Warum haben bürstenlose Motoren eine kv-Bewertung?

Ich frage mich, warum bürstenlose Motoren, wie sie für Quadrotoren verwendet werden, eine kv-Bewertung haben, was angeblich RPM pro Spannung über den Motor bedeutet. Ein 2300-kV-Motor dreht sich also mit 2300 U / min, wenn "1 Volt" an ihn angelegt wird.

Der Teil in Klammern macht für mich keinen Sinn. Ein ESC erzeugt einen dreiphasigen Wechselstrom. Und soweit ich weiß, bestimmt die Frequenz der Wechselstromwellenform die Motordrehzahl vollständig, und die Amplitude (Spitzenspannung minus Tiefenspannung) der Wellenform ist mehr oder weniger konstant. Mir scheint, dass die Spannung wirklich nichts mit der Drehzahl eines bürstenlosen Motors zu tun hat.

Die Drehmomentabgabe eines Elektromotors ist direkt proportional zum Motorstrom (nicht zur Spannung!) Und der Strom (I) ist ungefähr gleich

Wobei V die Motorversorgungsspannung ist, R der Wicklungswiderstand ist und & epsi; die elektromotorische Gegenkraft (Gegen-EMK) ist.

KV und zurück EMF

Die Gegen-EMK ist die Spannung, die an den Motorklemmen anliegt, wenn sich der Motor dreht, ohne dass etwas daran angeschlossen ist. Diese Spannung wird, wenn Sie so wollen, vom Motor als Generator erzeugt und ist direkt proportional zur Drehzahl. Die KV-Bewertung ist nur eine andere Möglichkeit, die Beziehung zwischen Drehzahl und Gegen-EMK (KV ≈ RPM / ε) anzugeben. Es begrenzt die maximale Motordrehzahl bei einer bestimmten Batteriespannung, da bei einer bestimmten KV-abhängigen Drehzahl die Gegen-EMK die Batteriespannung "aufhebt". Dies verhindert, dass mehr Strom zum Motor fließt und reduziert somit das Drehmoment auf Null.

Wenn Sie den Motor zum ersten Mal einschalten, ist die Drehzahl Null. Dies bedeutet, dass die Gegen-EMK ebenfalls Null ist, sodass der Motorstrom nur durch den Wicklungswiderstand und die Versorgungsspannung begrenzt wird. Wenn der Motorcontroller (ESC) bei niedrigen Drehzahlen die volle Batteriespannung an den Motor abgeben würde, würden der Motor und / oder der ESC einfach schmelzen.

Spannung, Frequenz, Gas und Geschwindigkeit

Bei bürstenlosen Motorregelschemata mit geschlossenem Regelkreis wird die Motordrehzahl (von der die Ausgangsfrequenz abhängt) nicht direkt geregelt. Die Drossel anstelle steuert die Ausgangsspannung und die ESC stellt kontinuierlich die Ausgangsfrequenz in Reaktion auf die Phasenverschiebung zwischen dem Winkel des Rotors und der Antriebswellenform. Die Phase der Gegen-EMK teilt sensorlosen ESCs direkt den aktuellen Winkel des Rotors mit, während sensorisierte ESCs Hall-Effekt-Sensoren für den gleichen Zweck verwenden.

Das Umgekehrte (direktes Einstellen der Frequenz und Steuern der Spannung als Reaktion auf die gemessene Phasenverschiebung) wäre ein feiner Spagat:

• Wenn Sie die Spannung zu niedrig einstellen, kann zu wenig Strom fließen, wodurch das Drehmoment begrenzt wird. Wenn das Drehmoment sinkt, aber die Last konstant bleibt, muss der Motor langsamer werden, was zu einem sofortigen Synchronisationsverlust führt.

• Zu viel Spannung würde zu einem übermäßigen Stromfluss führen, wodurch unnötig Strom verschwendet und der Motor und der Regler erwärmt würden.

Somit ist der optimale Wirkungsgradpunkt bei "Frequenz zuerst" -Regelung instabil. Ein Regelkreis könnte ihn geschlossen halten, aber wenn der Regler nicht schnell genug auf einen vorübergehenden Synchronisationsverlust der Last reagieren kann, tritt ein. Dies gilt nicht für die "Spannung zuerst" -Regelung, bei der ein Lasttransient nur eine vorübergehende Verringerung der Geschwindigkeit ohne nachteilige Auswirkungen verursacht.

