Por que os motores sem escova têm uma classificação kv?

A saída de torque de um motor elétrico é diretamente proporcional à corrente do motor (não à tensão!) e à corrente (I) é aproximadamente igual a

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

Onde V é a tensão de alimentação do motor, R é a resistência do enrolamento e ε é a força eletromotriz traseira (EMF traseiro).

KV e EMF traseiro

O EMF traseiro é a tensão que estaria presente nos terminais do motor conforme o motor gira sem que nada esteja conectado a ele. Esta tensão é produzida pelo motor atuando como um alternador, se preferir, e é diretamente proporcional à velocidade de rotação. A classificação KV nada mais é do que outra maneira de estabelecer a relação entre a velocidade de rotação e o EMF de retorno (KV ≈ RPM / ε). Limita a velocidade máxima do motor em qualquer tensão da bateria, porque a alguma velocidade dependente de KV o EMF traseiro ” cancelará ” a tensão da bateria. Isso evita que mais corrente flua para o motor e, portanto, reduz o torque a zero.

Quando você liga o motor pela primeira vez, a velocidade é zero. Isso significa que o EMF traseiro também é zero, então as únicas coisas que limitam a corrente do motor são a resistência do enrolamento e a tensão de alimentação. Se o controlador do motor (ESC) devesse fornecer a tensão total da bateria para o motor em baixas velocidades, o motor e / ou ESC simplesmente derreteria.

Tensão, frequência, aceleração e velocidade

Em esquemas de controle de motor sem escova de malha fechada, a velocidade do motor (da qual a frequência de saída é uma função) não é controlada diretamente. Em vez disso, o acelerador controla a tensão de saída e o ESC ajusta continuamente a frequência de saída em resposta à mudança de fase entre o ângulo do rotor e a forma de onda da unidade. A fase do EMF traseiro informa aos ESCs sem sensores diretamente o ângulo atual do rotor, enquanto os ESCs com sensores usam sensores de efeito Hall para o mesmo propósito.

Fazendo as coisas ao contrário (definindo a frequência diretamente e controlando o tensão em resposta à mudança de fase medida) se tornaria um ato de equilíbrio fino:

• Definir a tensão muito baixa permitiria que pouca corrente flua, limitando o torque. Se o torque cair, mas a carga permanecer constante, o motor deve desacelerar, levando à perda imediata de sincronia.

• Muita tensão faria com que a corrente excessiva fluísse, desperdiçando energia e aquecimento o motor e o ESC desnecessariamente.

Assim, o ponto de eficiência ideal é instável com ” frequência primeiro ” controle. Um loop de controle poderia mantê-lo fechado, mas se o ESC não puder reagir rápido o suficiente a uma carga transitória, ocorrerá uma perda de sincronização. Isso não é verdade para ” tensão primeiro ” controle, onde um transiente de carga causará apenas uma redução momentânea na velocidade sem efeitos nocivos.

ESCs usados em helicópteros RC de inclinação coletiva geralmente têm um ” governador ” função, que mantém uma velocidade fixa do motor proporcional à configuração do acelerador. Mesmo esses ESCs não controlam a frequência diretamente, em vez de implementar um PID controlador que define a tensão em resposta à diferença entre a frequência desejada e a real.

ESC ” temporização ”

A configuração do tempo do motor dos ESCs ajusta o ponto de ajuste desta mudança de fase elétrica-mecânica: Tempo alto significa que a saída do ESC lidera a posição do rotor detectada por exemplo 25 graus, enquanto com baixa temporização essa mudança de fase é mantida muito mais próxima de zero. Um ajuste de tempo alto produz mais potência com menos eficiência.

Torque

Os ESCs RC normais não podem fazer controle de torque constante ou limitação de torque, uma vez que não possuem circuitos de detecção de corrente como medida de economia de custo e peso . A saída de torque não é controlada de forma alguma; o motor apenas produz tanto torque (e puxa proporcionalmente tanta corrente) quanto a carga exige em uma determinada velocidade.Para evitar que os golpes rápidos do acelerador sobrecarreguem o ESC, a bateria e / ou o motor (já que a superação da inércia produz um torque potencialmente ilimitado), os ESCs geralmente têm limites para a aceleração e a tensão em uma determinada frequência.

Frenagem

Se o motor continuar girando por meios externos enquanto a tensão é reduzida, eventualmente o EMF traseiro se tornará maior do que o nível que o ESC tenta conduzir. Isso causa corrente negativa e freia o motor. A eletricidade assim produzida é dissipada nas bobinas do motor ou realimentada na fonte de alimentação / bateria, dependendo do modo de decaimento do PWM usado.

