¿Por qué los motores sin escobillas tienen una clasificación kv?

La salida de par de un motor eléctrico es directamente proporcional a la corriente del motor (¡no al voltaje!) y la corriente (I) es aproximadamente igual a

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

Donde V es el voltaje de alimentación del motor, R es la resistencia del devanado y ε es la fuerza electromotriz trasera (EMF trasera).

KV y EMF trasera

La EMF trasera es el voltaje que estaría presente en los terminales del motor cuando el motor gira sin que nada esté conectado a él. Este voltaje es producido por el motor que actúa como alternador, si se quiere, y es directamente proporcional a la velocidad de rotación. La clasificación KV no es más que otra forma de establecer la relación entre la velocidad de rotación y la fuerza contraelectromotriz (KV ≈ RPM / ε). Limita la velocidad máxima del motor a cualquier voltaje de batería dado, porque a alguna velocidad dependiente de KV, el back-EMF » cancelará » el voltaje de la batería. Esto evita que fluya más corriente al motor y, por lo tanto, reduce el par a cero.

Cuando enciende el motor por primera vez, la velocidad es cero. Esto significa que la EMF trasera también es cero, por lo que las únicas cosas que limitan la corriente del motor son la resistencia del devanado y la tensión de alimentación. Si el controlador del motor (ESC) enviara el voltaje total de la batería al motor a bajas velocidades, el motor y / o el ESC simplemente se derretirían.

Voltaje, frecuencia, aceleración y velocidad

En los esquemas de control de motor sin escobillas de circuito cerrado, la velocidad del motor (de la cual la frecuencia de salida es una función) no se controla directamente. En cambio, el acelerador controla el voltaje de salida y el ESC ajusta continuamente la frecuencia de salida en respuesta al cambio de fase entre el ángulo del rotor y la forma de onda de la unidad. La fase del EMF trasero le dice a los ESC sin sensores directamente el ángulo actual del rotor, mientras que los ESC con sensores usan sensores de efecto Hall para el mismo propósito.

Hacer las cosas al revés (establecer la frecuencia directamente y controlar la voltaje en respuesta al cambio de fase medido) se convertiría en un acto de equilibrio fino:

• Establecer el voltaje demasiado bajo permitiría que fluyera muy poca corriente, lo que limitaría el par. Si el par cae pero la carga permanece constante, el motor debe reducir la velocidad, lo que provoca una pérdida inmediata de sincronización.

• Demasiado voltaje provocaría un flujo de corriente excesivo, desperdiciando energía y calentamiento. el motor y el ESC innecesariamente.

Por lo tanto, el punto de eficiencia óptimo es inestable con » frecuencia primero » control. Un bucle de control podría mantenerlo cerca, pero si el ESC no puede reaccionar lo suficientemente rápido a una carga transitoria, se producirá una pérdida de sincronización. Esto no es cierto para » voltaje primero » control, donde una carga transitoria solo causará una reducción momentánea de la velocidad sin efectos nocivos.

Los ESC usados en helicópteros RC de paso colectivo a menudo tienen un » gobernador » función, que mantiene una velocidad fija del motor proporcional a la configuración del acelerador. Incluso estos ESC no controlan la frecuencia directamente, sino que implementan un PID controlador que establece el voltaje en respuesta a la diferencia entre la frecuencia deseada y real.

ESC » timing »

La configuración de sincronización del motor de los ESC ajusta el punto de ajuste de este cambio de fase mecánico-eléctrico: La sincronización alta significa que la salida del ESC conduce a la posición del rotor detectada por ejemplo 25 grados, mientras que con poca sincronización este cambio de fase se mantiene mucho más cerca de cero. Un ajuste de tiempo alto produce más potencia de manera menos eficiente.

Torque

Los RC ESC normales no pueden realizar un control de torque constante o limitación de torque, ya que carecen de circuitos de detección de corriente como una medida de ahorro de peso y costo . La salida de par no se controla de ninguna manera; el motor solo produce tanto par (y consume proporcionalmente tanta corriente) como la carga requiere a una velocidad determinada.Para evitar que los golpes rápidos del acelerador sobrecarguen el ESC, la batería y / o el motor (ya que superar la inercia produce un par potencialmente ilimitado), los ESC suelen tener límites para la aceleración y el voltaje a una frecuencia determinada.

Frenado

Si el motor se mantiene girando por medios externos mientras se reduce el voltaje, eventualmente la EMF trasera será mayor que el nivel que el ESC intenta conducir. Esto provoca una corriente negativa y frena el motor. La electricidad así producida se disipa en las bobinas del motor o se retroalimenta a la fuente de alimentación / batería, dependiendo del modo de caída PWM utilizado.

