Почему бесщеточные моторы имеют рейтинг kv?

Мне интересно, почему бесщеточные двигатели, такие как двигатели, используемые для квадраторов, имеют номинальное значение kv, которое предположительно означает число оборотов в минуту на напряжение на двигателе. Таким образом, двигатель 2300 кВ вращается со скоростью 2300 об / мин, если на него подается «1 вольт».

Часть в скобках не имеет смысла для меня. ESC генерирует трехфазный переменный ток. И насколько я понимаю, частота сигнала переменного тока полностью определяет скорость двигателя, и амплитуда (пиковое напряжение минус минимальное напряжение) сигнала более или менее постоянна. Мне кажется, что напряжение действительно не имеет никакого отношения к определению скорости бесщеточного двигателя.

Выходной крутящий момент электродвигателя прямо пропорционален току двигателя (не напряжению!), А ток (I) примерно равен

Где V - напряжение питания двигателя, R - сопротивление обмотки, а ε - противоэлектродвижущая сила (обратная ЭДС).

КВ и обратно ЭДС

Противо-ЭДС - это напряжение, которое будет присутствовать на клеммах двигателя, когда двигатель вращается, и к нему ничего не подключается. Это напряжение вырабатывается двигателем, действующим в качестве генератора, если хотите, и оно прямо пропорционально скорости вращения. Рейтинг KV - это не что иное, как другой способ установить соотношение между скоростью вращения и обратной ЭДС (KV ≈ RPM / ε). Он ограничивает максимальную скорость двигателя при любом напряжении батареи, потому что при некоторой KV-зависимой скорости обратная ЭДС «отменит» напряжение батареи. Это предотвращает подачу тока на двигатель и, таким образом, снижает крутящий момент до нуля.

При первом включении двигателя скорость равна нулю. Это означает, что противо-ЭДС также равна нулю, поэтому единственное, что ограничивает ток двигателя, - это сопротивление обмотки и напряжение питания. Если бы контроллер двигателя (ESC) должен был подавать полное напряжение аккумулятора на двигатель на низких скоростях, двигатель и / или ESC просто расплавились бы.

Напряжение, частота, дроссель и скорость

В схемах управления бесщеточным двигателем с замкнутым контуром скорость двигателя (от которой зависит выходная частота) не контролируется напрямую. Вместо этого дроссель контролирует выходное напряжение, а ESC непрерывно регулирует выходную частоту в ответ на фазовый сдвиг между углом ротора и формой волны возбуждения. Фаза обратной ЭДС сообщает ESC без датчиков непосредственно о текущем угле ротора, тогда как сенсорные ESC используют датчики с эффектом Холла для той же цели.

Выполнение действий наоборот (прямая установка частоты и управление напряжением в ответ на измеренный сдвиг фазы) станет тонкой балансировкой:

• Если установить слишком низкое напряжение, ток будет слишком мал, что ограничит крутящий момент. Если крутящий момент падает, но нагрузка остается постоянной, двигатель должен замедлиться, что приведет к немедленной потере синхронизации.

• Слишком высокое напряжение может привести к чрезмерному току, что приведет к бесполезному расходу энергии и нагреву двигателя и ESC.

Таким образом, оптимальная точка эффективности нестабильна при контроле «частота в первую очередь». Контур управления может держать его замкнутым, но если ESC не сможет достаточно быстро среагировать на нагрузку, произойдет временная потеря синхронизации. Это не относится к контролю «сначала напряжение», когда переходный процесс нагрузки просто вызывает кратковременное снижение скорости без вредных воздействий.

ESC, используемые в вертолетах RC с общим шагом, часто имеют функцию «регулятор», которая поддерживает фиксированную скорость двигателя, пропорциональную настройке дроссельной заслонки. Даже эти ESC фактически не контролируют частоту напрямую, вместо этого реализуя ПИД-регулятор, который устанавливает напряжение в ответ на разницу между желаемой и фактической частотой.