Comentários

• Obrigado pela explicação detalhada @jms. Então, se eu entendi corretamente, aumentar o acelerador aumenta a amplitude do sinal AC nos 3 fios do motor, o que cria momentaneamente uma mudança de fase, que o ESC detecta (com emf traseiro?) E então muda sua saída de frequência de acordo?
• @ThomasKirven que ‘ está correto e é uma ótima maneira de colocá-lo.
• Deve ficar claro ” kv rating ” não tem nada a ver com torque
• @ TonyStewart.EEsince ‘ 75 Enquanto eles são parâmetros completamente distintos, há uma troca entre os dois: quando você compra dois motores do mesmo tamanho, massa e design, mas um está ferido a um KV mais alto do que o outro, o motor de KV alto girará mais rápido e gerará menos torque com a mesma entrada de energia.
• sim, claro, como engrenagens em uma bicicleta, torque vs velocidade, mas não relacionado à HP ou potência real

Um gene ESC taxas de corrente AC trifásica. E pelo que entendi, a frequência da forma de onda AC determina completamente a velocidade do motor, e a amplitude (tensão de pico menos a tensão mínima) da forma de onda é mais ou menos constante. Para mim, isso parece que a voltagem realmente não tem nada a ver com a determinação da velocidade de um motor sem escova.

Desculpe, mas está tudo errado. Os motores usados nos quadricópteros são motores DC sem escova (BLDC), que são equivalentes a um motor DC com escova, mas com comutação eletrônica.

A velocidade do motor é determinada pela tensão (“back-emf”) que o motor gera enquanto está girando, não a frequência de comutação (que deve seguir em etapa de bloqueio com o rotação do motor ou não girará). Os motores BLDC têm ímãs permanentes, de modo que o back-fem é diretamente proporcional à rotação. Back-fem é igual à tensão aplicada menos a queda de tensão na resistência e indutância do enrolamento, e o motor irá acelerar ou desacelerar conforme consome a corrente necessária para produzir o torque absorvido pela carga – exatamente o mesmo que um motor DC com escova.

O ESC controla a velocidade do motor variando a tensão aplicada a ele. Normalmente isso é feito com o PWM, de forma que a tensão de pico seja sempre igual à tensão da bateria, mas a tensão média (à qual o motor responde) varia de acordo com a relação liga / desliga do PWM. O ESC produz qualquer frequência de comutação que o motor demande, semelhante a como a armadura em um motor com escova faz com que o comutador comute na frequência que ele exige.

Portanto, a tensão aplicada tem tudo a ver com a velocidade do motor. É por isso que esses motores têm uma classificação Kv – é um parâmetro essencial para determinar que rpm pode ser alcançado com uma tensão específica. Visto que a potência absorvida por uma hélice é proporcional à 3ª potência de rpm e à 4ª potência do diâmetro da hélice, Kv é um parâmetro crítico ao combinar os componentes de um quadricóptero.

O valor Kv especificado deve ser a rpm teórica a 1 V quando o motor não está consumindo nenhuma corrente. No entanto, é comumente calculado simplesmente dividindo as rpm sem carga medidas pela tensão aplicada, o que dá um valor ligeiramente inferior (incorreto). E assim como a velocidade de um motor com escovas pode ser aumentada com o avanço das escovas, um ESC sem escovas pode aumentar o Kv efetivo de um motor BLDC avançando o tempo de comutação. Acrescente tolerâncias de fabricação e controle de qualidade insatisfatório, e não é comum que um motor tenha um Kv real 20% maior ou menor do que sua especificação.

Os motores concebidos para outras utilizações frequentemente não têm uma classificação Kv porque não é considerada tão importante. No entanto, normalmente é fornecida a rpm sem carga à tensão nominal, da qual pode derivar Kv. O motor A constante de torque (Kt) também pode ser especificada. Kv é o inverso de Kt.