Comentarios

• Gracias por la explicación detallada @jms. Entonces, si entiendo que aumentar correctamente el acelerador aumenta la amplitud de la señal de CA en los 3 cables del motor, lo que crea momentáneamente un cambio de fase, que el esc detecta (¿con la fem inversa?) Y luego cambia su salida de frecuencia en consecuencia.
• @ThomasKirven Eso ‘ es correcto y es una forma muy agradable de decirlo.
• Debe quedar claro » kv rating » no tiene nada que ver con el torque
• @ TonyStewart.EEsince ‘ 75 Mientras son parámetros completamente distintos, hay una compensación entre los dos: cuando compra dos motores del mismo tamaño, masa y diseño, pero uno está enrollado a un KV más alto que el otro, el motor de alto KV girará más rápido y generará menos torque con la misma potencia de entrada.
• sí, por supuesto, como los engranajes de una bicicleta, el par frente a la velocidad, pero no está relacionado con los HP o la potencia real

Un gen ESC Tasa de corriente alterna trifásica. Y por lo que entiendo, la frecuencia de la forma de onda de CA determina completamente la velocidad del motor, y la amplitud (voltaje máximo menos voltaje mínimo) de la forma de onda es más o menos constante. Para mí, esto parece que el voltaje realmente no tiene nada que ver con determinar la velocidad de un motor sin escobillas.

Lo siento, pero todo esto está mal. Los motores utilizados en los cuadricópteros son motores de CC sin escobillas (BLDC), que son equivalentes a un motor de CC con escobillas pero con conmutación electrónica.

La velocidad del motor está determinada por el voltaje («back-emf») que genera el motor mientras gira, no la frecuencia de conmutación (que tiene que seguir en el paso de bloqueo con el el motor gira o no gira). Los motores BLDC tienen imanes permanentes, por lo que la fuerza contraelectromotriz es directamente proporcional a las rpm. Back-emf es igual al voltaje aplicado menos la caída de voltaje a través de la resistencia del devanado y la inductancia, y el motor se acelerará o desacelerará a medida que extrae la corriente requerida para producir el par absorbido por la carga, exactamente igual que un motor de CC cepillado.

El ESC controla la velocidad del motor variando el voltaje que se le aplica. Por lo general, esto se hace con PWM, por lo que el voltaje pico siempre es igual al voltaje de la batería, pero el voltaje promedio (al que responde el motor) varía según la relación de encendido / apagado de PWM. El ESC produce cualquier frecuencia de conmutación que el motor le demande, de manera similar a cómo la armadura de un motor con escobillas hace que el conmutador cambie a la frecuencia que demanda.

Entonces, el voltaje aplicado tiene todo que ver con la velocidad del motor. Es por eso que estos motores tienen una clasificación de Kv: es un parámetro esencial para determinar qué rpm se pueden lograr con un voltaje particular. Dado que la potencia absorbida por una hélice es proporcional a la 3ª potencia de rpm y la 4ª potencia del diámetro de la hélice, Kv es un parámetro crítico al hacer coincidir los componentes de un quadcopter.

El valor de Kv especificado deben ser las rpm teóricas a 1 V cuando el motor no está consumiendo corriente. Sin embargo, comúnmente se calcula dividiendo simplemente las rpm sin carga medidas por el voltaje aplicado, lo que da un valor ligeramente más bajo (incorrecto). Y así como la velocidad de un motor con escobillas se puede aumentar al hacer avanzar las escobillas, un ESC sin escobillas puede aumentar el Kv efectivo de un motor BLDC al adelantar el tiempo de conmutación. Agregue las tolerancias de fabricación y el control de calidad deficiente, y no es habitual que un motor tenga un Kv real un 20% más alto o más bajo que su especificación.

Los motores diseñados para otros usos a menudo no tienen una clasificación Kv porque no se considera tan importante. Sin embargo, generalmente se proporcionan las rpm sin carga a voltaje nominal, de las cuales se pueden derivar Kv. También se puede especificar la constante de par (Kt). Kv es la inversa de Kt.