ESCs, die in RC-Hubschraubern mit Pitch-Regelung verwendet werden, haben häufig eine "Regler" -Funktion, die eine feste Motordrehzahl proportional zur Drosselklappeneinstellung beibehält. Selbst diese ESCs regeln die Frequenz nicht direkt, sondern implementieren einen PID-Regler, der die Spannung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Frequenz einstellt.

ESC "timing"

Die Einstellung des Motor-Timings von ESCs passt den Sollwert dieser mechanisch-elektrischen Phasenverschiebung an: High-Timing bedeutet, dass der ESC-Ausgang der erfassten Rotorposition um z. Bei einer hohen Timing-Einstellung wird mehr Leistung weniger effizient erzeugt.

Drehmoment

Normale RC-ESCs können keine konstante Drehmomentregelung oder Drehmomentbegrenzung durchführen, da ihnen die Stromerfassungsschaltung als Maßnahme zur Kosten- und Gewichtsersparnis fehlt. Die Drehmomentabgabe wird in keiner Weise gesteuert. Der Motor erzeugt nur so viel Drehmoment (und nimmt proportional so viel Strom auf), wie die Last bei einer bestimmten Drehzahl benötigt. Um zu verhindern, dass schnelle Drosselklappen den Regler, die Batterie und / oder den Motor überlasten (da die Überwindung der Trägheit ein möglicherweise unbegrenztes Drehmoment erzeugt), haben Regler normalerweise Grenzen für die Beschleunigung und die Spannung bei einer bestimmten Frequenz.

Bremsung

Wenn der Motor durch externe Mittel weiter dreht, während die Spannung verringert wird, wird die Gegen-EMK möglicherweise größer als der Pegel, den der Regler zu steuern versucht. Dies führt zu einem negativen Strom und bremst den Motor ab. Der so erzeugte Strom wird je nach verwendetem PWM- Decay-Modus entweder in den Motorspulen abgeführt oder in die Stromversorgung / Batterie zurückgespeist .

Ein ESC erzeugt einen dreiphasigen Wechselstrom. Und soweit ich weiß, bestimmt die Frequenz der Wechselstromwellenform die Motordrehzahl vollständig, und die Amplitude (Spitzenspannung minus Tiefenspannung) der Wellenform ist mehr oder weniger konstant. Mir scheint, dass die Spannung wirklich nichts mit der Drehzahl eines bürstenlosen Motors zu tun hat.

Sorry, aber das ist alles falsch. Die in Quadcoptern verwendeten Motoren sind bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), die einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung entsprechen.

Die Motordrehzahl wird durch die Spannung ("Gegen-EMK") bestimmt, die der Motor während des Drehens erzeugt, nicht durch die Kommutierungsfrequenz (die im Gleichlauf mit der Motordrehung folgen muss, sonst dreht er sich nicht). BLDC-Motoren haben Permanentmagnete, sodass die Gegen-EMK direkt proportional zur Drehzahl ist. Die Gegen-EMK entspricht der angelegten Spannung abzüglich des Spannungsabfalls zwischen Wicklungswiderstand und Induktivität, und der Motor beschleunigt oder verlangsamt sich, wenn er den Strom aufnimmt, der zur Erzeugung des von der Last aufgenommenen Drehmoments erforderlich ist - genau wie bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor.

Der Regler regelt die Motordrehzahl durch Variieren der an ihn angelegten Spannung. Normalerweise geschieht dies mit PWM, sodass die Spitzenspannung immer der Batteriespannung entspricht, die durchschnittliche Spannung (auf die der Motor reagiert) jedoch entsprechend dem PWM-Ein / Aus-Verhältnis variiert. Der Regler erzeugt die vom Motor geforderte Kommutierungsfrequenz, ähnlich wie der Anker in einem Bürstenmotor den Kommutator veranlasst, mit der von ihm geforderten Frequenz zu schalten.

