt małego prądu, ograniczając moment obrotowy. Jeśli moment obrotowy spada, ale obciążenie pozostaje stałe, silnik musi zwolnić, co prowadzi do natychmiastowej utraty synchronizacji.

• Zbyt duże napięcie spowodowałoby przepływ nadmiernego prądu, marnowanie mocy i ogrzewanie silnik i ESC niepotrzebnie.

Zatem optymalny punkt sprawności jest niestabilny z ” częstotliwością jako pierwszą ” kontrola. Pętla sterująca może utrzymać go blisko, ale jeśli ESC nie może zareagować wystarczająco szybko na przejściowe obciążenie, nastąpi utrata synchronizacji. Nie dotyczy to ” najpierw napięcia „, gdzie przejściowe obciążenie spowoduje chwilowe zmniejszenie prędkości bez żadnych złych skutków.

ESC używane w helikopterach RC o skoku zbiorczym często mają ” regulator ” funkcja, która utrzymuje stałą prędkość silnika proporcjonalną do ustawienia przepustnicy. Nawet te ESC nie kontrolują częstotliwości bezpośrednio, zamiast tego wdrażają PID kontroler, który ustawia napięcie w odpowiedzi na różnicę między żądaną i rzeczywistą częstotliwością.

ESC ” timing ”

Ustawienie czasu silnika w ESC dostosowuje wartość zadaną tego mechaniczno-elektrycznego przesunięcia fazowego: Wysoki czas oznacza, że wyjście ESC prowadzi wykryte położenie wirnika np. 25 stopni, podczas gdy przy niskim taktowaniu to przesunięcie fazowe jest znacznie bliższe zeru. Wysokie ustawienie taktowania wytwarza większą moc mniej wydajnie.

Moment obrotowy

Normalne ESC RC nie mogą kontrolować stałego momentu ani ograniczać momentu obrotowego, ponieważ brakuje im obwodów wykrywających prąd jako środka oszczędzającego koszty i wagę . Moment obrotowy nie jest w żaden sposób kontrolowany; silnik po prostu wytwarza tyle momentu obrotowego (i pobiera proporcjonalnie tyle prądu), ile wymaga obciążenie przy danej prędkości.Aby zapobiec przeciążeniu ESC, akumulatora i / lub silnika przez gwałtowne uderzenia przepustnicy (ponieważ pokonywanie bezwładności wytwarza potencjalnie nieograniczony moment obrotowy), ESC zwykle mają ograniczenia dotyczące przyspieszenia i napięcia przy danej częstotliwości.

Hamowanie

Jeśli silnik będzie się obracał za pomocą środków zewnętrznych, podczas gdy napięcie jest zmniejszane, w końcu tylna siła elektromagnetyczna będzie większa niż poziom, który ESC próbuje napędzać. Powoduje to ujemny prąd i hamuje silnik. Wytworzona w ten sposób energia elektryczna jest albo rozpraszana w cewkach silnika, albo zawracana do zasilacza / akumulatora, w zależności od zastosowanego trybu zaniku PWM.

Komentarze

• Dziękuję za szczegółowe wyjaśnienie @jms. Więc jeśli dobrze rozumiem, zwiększenie przepustnicy zwiększa amplitudę sygnału AC na 3 przewodach silnika, co chwilowo powoduje przesunięcie fazowe, które esc wykrywa (z tylnym emf?), A następnie odpowiednio zmienia swoją częstotliwość wyjściową?
• @ThomasKirven To ' jest poprawne i bardzo fajnie to ujęło.
• Należy to wyjaśnić ” ocena kv ” nie ma nic wspólnego z momentem obrotowym
• @ TonyStewart.EEsince ' 75 Chociaż oni są całkowicie odmiennymi parametrami, istnieje kompromis między nimi: gdy kupujesz dwa silniki o tej samej wielkości, masie i konstrukcji, ale jeden jest ustawiony na wyższą wartość KV niż drugi, silnik o wysokim KV będzie obracał się szybciej i generował mniejszy moment obrotowy przy tym samym poborze mocy.
• tak, oczywiście jak biegi na rowerze, moment obrotowy w funkcji prędkości, ale niezwiązane z KM lub rzeczywistą mocą

Gen ESC stawki 3-fazowy prąd AC. Z tego, co rozumiem, częstotliwość przebiegu prądu przemiennego całkowicie determinuje prędkość silnika, a amplituda (napięcie szczytowe minus napięcie minimalne) przebiegu jest mniej więcej stała. Wydaje mi się, że napięcie naprawdę nie ma nic wspólnego z określaniem prędkości silnika bezszczotkowego.

Przepraszamy, ale to wszystko jest złe. Silniki używane w quadkopterach to bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC), które są odpowiednikiem szczotkowanego silnika prądu stałego, ale z komutacją elektroniczną.