Comentarios

• Parece engañoso hablar de voltaje aplicado al motor, ya que la señal es CA y siempre varía. Si midiera la salida de forma de onda de un ESC mientras estaba conectado a un motor real, ¿realmente vería que la forma de onda aumenta en amplitud a valores de aceleración más altos?
• El voltaje debe convertirse de RMS a CC para obtener el motor de CC de tipo de escobilla conmutada equivalente o la CC promedio real aplicada al ESC que genera CC modulada PWM. Ignora la conmutación ESC y las 3 fases para entenderla. No es una unidad de control de frecuencia variable.
• » Si midiera la salida de forma de onda de un ESC mientras estaba conectado a un motor real, realmente vería que la forma de onda crece en amplitud a valores de aceleración más altos? » – Más o menos. Vería una onda cuadrada PWM con un ciclo de trabajo que aumenta a valores de aceleración más altos. La onda PWM tiene la parte superior plana para 1 paso de conmutación, luego aumenta / baja linealmente durante 2 pasos para llegar a la polaridad opuesta (el voltaje promedio que traza una forma de onda trapezoidal). Esto es ‘ AC ‘ en la frecuencia de conmutación, pero ‘ DC promedio ‘ en la frecuencia PWM.
• @Tony Stewart aquí es donde se complica. Con PWM de baja frecuencia, la corriente se enciende y apaga completamente para que el motor responda al voltaje rms de la onda PWM ‘ s, y la curva de aceleración no es lineal (más potencia de la esperada en baja acelerador, pero también más calefacción y menor eficiencia). Cuando se aumenta la frecuencia PWM, la inductancia del motor ‘ hace que la corriente fluya más suavemente, de modo que la respuesta de voltaje cambia de rms a promedio, y la curva de aceleración se vuelve lineal.
• y si la velocidad de conmutación es demasiado rápida para el ESC, se voltea y cae del cielo … quizás un punto de baja presión que causa un rápido aumento de las RPM.

¿Por qué los motores sin escobillas tienen una clasificación kv?

«Clasificación kv» no tiene nada que ver con el par, corriente, potencia, empuje, elevación o arrastre esperados

• La excepción es que el par relativo puede cambiar con el número de imanes y el número de devanados del estator por revolución, por lo que, al igual que los engranajes, esta relación puede modificarse. Entonces, en cierto sentido, los motores del mismo tamaño con valores de kv relativamente más altos están hechos para una mayor velocidad y menos elevación.

Se basa en el número de imanes, el número de devanados del estator por rotación, el número de fases por polo y no tiene indicación de potencia.

Es puramente la velocidad de rotación la que genera la Vuelva a colocar el voltaje EMF para que coincida con el voltaje aplicado. Esta coincidencia solo ocurre sin carga y el arrastre reduce esta relación hasta un 10% con un aumento hacia el voltaje nominal dependiendo de las pérdidas inherentes. (por ejemplo, corriente parásita, fricción, generalmente pequeña en comparación con la potencia disponible. Cambiar el patrón de bobinado del estator o cambiar el número de imanes cambiará el número de relación de RPM por voltio para el mismo material utilizado como la relación de transmisión en una bicicleta.

• • Ejemplos de cálculos con varios imanes, determinar la rotación del campo

    • total de imanes / 2 = factor de rotación de campo

    • Factor de rotación de campo * kV = ciclo magnético / V

    • Entonces, con 14 imanes, factor de rotación de campo = 7, por lo tanto, rotación de campo = 7609 ciclos / v

    • Para 2200 kv:

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

La potencia es una función de la corriente y solo la carga se clasifica con CUALQUIER una carga lineal o la carga no lineal del puntal aerodinámico. o una carga lineal incremental en términos de gm / W o gm / A donde gm es el empuje de la hélice.

Miniatura de antecedentes sobre la teoría (muy simplificada)

• Se basa en las leyes de la Física definidas por Maxwell y en mayor profundidad por Heaviside, y Lorenz, quien demostró que esta Fuerza en la carga q es un producto de la suma del campo E y la velocidad del campo B.

Así dicen las ecuaciones vectoriales. F = q (E + vxB)

El Fuerza de Lorenz , F actuando sobre una partícula de carga eléctrica q con velocidad instantánea v, debido a un campo eléctrico externo E y campo magnético B. Esta fuerza es lo que llamamos el Fuerza electromagnética y se corresponde con el EMF trasero sin carga.

La velocidad angular por voltio es más compleja con el número de polos del estator y polos del rotor que dan una conversión radiométrica y la conmutación de la corriente del motor se invierte automáticamente solo un número adecuado de segundos de arco después del campo magnético nulo para garantizar que no haya un punto muerto.(falla de diseño / proceso)

Por lo tanto, la velocidad de carga magnética es proporcional a la intensidad del campo que se debe al voltaje y también se conoce como intensidad del campo EMF trasero

Comentarios

• Aquellos que pueden encontrar fallas deben probarlo, aquellos que reconocen la verdad deben aprobarlo
• Esto es técnicamente correcto, así que lo cerré (+1) tus votos, pero definitivamente hay una forma mucho más comprensible de decir esto en la forma en que ‘ estás tratando de expresarlo.
• Estoy agregando un +1 también, esto cubre de dónde vienen las constantes. Agregué una respuesta que vincula a Kv, Kt y Ke
• @Daniel estuvo de acuerdo, pero la teoría se incluye para mostrar las raíces de los principios magnéticos que son mucho más complejos que este lector ‘ s versión de resumen. El BEMF se puede interpretar de diferentes maneras, pero siempre coincide con Vin sin carga, sin importar si es un motor de megavatio o milivatio.
• Conozca cualquier fuente que explique esto con gran detalle, hasta los campos que varían en el tiempo utilizados en ecuaciones de maxwells?