Die angelegte Spannung hat also alles mit der Motordrehzahl zu tun. Aus diesem Grund haben diese Motoren eine Kv-Bewertung - dies ist ein wesentlicher Parameter, um zu bestimmen, welche Drehzahl mit einer bestimmten Spannung erreicht werden kann. Da die von einem Propeller aufgenommene Leistung proportional zur 3. Potenz der Drehzahl und zur 4. Potenz des Propellerdurchmessers ist, ist Kv ein kritischer Parameter bei der Anpassung der Komponenten eines Quadcopters.

Der angegebene Kv-Wert sollte die theoretische Drehzahl bei 1 V sein, wenn der Motor keinen Strom zieht. Es wird jedoch üblicherweise berechnet, indem einfach die gemessene Leerlaufdrehzahl durch die angelegte Spannung dividiert wird, was einen etwas niedrigeren (falschen) Wert ergibt. Und genau wie die Drehzahl eines Bürstenmotors durch Vorrücken der Bürsten erhöht werden kann, kann ein bürstenloser Regler die effektive Kv eines BLDC-Motors durch Vorrücken des Kommutierungszeitpunkts erhöhen. Fügen Sie Fertigungstoleranzen und eine schlechte Qualitätskontrolle hinzu, und es ist nicht üblich, dass ein Motor ein um 20% höheres oder niedrigeres tatsächliches Kv als seine Spezifikation aufweist.

Motoren, die für andere Zwecke entwickelt wurden, haben häufig keine Kv-Bewertung, da dies nicht als so wichtig angesehen wird. Üblicherweise wird jedoch die Leerlaufdrehzahl bei Nennspannung angegeben, aus der sich Kv ableiten lässt. Die Drehmomentkonstante des Motors (Kt) kann ebenfalls angegeben werden. Kv ist das Inverse von Kt.

Warum haben bürstenlose Motoren eine kv-Bewertung?

"kv Rating" hat nichts mit dem erwarteten Drehmoment, Strom, Leistung, Schub, Heben oder Ziehen zu tun

• Die Ausnahme ist, dass sich das relative Drehmoment mit der Anzahl der Magnete und der Anzahl der Statorwicklungen pro Umdrehung ändern kann, sodass dieses Verhältnis wie bei Zahnrädern geändert werden kann. In gewisser Weise sind Motoren gleicher Größe mit relativ höheren kv-Werten für mehr Geschwindigkeit und weniger Auftrieb ausgelegt.

Es basiert auf der Anzahl der Magnete, der Anzahl der Statorwicklungen pro Umdrehung und der Anzahl der Phasen pro Pol und hat keine Leistungsangabe.

Es ist nur die Rotationsgeschwindigkeit, die die Gegen-EMK-Spannung erzeugt, um der angelegten Spannung zu entsprechen. Diese Anpassung erfolgt nur im Leerlauf, und der Luftwiderstand verringert dieses Verhältnis je nach den inhärenten Verlusten um bis zu 10% bei Erhöhung der Nennspannung. (z. B. Wirbelstrom, Reibung, im Vergleich zur verfügbaren Leistung im Allgemeinen gering. Durch Ändern des Wicklungsstatormusters oder der Anzahl der Magnete wird das Drehzahlverhältnis pro Volt für dasselbe Material geändert, das auch für das Übersetzungsverhältnis eines Fahrrads verwendet wird.

• • Beispielberechnungen mit verschiedenen Magneten, Felddrehung bestimmen

    • Gesamtmagnete / 2 = Felddrehfaktor

    • Feldrotationsfaktor * kV = magnetischer Zyklus / V

    • Also mit 14 Magneten Feldrotationsfaktor = 7, also Feldrotation = 7609 Zyklen / v

    • Für 2200 kv:

      • 14 Magnet - 2200 * 7 = 154000 Zyklen / V
      • 10 Magnete - 2200 * 5 = 11000 Zyklen / V
      • 8 Magnete - 2200 * 4 = 8800 Zyklen / V

Die Leistung ist eine Funktion des Stroms und die Last wird entweder als lineare Last oder als nichtlineare Last der aerodynamischen Stütze angegeben. oder eine inkrementelle lineare Last in Form von gm / W oder gm / A, wobei gm der Propellerschub ist.