Comentários

• Parece enganoso falar sobre a tensão aplicada ao motor, já que o sinal é CA e sempre variando. Se eu medisse a saída da forma de onda de um ESC enquanto conectado a um motor real, eu realmente veria a forma de onda crescendo em amplitude em valores de aceleração mais altos?
• A tensão deve ser convertida de RMS para DC para obter o motor DC do tipo escova comutada equivalente ou a DC média real aplicada ao ESC que gera DC modulada PWM. Ignore a comutação ESC e 3 fases para entendê-la. Não é uma unidade de controle de frequência variável.
• ” Se eu medisse a saída da forma de onda de um ESC enquanto conectado a um motor real, eu realmente veria a forma de onda crescendo em amplitude com valores de aceleração mais altos ?? ” – Mais ou menos. Você veria uma onda quadrada PWM com o ciclo de trabalho aumentando em valores de aceleração mais altos. A onda PWM é achatada para 1 etapa de comutação, então desce / aumenta linearmente por 2 etapas para chegar à polaridade oposta (a tensão média traçando uma forma de onda trapezoidal). Este é ‘ AC ‘ na frequência de comutação, mas ‘ DC médio ‘ na frequência PWM.
• @Tony Stewart é aqui que fica complicado. Com o PWM de baixa frequência, a corrente liga e desliga totalmente para que o motor responda à onda PWM ‘ tensão rms s, e a curva de aceleração é não linear (mais potência do que o esperado em baixa acelerador, mas também mais aquecimento e menor eficiência). Quando a frequência PWM é aumentada, a indutância ‘ s do motor torna a corrente fluir mais suavemente, de modo que a resposta da tensão muda de rms para média e a curva de aceleração torna-se linear.
• e se a taxa de comutação for muito rápida para o ESC, ele vira e cai do céu .. talvez um ponto de baixa pressão causando um rápido aumento de RPM.

Por que os motores sem escovas têm uma classificação kv?

“Avaliação kv” não tem nada a ver com o torque, corrente, potência, empuxo, elevação ou arrasto esperados

• A exceção é que o torque relativo pode mudar com o número de ímãs e o número de enrolamentos do estator por revolução, assim como as engrenagens, esta relação pode ser modificada. Portanto, em certo sentido, motores do mesmo tamanho com valores de kv relativamente mais altos são feitos para mais velocidade e menos sustentação.

É baseado no número de ímãs, número de enrolamentos do estator por rotação, número de fases por pólo e não tem indicação de potência.

É puramente a velocidade rotacional que gera o voltagem EMF para coincidir com a voltagem aplicada. Esta correspondência ocorre apenas sem carga e o arrasto reduz essa proporção em até 10% com o aumento da tensão nominal dependendo das perdas inerentes. (por exemplo, corrente parasita, atrito, geralmente pequeno em comparação com a potência disponível. Alterar o padrão do estator do enrolamento ou alterar o número de ímãs mudará o número da relação de RPM por volt para o mesmo material usado como a relação de transmissão em uma bicicleta.

• • Exemplos de cálculos com vários ímãs, determinar a rotação do campo

    • ímãs totais / 2 = fator de rotação de campo

    • Fator de rotação de campo * kV = ciclo magnético / V

    • Assim, com 14 ímãs, fator de rotação de campo = 7, assim, rotação de campo = 7609 ciclos / v

    • Para 2200 kv:

      • 14 ímã – 2200 * 7 = 154000 ciclos / V
      • 10 ímãs – 2.200 * 5 = 11.000 ciclos / V
      • 8 ímãs – 2.200 * 4 = 8.800 ciclos / V

A potência é uma função da corrente e apenas da carga é avaliada com QUALQUER uma carga linear ou a carga não linear da hélice aerodinâmica. ou uma carga linear incremental em termos de gm / W ou gm / A onde gm é o impulso propulsor.

Miniatura de plano de fundo na teoria (simplificada)

• É baseada nas leis da Física definidas por Maxwell e em mais profundidade por Heaviside e Lorenz que provou que esta Força sob carga q é um produto da soma do campo E e da velocidade do campo B.

Assim dizem as equações vetoriais. F = q (E + vxB)

O Força de Lorenz , F agindo sobre uma partícula de carga elétrica q com velocidade instantânea v, devido a um campo elétrico externo E e campo magnético B. Esta força é o que chamamos de Força eletromagnética e é correspondida pelo EMF traseiro sem carga.