Prędkość silnika jest określana przez napięcie („back-emf”), które silnik generuje podczas obracania się, nie częstotliwość komutacji (która musi następować zgodnie z blokadą z silnik się obraca lub nie obraca się). Silniki BLDC mają magnesy trwałe, więc siła przeciwsmarowa jest wprost proporcjonalna do obrotów. Back-emf równa się przyłożonemu napięciu minus spadek napięcia na rezystancji i indukcyjności uzwojenia, a silnik przyspieszy lub zwolni, pobierając prąd wymagany do wytworzenia momentu obrotowego pochłanianego przez obciążenie – dokładnie tak samo, jak szczotkowany silnik prądu stałego.

ESC steruje prędkością silnika poprzez zmianę przyłożonego do niego napięcia. Zwykle odbywa się to za pomocą PWM, więc napięcie szczytowe jest zawsze równe napięciu akumulatora, ale średnie napięcie (na które reaguje silnik) zmienia się zgodnie ze stosunkiem włączenia / wyłączenia PWM. ESC wytwarza dowolną częstotliwość komutacji wymaganą przez silnik, podobnie jak twornik w silniku szczotkowanym powoduje, że komutator przełącza się z żądaną częstotliwością.

Zatem przyłożone napięcie ma wszystko związane z prędkością silnika. Dlatego te silniki mają znamionową wartość Kv – jest to istotny parametr do określenia, jakie obroty można osiągnąć przy danym napięciu. Ponieważ moc pochłaniana przez śmigło jest proporcjonalna do trzeciej potęgi obrotów i czwartej mocy średnicy śruby, Kv jest krytycznym parametrem przy dopasowywaniu elementów quadkoptera.

Podana wartość Kv powinna być teoretyczną prędkością obrotową przy 1 V, gdy silnik nie pobiera prądu. Jednak zwykle oblicza się go, po prostu dzieląc zmierzoną prędkość obrotową bez obciążenia przez przyłożone napięcie, co daje nieco niższą (nieprawidłową) wartość. I tak jak prędkość szczotkowanego silnika można zwiększyć poprzez przesunięcie szczotek, tak bezszczotkowy ESC może zwiększyć efektywne Kv silnika BLDC poprzez przyspieszenie taktowania komutacji. Dodając do tego tolerancje produkcyjne i słabą kontrolę jakości, nie jest typowe, aby silnik miał rzeczywisty Kv o 20% wyższy lub niższy od specyfikacji.

Silniki zaprojektowane do innych zastosowań często nie mają wartości Kv, ponieważ nie jest to uważane za tak ważne. Jednak zwykle podaje się obroty bez obciążenia przy napięciu znamionowym, z którego można wyprowadzić Kv. Silnik Można również określić stałą momentu obrotowego (Kt). Kv jest odwrotnością Kt.

Komentarze

• Mówienie o napięciu przyłożonym do silnika wydaje się mylące, ponieważ sygnał jest zmienny i zawsze się zmienia. Gdybym zmierzył przebieg wyjściowy ESC podczas podłączenia do rzeczywistego silnika, czy naprawdę zobaczyłbym wzrost amplitudy fali przy wyższych wartościach przepustnicy?
• Napięcie należy przekształcić z RMS na DC, aby uzyskać równoważny komutowany silnik szczotkowy DC lub rzeczywisty średni prąd stały przyłożony do ESC, który generuje prąd stały z modulacją PWM. Zignoruj komutację ESC i 3 fazy, aby to zrozumieć. To nie jest napęd ze zmienną częstotliwością.
• ” Gdybym zmierzył przebieg wyjściowy ESC, gdy był podłączony do rzeczywistego silnika, czy naprawdę zobaczyłbym wzrost fali w amplitudzie przy wyższych wartościach przepustnicy? ” – W pewnym sensie. Zobaczysz falę prostokątną PWM z cyklem pracy rosnącym przy wyższych wartościach przepustnicy. Fala PWM jest spłaszczana przez 1 stopień komutacji, a następnie zmniejsza się / zwiększa liniowo przez 2 kroki, aby uzyskać przeciwną polaryzację (średnie napięcie na przebiegu trapezoidalnym). To jest ' AC ' przy częstotliwości komutacji, ale ' uśredniony DC ' na częstotliwości PWM.
• @Tony Stewart to się komplikuje. Przy niskiej częstotliwości PWM prąd włącza się i wyłącza w pełni, więc silnik reaguje na ' s fali PWM napięcie skuteczne, a krzywa przepustnicy jest nieliniowa (większa moc niż oczekiwana przy niskim przepustnicy, ale też więcej nagrzewania i niższej wydajności). Kiedy częstotliwość PWM jest zwiększana, ' indukcyjność silnika sprawia, że prąd płynie bardziej płynnie, więc odpowiedź napięciowa zmienia się z wartości skutecznej na średnią, a krzywa przepustnicy staje się liniowa.
• i jeśli szybkość komutacji jest zbyt szybka dla ESC, przewraca się i spada z nieba .. być może punkt niskiego ciśnienia powodujący szybki wzrost obrotów.