Hintergrundbild der Theorie (über vereinfacht)

• Es basiert auf den Gesetzen der Physik, die von Maxwell und genauer von Heaviside definiert wurden, und Lorenz, der bewies, dass diese Kraft auf Ladung q ein Produkt der Summe des E-Feldes und der Geschwindigkeit des B-Feldes ist.

So heißt es in den Vektorgleichungen. F = q (E + vxB)

Die Lorenzkraft F, die aufgrund eines äußeren elektrischen Feldes E und eines Magnetfeldes B mit der augenblicklichen Geschwindigkeit v auf ein Teilchen der elektrischen Ladung q einwirkt. Diese Kraft wird als elektromagnetische Kraft bezeichnet und von der Gegen-EMK ohne Last angeglichen.

Die Winkelgeschwindigkeit pro Volt ist komplexer, da die Anzahl der Statorpole und Rotorpole eine ratiometrische Umrechnung ergibt und die Kommutierung des Motorstroms automatisch nur eine ausreichende Anzahl von Bogensekunden nach dem Nullmagnetfeld umgekehrt wird, um keinen Stillstand zu gewährleisten . (Design / Prozessfehler)

Somit ist die magnetische Ladungsgeschwindigkeit proportional zur Feldstärke, die auf die Spannung zurückzuführen ist, und wird auch als Gegen-EMK-Feldstärke bezeichnet

Die KV-Nennleistung bezieht sich auf die maximale Drehzahl / Volt, die mit dem Motor erreicht werden kann. Ein 2300 KV-Motor mit 1 V würde also unabhängig von der Frequenz mit einer Drehzahl von bis zu 2300 U / min arbeiten. Je niedriger die Spannung, desto geringer das maximale Drehmoment, das der Motor erzeugen kann. Wenn Sie die Frequenz erhöhen und versuchen, sie mit einer höheren Geschwindigkeit laufen zu lassen, verfügt der Motor nicht über genügend Drehmoment, um die Reibung bei dieser Geschwindigkeit zu überwinden und zu blockieren.

Für eine BLDC-Maschine gibt es zwei Schlüsselkonstanten

$K_t$ mit Einheiten Nm / A

$K_e$$\omega$

$K_t \equiv K_e$$K_e$$K_t$$K_t$

Was hat das mit BLDC-Motoren für Quadrotoren & $K_v$

$K_v$$K_e$

Da Quadrotoren und solche RC-Bausteine ​​in der Regel spannungsbegrenzt sind, gibt diese Drehzahlkonstante die Rotordrehzahl an, die für eine bestimmte Batterie erreicht (entladen) werden kann. Ebenso können Sie das Drehmoment abschätzen, das aufgrund der Beziehung zwischen diesen Konstanten erzeugt werden kann.

Die Rolle eines ESC besteht darin, den Statorfluss in Bezug auf den Rotorfluss auf 90 Grad zu halten. Dies geschieht mit einem Positionssensor, wie einem Hall-Element, oder mit einer sensorlosen Gegen-EMF-Erfassung.
Außerdem kann der Regler einen dreiphasigen Sinusausgang ausgeben, den sogenannten FOC (Field Oriented Control) oder eine quadratische Spannung, bei der nur zwei Spulen gleichzeitig angeschlossen sind. Die dritte Spule bleibt potentialfrei.
Es ist nicht so, dass der Rotor dem Statorfeld folgt, sondern umgekehrt - es ist der Stator, der der Rotorposition folgt. Mit dem LWL ist die Amplitude der Vektorspannung des Stators konstant und dreht sich in Bezug auf die Rotorposition. Die Spannung muss höher sein als die von der Gegen-EMK erzeugte Spannung, um den Motor anzutreiben. Hier spielt der Kv-Faktor eine Rolle.

Ich bin mir nicht sicher, warum dies in diesem Zusammenhang nicht zitiert wird.

Es sollte V / krpm sein. oder Volt / 1000 Umdrehungen / Minute. Ich könnte möglicherweise V / k Shorthand verstehen, aber kv ist Kilovolt.
Möglicherweise ist die Spannung zwischen den Beinen des Motors oder zwischen einem Bein und dem Leerlauf nicht eindeutig, aber die Konvention liegt zwischen zwei Beinen der Motorleitungen. Ich würde es vermuten, weil es einfacher ist, wenn kein Nullleiter vorhanden ist.