Varför har borstlösa motorer kv-betyg?

En elmotors vridmoment är direkt proportionell mot motorströmmen (inte spänning!) och strömmen (I) är ungefär lika med

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

Där V är motorns matningsspänning, R är lindningsmotståndet och ε är den bakre elektromotoriska kraften (bakre EMF).

KV och tillbaka EMF

Den bakre EMF är spänningen som skulle vara närvarande vid motoranslutningarna när motorn snurrar utan att något är anslutet till den. Denna spänning produceras av motorn som fungerar som en generator, om du vill, och den är direkt proportionell mot rotationshastigheten. KV-klassificeringen är inget annat än ett annat sätt att ange förhållandet mellan rotationshastighet och EMF (KV ≈ RPM / ε). Det begränsar den maximala motorhastigheten vid vilken batterispänning som helst, för vid någon KV-beroende hastighet kommer back-EMF ” att avbryta ” batterispänningen. Detta förhindrar att mer ström flyter till motorn och minskar därmed vridmomentet till noll.

När du startar motorn först är hastigheten noll. Detta innebär att bakre EMF också är noll, så det enda som begränsar motorströmmen är lindningsmotståndet och matningsspänningen. Om motorstyrenheten (ESC) skulle mata ut hela batterispänningen till motorn vid låga hastigheter skulle motorn och / eller ESC bara smälta ner.

Spänning, frekvens, gas och hastighet

I borstlösa motorstyrningsscheman med sluten slinga styrs inte motorhastigheten (som utfrekvensen är en funktion av) direkt. Gasreglaget styr istället utspänningen och ESC justerar kontinuerligt utfrekvensen som svar till fasförskjutningen mellan rotorns vinkel och drivvågformen. Fasen av den bakre EMF berättar sensorlösa ESC: er direkt om rotorns aktuella vinkel, medan sensorerade ESC: er använder halleffektsensorer för samma ändamål.

Gör saker tvärtom (ställer in frekvensen direkt och styr spänning som svar på den uppmätta fasförskjutningen) skulle bli en fin balanseringsåtgärd: Om vridmomentet faller men belastningen förblir konstant måste motorn sakta ner, vilket leder till omedelbar förlust av synkronisering. motorn och ESC i onödan.

Således är den optimala effektivitetspunkten instabil med ” frekvens först ” kontroll. En kontrollslinga kan hålla den nära, men om ESC inte kan reagera tillräckligt snabbt på en belastning kommer transientförlust av synkronisering att inträffa. Detta är inte sant för ” spänning först ” -kontroll, där en last som är övergående bara kommer att orsaka en kortvarig minskning av hastigheten utan skadliga effekter.

ESC som används i RC-helikoptrar med kollektivt tonhöjd har ofta en ” regulator ” -funktion, som bibehåller en fast motorhastighet som är proportionell mot gasinställningen. Även dessa ESC styr inte faktiskt frekvensen direkt istället för att implementera en PID styrenhet som ställer in spänningen som svar på skillnaden mellan önskad och faktisk frekvens.

ESC ” timing ”

Motortiminginställningen för ESC: er justerar börvärdet för detta mekaniskt-elektriska fasförskjutning: Hög timing betyder att ESC-utgången leder det avkända rotorläget med t.ex. 25 grader, medan denna fasförskjutning hålls mycket närmare noll vid låg timing. En hög tidsinställning ger mer effekt mindre effektivt.

Moment

Normala RC ESC kan inte göra konstant vridmomentreglering eller vridmomentbegränsning, eftersom de saknar strömavkänningskretsar som en kostnads- och viktbesparande åtgärd . Vridmomentutgången styrs inte på något sätt; motorn producerar bara så mycket vridmoment (och drar proportionellt lika mycket ström) som belastningen kräver vid en given hastighet.För att förhindra att snabba gasstämplar överbelastar ESC, batteri och / eller motor (eftersom övervikt av tröghet ger potentiellt obegränsat vridmoment) har ESC vanligtvis gränser för acceleration och spänning vid en given frekvens.

Bromsning

Om motorn fortsätter att snurra på externt sätt medan spänningen minskar, kommer så småningom den bakre EMF att bli större än den nivå som ESC försöker köra. Detta orsakar negativ ström och bromsar motorn. Den sålunda producerade elen försvinner antingen i motorspolarna eller matas tillbaka till strömförsörjningen / batteriet, beroende på PWM sönderfallsläge som används.