Dlaczego silniki bezszczotkowe mają wartość kv?

„Ocena kv” nie ma nic wspólnego z przewidywanym momentem obrotowym, prądem, mocą, ciągiem, uniesieniem lub oporem

• Wyjątkiem jest względny moment obrotowy, który może zmieniać się wraz z liczbą magnesów i liczbą zwojów stojana na obrót, więc podobnie jak w przypadku kół zębatych, stosunek ten można modyfikować. W pewnym sensie silniki tego samego rozmiaru ze stosunkowo wyższymi wartościami kv są wytwarzane dla większej prędkości i mniejszego podnoszenia.

Opiera się na liczbie magnesów, liczbie zwojów stojana na obrót, liczbie faz na biegun i nie ma wskazania mocy.

Jest to czysto prędkość obrotowa, która generuje z powrotem napięcie EMF, aby dopasować przyłożone napięcie. To dopasowanie występuje tylko przy braku obciążenia, a opór zmniejsza ten współczynnik do 10% ze wzrostem do napięcia znamionowego w zależności od strat własnych. (np. Prąd wirowy, tarcie, ogólnie małe w porównaniu do mocy dostępne. Zmiana wzoru stojana uzwojenia lub zmiana liczby magnesów spowoduje zmianę liczby obrotów na minutę na wolt dla tego samego materiału użytego jak przełożenie przekładni w rowerze.

• • Przykładowe obliczenia z różnymi magnesami, określ rotację pola

    • suma magnesów / 2 = współczynnik rotacji pola

    • Współczynnik rotacji pola * kV = cykl magnetyczny / V

    • Zatem przy 14 magnesach współczynnik rotacji pola = 7, czyli rotacja pola = 7609 cykli / v

    • Dla 2200 kv:

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

Moc jest funkcją prądu i tylko obciążenia ma ocenę EITHER obciążenie liniowe lub nieliniowe obciążenie podpory aerodynamicznej. lub przyrostowe obciążenie liniowe w kategoriach gm / W lub gm / A , gdzie gm jest siłą napędową.

Miniaturka tła teorii (zbyt uproszczona)

• Opiera się na prawach fizyki zdefiniowanych przez Maxwella, a dokładniej przez Heavisidea i Lorenza, którzy udowodnili, że ta naładowana siła q jest iloczyn sumy pola E i prędkości pola B.

Zatem równania wektorowe mówią. F = q (E + vxB)

siła Lorenza , F działająca na cząsteczkę ładunku elektrycznego q z chwilową prędkością v, z powodu zewnętrznego pola elektrycznego E i pola magnetycznego B. Siłą tą nazywamy Siła elektromagnetyczna i jest dopasowywana przez tylną siłę elektromotoryczną bez obciążenia.

Prędkość kątowa na wolt jest bardziej złożona z liczbą biegunów stojana i biegunów wirnika, co zapewnia konwersję ratiometryczną i komutację prądu silnika jest automatycznie odwracana tylko przez odpowiednią liczbę sekund łuku po zerowym polu magnetycznym, aby zapewnić brak martwego zatrzymania.(awaria projektu / procesu)

Zatem prędkość ładunku magnetycznego jest proporcjonalna do natężenia pola, które jest spowodowane napięciem i jest również określana jako siła pola przeciwelektromotorycznego

Komentarze

• Ci, którzy mogą znaleźć błąd, muszą to udowodnić, ci, którzy rozpoznają prawdę, powinni to zaakceptować
• Jest to technicznie poprawne, więc wyzerowałem (+1) swoich głosów, ale jest zdecydowanie bardziej zrozumiały sposób, aby to powiedzieć w sposobie, w jaki ' próbujesz to wyrazić.
• dodaję +1 również, obejmuje to, skąd pochodzą stałe. Dodałem odpowiedź łączącą Kv, Kt i Ke
• @Daniel zgodził się, ale teoria jest po prostu wrzucona, aby pokazać korzenie zasad magnetycznych, które są znacznie bardziej złożone niż ten czytelnik . BEMF można interpretować na różne sposoby, ale zawsze pasuje do Vin bez obciążenia, niezależnie od tego, czy jest to silnik o mocy megawata, czy o mocy miliwata.
• Znajomość źródeł, które wyjaśniają to szczegółowo, aż do zmiennych w czasie pól używanych w maxwells equations?