La clasificación KV se refiere a la máximo RPM / voltio que se puede lograr con el motor, por lo que un motor de 2300 KV a 1 V funcionaría a velocidades hasta 2300 RPM, independientemente de la frecuencia. Cuanto menor sea el voltaje, menor será el par máximo que puede producir el motor. Si aumentara la frecuencia e intentara hacer funcionar a una velocidad más alta, el motor no tendría suficiente par para superar la fricción a esa velocidad y se detendría.

Comentarios

• Entonces, ¿es ese el par cero RPM real para ese voltaje? es decir, ¿es el voltaje pico de la forma de onda cuando lo gira con un taladro a esas RPM?
• Las RPM de par cero generalmente estarán en algún lugar por encima de la clasificación de KV; la clasificación de KV es solo un punto donde el motor puede proporcionar una cantidad razonable de torsión y hacerla funcionar a una frecuencia más alta puede causar una torsión reducida, una operación poco confiable o eventualmente atascarse cuando ya no puede superar la fricción.
• ¿Tiene alguna información adicional que pueda agregar a su respuesta? como dónde y por qué se desarrolló esta calificación? Parece estar bastante limitado a los quad-helicópteros y mercados similares.
• Es ‘ s difícil de decir, pero probablemente fue desarrollado por la industria de RC como un forma de clasificar los motores para una velocidad máxima segura. Nunca he visto esto en motores sin escobillas diseñados para aplicaciones sin RC
• ¿Entonces la amplitud de la señal que produce un ESC no es constante?

Para una máquina BLDC hay dos constantes clave

\ $ K_t \ $ con unidades Nm / A

\ $ K_e \ $ con unidades V / \ $ \ omega \ $ (voltaje pico línea-línea)

Para una máquina BLDC ideal \ $ K_t \ equiv K_e \ $ pero debido a detalles específicos sobre dónde dos constantes a definido (\ $ K_e \ $ siendo voltaje de terminal abierto & \ $ K_t \ $ siendo producción de par a la corriente nominal) \ $ K_t \ $ tiende a ser menor debido a saturación del estator

¿Qué tiene esto que ver con los motores BLDC para cuadrotores & \ $ K_v \ $

Bueno \ $ K_v \ $ es solo el recíproco de \ $ K_e \ $ ONCE convertido a rpm.

Debido a que los cuadrotores y tales dispositivos RC generalmente están limitados por voltaje de suministro, esta constante de rpm le dirá la velocidad del rotor que se puede lograr ( descargado) para un batería dada. Asimismo se puede estimar el par que se puede producir debido a la relación entre estas constantes.

La función de un ESC es mantener el flujo del estator a 90 grados con respecto al flujo del rotor. Esto se hace con el uso de un sensor de posición, como un elemento hall o mediante el uso de la detección EMF trasera – control sin sensor.
Además, el ESC puede generar una salida trifásica de onda sinusoidal, denominada FOC (control orientado al campo) o voltaje cuadrado, donde solo dos bobinas están conectadas al mismo tiempo, la tercera se deja flotando.
No es el caso, que el rotor está siguiendo el campo del estator, sino todo lo contrario: es el campo del estator el que sigue la posición del rotor. Con FOC , la amplitud del voltaje del vector del estator es constante y gira con respecto a la posición del rotor. El voltaje tiene que ser más alto que el voltaje generado por el EMF posterior para hacer girar el motor. Aquí es donde el factor Kv juega un papel.

No estoy seguro de por qué no se cita en este contexto.

Debe ser V / krpm. o voltios / 1000 revoluciones / minuto. Podría entender la mano corta de V / k, pero kv son kilovoltios.
Quizás los voltios entre las piernas del motor o una pierna y el neutro pueden ser am biguo pero la convención es entre 2 patas de los cables del motor.Supongo que es porque es más fácil si no existe un cable neutro.

Comentarios

• No, los kilovoltios se escriben como ‘ kV ‘, no ‘ kv ‘. Consulte en.wikipedia.org/wiki/… .