Kommentarer

• Tack för den detaljerade förklaringen @jms. Så om jag förstår korrekt ökar gasen amplituden på växelströmssignalen på de tre motorkablarna, vilket tillfälligt skapar en fasförskjutning, som esc upptäcker (med back emf?) Och sedan ändrar dess frekvensutgång i enlighet därmed?
• @ThomasKirven Att ’ är korrekt och ett mycket trevligt sätt att uttrycka det.
• Det bör göras klart ” kv rating ” har inget att göra med vridmoment
• @ TonyStewart.EEs ’ 75 Medan de är helt distinkta parametrar, det finns en avvägning mellan de två: När du köper två motorer av samma storlek, massa och design, men en lindas till en högre KV än den andra, kommer den höga KV-motorn att snurra snabbare och generera mindre vridmoment vid samma kraftingång.
• ja naturligtvis som kugghjul på cykel, vridmoment mot hastighet men inte relaterat till HP eller faktisk effekt

En ESC-gen hastigheter 3-fas växelström. Och utifrån vad jag förstår bestämmer frekvensen för växelströmsvågformen helt motorhastigheten, och amplituden (toppspänning minus trågspänning) för vågformen är mer eller mindre konstant. För mig verkar det som om spänning verkligen inte har något att göra med att bestämma hastigheten för en borstlös motor.

Tyvärr, men det här är helt fel. Motorerna som används i fyrhjulingar är borstlösa likströmsmotorer (BLDC), som motsvarar en borstad likströmsmotor men med elektronisk kommutering.

Motorhastighet bestäms av spänningen (”back-emf”) som motorn genererar när den snurrar, inte kommuteringsfrekvensen (som måste följa i låssteg med motorns rotation eller så snurrar den inte). BLDC-motorer har permanentmagneter så back-emf är direkt proportionell mot varvtal. Back-emf är lika med applicerad spänning minus spänningsfall över lindningsmotståndet och induktansen, och motorn kommer att påskynda eller sakta ner när den drar den ström som krävs för att producera det vridmoment som absorberas av lasten – exakt samma som en borstad likströmsmotor.

ESC styr motorns varvtal genom att variera spänningen på den. Vanligtvis görs detta med PWM så att toppspänningen alltid är lika med batterispänningen, men genomsnittlig spänning (som motorn svarar på) varierar beroende på PWM på / av-förhållandet. ESC producerar oavsett kommuteringsfrekvens som motorn kräver av den, liknande hur ankaret i en borstad motor får kommutatorn att växla med den frekvens som den kräver.

Så den applicerade spänningen har allt att göra med motorhastigheten. Det är därför dessa motorer har en Kv-klassning – det är en viktig parameter för att bestämma vilket varvtal som kan uppnås med en viss spänning. Eftersom kraften som absorberas av en propeller är proportionell mot den tredje varvtalseffekten och den fjärde effekten av propeldiametern, är Kv en viktig parameter när man matchar komponenterna i en fyrkopter.

Det angivna Kv-värdet ska vara det teoretiska varvtalet vid 1V när motorn inte drar någon ström. Det beräknas dock vanligtvis genom att helt enkelt dela uppmätt varvtal utan belastning med applicerad spänning, vilket ger ett något lägre (felaktigt) värde. Och precis som en borstad motorhastighet kan ökas genom att borstarna flyttas framåt, så kan en borstlös ESC öka den effektiva Kv hos en BLDC-motor genom att flytta kommuteringstimingen. Lägg till tillverkningstoleranser och dålig kvalitetskontroll, och det är inte vanligt att en motor har en verklig Kv 20% högre eller lägre än specifikationen.

Motorer som är konstruerade för andra användningsområden har ofta inte Kv-betyg eftersom det inte anses vara så viktigt. Emellertid tillhandahålls vanligtvis tomgångsvarvtal vid nominell spänning, varifrån Kv kan härledas. Motorn ”vridmomentskonstant (Kt) kan också anges. Kv är det inversa av Kt.