Ocena KV odnosi się do maksymalne obr./min, które można osiągnąć za pomocą silnika – tak więc silnik 2300 KV przy 1 V działałby z prędkością do 2300 obr / min, niezależnie od częstotliwości. Im niższe napięcie, tym niższy maksymalny moment obrotowy, który może wytworzyć silnik. Jeśli zwiększysz częstotliwość i spróbujesz pracować z większą prędkością, silnik nie miałby wystarczającego momentu obrotowego, aby pokonać tarcie przy tej prędkości i przeciągnąć.

Komentarze

• Czy to jest rzeczywisty zerowy moment obrotowy RPM dla tego napięcia? tj. czy jest to szczytowe napięcie przebiegu, gdy obracasz go wiertłem przy tych obrotach?
• Obroty przy zerowym momencie obrotowym zwykle będą gdzieś powyżej wartości znamionowej KV – wartość KV to tylko punkt, w którym silnik może zapewnić rozsądny moment obrotowy i uruchomienie go z wyższą częstotliwością może spowodować zmniejszenie momentu obrotowego, zawodną pracę lub ostatecznie zablokowanie, gdy nie będzie już w stanie pokonać tarcia.
• Czy masz jakieś dodatkowe informacje, które możesz dodać do swojej odpowiedzi jak gdzie i dlaczego ta ocena została opracowana? Wydaje się, że jest dość ograniczony do quad-copterów i podobnych rynków.
• Trudno powiedzieć ', ale prawdopodobnie został opracowany przez przemysł RC jako sposób oceny silników dla bezpiecznej maksymalnej prędkości. Nigdy nie widziałem tego w silnikach bezszczotkowych przeznaczonych do zastosowań innych niż RC
• Więc amplituda sygnału wytwarzanego przez ESC w rzeczywistości nie jest stała?

W przypadku maszyny BLDC istnieją dwie kluczowe stałe

\ $ K_t \ $ z jednostkami Nm / A

\ $ K_e \ $ z jednostkami V / \ $ \ omega \ $ (szczytowe napięcie linii)

Dla idealnej maszyny BLDC \ $ K_t \ equiv K_e \ $ ale ze względu na specyfikę, gdzie te dwie stałe a zdefiniowane (\ $ K_e \ $ to napięcie otwartego zacisku & \ $ K_t \ $ to wytwarzanie momentu obrotowego przy prądzie znamionowym) \ $ K_t \ $ zwykle jest niższe z powodu nasycenie stojana

Co to ma do zrobienia z silnikami BLDC dla quadrotorów & \ $ K_v \ $

Cóż \ $ K_v \ $ jest po prostu odwrotnością \ $ K_e \ $ RAZ przekonwertowana na obroty.

Ponieważ quadrotory i takie urządzenia RC mają zwykle ograniczone napięcie zasilania, ta stała obrotów wskaże prędkość wirnika, jaką można osiągnąć ( rozładowany) na a dany akumulator. W podobny sposób można oszacować moment obrotowy, który może być wytworzony z powodu relacji między tymi stałymi.

Rolą ESC jest utrzymywanie strumienia stojana pod kątem 90 stopni w stosunku do strumienia wirnika. Odbywa się to za pomocą czujnika położenia, takiego jak element hallotronowy, lub za pomocą wykrywania wstecznego pola elektromagnetycznego – sterowanie bezczujnikowe.
Ponadto ESC może wyprowadzać sinusoidalne wyjście trójfazowe, tak zwane FOC (Field Oriented Control) lub napięcie kwadratowe, gdzie tylko dwie cewki są połączone w tym samym czasie, trzecia pozostaje pływająca.
Nie jest tak, że wirnik podąża za polem stojana, wręcz przeciwnie – to pole stojana podąża za pozycją wirnika. Z FOC , amplituda napięcia stojana wektora jest stała i obraca się w odniesieniu do położenia wirnika. Napięcie musi być wyższe niż napięcie generowane przez siłę elektromotoryczną, aby silnik mógł obracać się. Tutaj rolę odgrywa współczynnik Kv.

Nie wiem, dlaczego jest to pomijane w tym kontekście.

Powinno to być V / krpm lub wolty / 1000 obrotów / minutę. Prawdopodobnie mógłbym zrozumieć krótką rękę V / k, ale kv to kilowolty.
Może wolty między nogami silnika lub nogi i neutralnego mogą być takie biguous, ale konwencja jest między 2 nogami przewodów silnika.Myślę, że to dlatego, że jest łatwiej, jeśli nie ma przewodu neutralnego.

Komentarze

• Nie, kilowolty są zapisywane jako ' kV ', a nie ' kv '. Zobacz en.wikipedia.org/wiki/… .