A Velocidade Angular por Volt é mais complexa com o número de pólos do estator e pólos do rotor dando uma conversão raciométrica e a comutação da corrente do motor é revertido automaticamente apenas um número adequado de segundos de arco após o campo magnético nulo para garantir que não haja parada.(falha de design / processo)

Assim, a velocidade da carga magnética é proporcional à intensidade do campo, que é devido à tensão e também é referida como intensidade do campo EMF de retorno

Comentários

• Aqueles que podem encontrar falhas devem provar, aqueles que reconhecem a verdade devem aprová-la
• Isso é tecnicamente correto, então zerado (+1) seus votos, mas há definitivamente uma maneira muito mais compreensível de dizer isso da maneira como você ‘ está tentando expressá-lo.
• estou adicionando um +1 também, cobre de onde vêm as constantes. Eu adicionei uma resposta ligando Kv, Kt e Ke
• @Daniel concordou, mas a teoria é apenas apresentada para mostrar as raízes dos princípios magnéticos que são muito mais complexos do que este leitor ‘ s versão resumida. O BEMF pode ser interpretado de maneiras diferentes, mas sempre corresponde ao Vin sem carga, independentemente de ser um motor de megawatt ou miliwatt.
• Conheça todas as fontes que explicam isso em detalhes corajosos, até os campos variáveis no tempo usados em maxwells equations?

A classificação KV refere-se a máximo RPM / volt que pode ser alcançado com o motor – portanto, um motor de 2300 KV a 1 V funcionaria em velocidades até 2300 RPM, independentemente da frequência. Quanto mais baixa for a tensão, menor será o torque máximo que o motor pode produzir. Se você aumentasse a frequência e tentasse operá-lo em uma velocidade mais alta, o motor não teria torque suficiente para superar o atrito naquela velocidade e travar.

Comentários

• Então esse é o torque zero RPM real para essa tensão? ou seja, é a tensão de pico da forma de onda quando você gira com uma broca naquele RPM?
• O torque zero RPM geralmente estará em algum lugar acima da classificação KV – a classificação KV é apenas um ponto onde o motor pode fornecer uma quantidade razoável de torque e operá-lo em uma frequência mais alta pode causar torque reduzido, operação não confiável ou, eventualmente, travar quando não puder mais superar o atrito.
• Você tem alguma informação adicional que possa adicionar à sua resposta como onde e por que essa classificação foi desenvolvida? Parece ser bastante limitado a quadricópteros e mercados semelhantes.
• É ‘ é difícil dizer, mas provavelmente foi desenvolvido pela indústria de RC como um forma de classificar motores para uma velocidade máxima segura. Nunca vi isso em motores sem escova destinados a aplicações não RC
• Então, a amplitude do sinal que um ESC produz não é constante?

Para uma máquina BLDC, há duas constantes-chave

\ $ K_t \ $ com unidades Nm / A

\ $ K_e \ $ com unidades V / \ $ \ omega \ $ (tensão de linha-linha de pico)

Para uma máquina BLDC ideal \ $ K_t \ equiv K_e \ $, mas devido a especificações de onde estes duas constantes definidas (\ $ K_e \ $ sendo a tensão de terminal aberto & \ $ K_t \ $ sendo a produção de torque na corrente nominal) \ $ K_t \ $ tende a ser menor devido a saturação do estator

O que isso tem a ver com os motores BLDC para quadrotores & \ $ K_v \ $

Bem \ $ K_v \ $ é apenas o recíproco de \ $ K_e \ $ ONCE convertido em rpm.

Como quadrotores e tais dispositivos RC são geralmente limitados por tensão de alimentação, esta constante de rpm informará a velocidade do rotor que pode ser alcançada ( descarregado) por um dada bateria. Da mesma forma, você pode estimar o torque que pode ser produzido devido à relação entre essas constantes.

O papel de um ESC é manter o fluxo do estator a 90 graus em relação ao fluxo do rotor. Isso é feito com o uso de sensor de posição, como elemento hall ou usando sensor de EMF de volta – controle sem sensor.
Além disso, o ESC pode produzir saída trifásica de onda senoidal, chamada de FOC (Field Oriented Control) ou tensão quadrada, onde apenas duas bobinas são conectadas ao mesmo tempo, a terceira é deixada flutuando.
Não é o caso, que o rotor está seguindo o campo do estator, pelo contrário – é o campo do estator que segue a posição do rotor. Com FOC , o ampliduto da tensão do estator vetorial é constante e girando em relação à posição do rotor. A tensão deve ser maior do que a tensão gerada por EMF para girar o motor. É aqui que o fator Kv desempenha um papel.

Não tenho certeza por que isso não foi citado neste contexto.

Deve ser V / krpm. ou volts / 1000 rotações / minuto. Eu poderia entender V / k abreviatura, mas kv é kilo volts.
Talvez volts entre as pernas do motor ou uma perna e neutro sejam am biguous, mas a convenção é entre 2 pernas dos cabos do motor.Eu acho que é porque é mais fácil se não houver fio neutro.

Comentários

• Não, kilovolts é escrito como ‘ kV ‘, não ‘ kv ‘. Consulte en.wikipedia.org/wiki/… .