Kommentarer

• Det verkar vilseledande att prata om spänningen på motorn, eftersom signalen är växelström och alltid varierar. Om jag mätte vågformens utgång från en ESC när jag var ansluten till en faktisk motor skulle jag verkligen se vågformen växa i amplitud vid högre gasvärden ??
• Spänningen måste omvandlas från RMS till DC för att få motsvarande kommuterade borsttyp DC-motor eller den faktiska genomsnittliga DC som tillämpas på ESC som genererar PWM-modulerad DC. Ignorera ESC-kommuteringen och tre faser för att förstå det. Det är inte en styrenhet med variabel frekvens.
• ” Om jag mätte vågformsutsignalen från en ESC när jag var ansluten till en faktisk motor skulle jag verkligen se vågformen växa i amplitud vid högre gasvärden ?? ” – Sortera. Du skulle se en PWM-fyrkantvåg med arbetscykel ökar vid högre gasvärden. PWM-vågen är platt-toppad för ett kommuteringssteg, ramper sedan ner / upp linjärt i två steg för att komma till motsatt polaritet (medelspänningen spårar en trapesformad vågform). Detta är ’ AC ’ vid kommuteringsfrekvensen, men ’ i genomsnitt DC ’ vid PWM-frekvensen.
• @Tony Stewart det är här det blir komplicerat. Med lågfrekvent PWM slås strömmen helt på och av så att motorn svarar på PWM-vågen ’ s rms-spänning, och gaskurvan är icke-linjär (mer effekt än väntat vid låg gas, men också mer uppvärmning och lägre effektivitet). När PWM-frekvensen ökas gör motorn ’ induktans strömflödet smidigare så spänningssvaret växlar från rms till genomsnittet och gaskurvan blir linjär.
• och om kommuteringshastigheten är för snabb för ESC, vänder den och faller ut ur himlen .. kanske en lågtryckspunkt som orsakar snabb RPM-ökning.

Varför har borstlösa motorer kv-betyg?

”kv Rating” har inget att göra med förväntat vridmoment, ström, kraft, tryck, lyft eller dra

• Undantaget är att det relativa vridmomentet kan förändras med antalet magneter och antalet statorlindningar per varv, så som växlar kan detta förhållande modifieras. Så på sätt och vis är motorer av samma storlek med relativt högre kv-värden gjorda för mer hastighet och mindre lyft.

Det är baserat på antal magneter, antal statorlindningar per rotation, antal faser per pol och har ingen effektindikering.

Det är rent rotationshastigheten som genererar tillbaka EMF-spänningen för att matcha den applicerade spänningen. Denna matchning sker endast utan belastning och drag minskar detta förhållande upp till 10% med ökning mot märkspänning beroende på inneboende förluster. (t.ex. virvelström, friktion, i allmänhet liten jämfört med effekt ändring. Om du ändrar lindningsmönstret eller ändrar antalet magneter ändras antalet varvtal per volt för samma material som används som utväxlingen på en cykel.

• • Exempelberäkningar med olika magneter, Bestäm fältrotation

    • totala magneter / 2 = fältrotationsfaktor

    • Fältrotationsfaktor * kV = magnetisk cykel / V

    • Så med 14 magneter, fältrotationsfaktor = 7, därmed fältrotation = 7609 cykler / v

    • För 2200 kv:

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

Effekt är en funktion av ström och endast belastning klassas med ANTAL en linjär belastning eller den aerodynamiska propens olinjära belastning. eller en inkrementell linjär belastning i termer av gm / W eller gm / A där gm är drivkraften.

Bakgrundsminiatyr om teori (över förenklad)

• Den är baserad på fysikens lagar som definierats av Maxwell och djupare av Heaviside och Lorenz som bevisade att denna kraft på laddning q är en produkt av summan av E-fältet och hastigheten för B-fältet.

Så säger vektorekvationerna. F = q (E + vxB)

Lorenz-kraft , F verkar på en partikel av elektrisk laddning q med momentan hastighet v, på grund av ett externt elektriskt fält E och magnetfält B. Denna kraft är vad vi kallar Elektromagnetisk kraft och matchas av den bakre EMF utan belastning.

Vinkelhastigheten per Volt är mer komplex med antalet statorpoler och rotorpoler som ger en förhållandemetrisk omvandling och pendlingen av motorströmmen reverseras automatiskt bara ett tillräckligt antal bågsekunder efter nollmagnetfältet för att säkerställa inget dödstopp.(design / processfel)

Således är den magnetiska laddningshastigheten proportionell mot fältstyrkan som beror på spänning och kallas även bakre EMF-fältstyrka

Kommentarer

• De som kan hitta fel måste bevisa det, de som känner igen sanningen borde godkänna det
• Detta är tekniskt korrekt så jag nollade ut (+1) dina röster, men det finns definitivt ett mycket mer begripligt sätt att säga detta på det sätt som du ’ försöker uttrycka det.
• jag lägger till a +1 också, detta täcker var konstanterna kommer ifrån. Jag har lagt till ett svar som länkar Kv, Kt och Ke
• @ Daniel kom överens, men teorin kastas bara in för att visa rötterna till de magnetiska principerna som är mycket mer komplexa än den här läsaren ’ s sammanfattningsversion. BEMF kan tolkas på olika sätt men matchar alltid Vin utan belastning, oavsett om en megawatt eller en milliwattmotor.
• Känn till källor som förklarar detta i grusiga detaljer, ner till de tidsvarierande fälten som används i maxwells ekvationer?

KV-betyget hänvisar till maximum RPM / volt som kan uppnås med motorn – så en 2300 KV-motor vid 1 V skulle fungera i hastigheter upp till 2300 RPM, oavsett frekvens. Ju lägre spänning, desto lägre är det maximala vridmomentet som motorn kan producera. Om du skulle öka frekvensen och försöka köra den med högre hastighet skulle inte motorn ha tillräckligt med vridmoment för att övervinna friktionen vid den hastigheten och stannar.

Kommentarer

• Så är det faktiska nollmomentet RPM för den spänningen? dvs är det vågformens toppspänning när du snurrar den med en borr vid det varvtalet?
• Nollmomentets varvtal kommer vanligtvis att ligga någonstans över KV-värdet – KV-värdet är bara en punkt där motorn kan ge ett rimligt vridmoment och att köra det med en högre frekvens kan orsaka minskat vridmoment, opålitlig drift eller så småningom att stanna när det inte längre kan övervinna friktionen.
• Har du ytterligare information du kan lägga till ditt svar gillar var och varför detta betyg utvecklades? Det verkar vara ganska begränsat till fyrkopior och liknande marknader.
• Det ’ är svårt att säga, men det utvecklades antagligen av RC-industrin som en sätt att klassa motorer för säker maximal hastighet. Jag har aldrig sett detta på borstlösa motorer avsedda för icke-RC-applikationer
• Så amplituden på signalen som en ESC producerar är faktiskt inte konstant?

För en BLDC-maskin finns två viktiga konstanter

\ $ K_t \ $ med enheterna Nm / A

\ $ K_e \ $ med enheterna V / \ $ \ omega \ $ (topplinjespänning)

För en idealisk BLDC-maskin \ $ K_t \ motsvarar K_e \ $ men på grund av detaljer om var dessa två konstanter en definierad (\ $ K_e \ $ är öppen terminal spänning & \ $ K_t \ $ är vridmomentproduktion vid märkström) \ $ K_t \ $ tenderar att vara lägre på grund av mättnad av statorn

Vad har detta att göra med BLDC-motorer för fyrrotorer & \ $ K_v \ $

Tja \ $ K_v \ $ är bara det ömsesidiga av \ $ K_e \ $ ONCE omvandlat till varv / min.

Eftersom fyrrotorer och sådana RC-enheter vanligtvis är matningsspänningsbegränsade, kommer denna varvtalskonstant att berätta rotorhastigheten som kan uppnås ( lossad) för en givet batteri. På samma sätt kan du uppskatta vridmomentet som kan produceras på grund av förhållandet mellan dessa konstanter.

En ESC: s roll är att hålla statorflödet 90 grader i förhållande till rotorflödet. Detta görs med hjälp av positionssensor, som hallelement eller med hjälp av EMF-avkänning – sensorlös styrning.
ESC kan dessutom mata ut sinusvåg trefasutgång, så kallad FOC (Field Oriented Control) eller fyrkantig spänning, där endast två spolar är anslutna samtidigt, den tredje lämnas flytande.
Det är inte fallet att rotorn följer statorfältet, snarare tvärtom – det är statorfilen som följer rotorpositionen. Med FOC är förstärkaren för vektorstatorspänningen konstant och roterar med avseende på rotorposition. Spänningen måste vara högre än EMF-genererad spänning för att rotera motorn. Det är här Kv-faktorn spelar en roll.

Inte säker på varför detta är missciterat i detta sammanhang.

Det ska vara V / krpm. eller volt / 1000 varv / minut. Jag kunde förstå V / k kort hand men kv är kilovolta.
Kanske volt mellan benen på motorn eller ett ben och neutralt kan vara am stor men konventionen är mellan två ben på motorledningarna.Jag antar att det beror på att det är lättare om det inte finns någon neutral ledning.

Kommentarer

• Nej, kilovolts skrivs som ’ kV ’, inte ’ kv ’. Se en.wikipedia.org/wiki/… .