ESC "сроки"

Настройка синхронизации двигателя ESC регулирует уставку этого механико-электрического фазового сдвига: высокая синхронизация означает, что выход ESC опережает измеренное положение ротора, например, на 25 градусов, в то время как при малой синхронизации этот фазовый сдвиг поддерживается намного ближе к нулю. Высокая настройка времени вырабатывает больше энергии менее эффективно.

крутящий момент

Обычные RC ESC не могут осуществлять постоянный контроль крутящего момента или ограничение крутящего момента, поскольку в них отсутствует схема измерения тока в качестве меры экономии затрат и веса. Выходной крутящий момент никак не контролируется; двигатель просто производит столько крутящего момента (и потребляет пропорционально столько тока), сколько требуется нагрузке на данной скорости. Чтобы предотвратить быстрые удары дроссельной заслонки от перегрузки ESC, батареи и / или двигателя (поскольку преодоление инерции приводит к потенциально неограниченному крутящему моменту), ESC обычно имеют пределы для ускорения и напряжения на данной частоте.

Торможение

Если двигатель продолжает вращаться внешними средствами, в то время как напряжение снижается, в конечном итоге обратная ЭДС станет больше, чем уровень, который ESC пытается запустить. Это вызывает отрицательный ток и тормозит двигатель. Произведенное таким образом электричество либо рассеивается в катушках двигателя, либо возвращается обратно в источник питания / аккумулятор, в зависимости от используемого режима затухания ШИМ .

ESC генерирует трехфазный переменный ток. И насколько я понимаю, частота сигнала переменного тока полностью определяет скорость двигателя, и амплитуда (пиковое напряжение минус минимальное напряжение) сигнала более или менее постоянна. Мне кажется, что напряжение действительно не имеет никакого отношения к определению скорости бесщеточного двигателя.

Извините, но это все не так. Двигатели, используемые в квадрокоптерах, представляют собой бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), которые эквивалентны щеточным электродвигателям постоянного тока, но с электронной коммутацией.

Скорость двигателя определяется напряжением («обратная эдс»), который генерирует двигатель во время вращения, а не частотой коммутации (которая должна следовать на этапе блокировки при вращении двигателя, иначе он не будет вращаться). Двигатели BLDC имеют постоянные магниты, поэтому обратная ЭДС прямо пропорциональна оборотам в минуту. ЭДС равна приложенному напряжению минус падение напряжения на сопротивлении и индуктивности обмотки, и двигатель будет ускоряться или замедляться, поскольку он потребляет ток, необходимый для создания крутящего момента, поглощаемого нагрузкой, - точно так же, как для двигателя с щеткой постоянного тока.

ESC контролирует скорость двигателя, изменяя приложенное к нему напряжение. Обычно это делается с помощью ШИМ, поэтому пиковое напряжение всегда равно напряжению батареи, но среднее напряжение (на которое реагирует двигатель) варьируется в зависимости от соотношения включения / выключения ШИМ. ESC производит любую частоту коммутации, которая требуется двигателю, подобно тому, как якорь в щеточном двигателе вызывает переключение коммутатора на частоту, которую он требует.

Так приложенного напряжения имеет все , чтобы сделать со скоростью двигателя. Вот почему эти двигатели имеют рейтинг Kv - это важный параметр для определения того, какие обороты могут быть достигнуты при определенном напряжении. Поскольку мощность, поглощаемая пропеллером, пропорциональна 3-й степени числа оборотов в минуту и ​​4-й степени диаметра пропеллера, Kv является критическим параметром при подборе компонентов квадрокоптера.

Указанное значение Kv должно быть теоретическим числом оборотов в минуту при 1 В, когда двигатель не потребляет ток. Однако он обычно рассчитывается путем простого деления измеренных оборотов холостого хода на приложенное напряжение, что дает немного более низкое (неправильное) значение. И точно так же, как скорость щеточного двигателя может быть увеличена путем продвижения щеток, так и бесщеточный ESC может увеличить эффективное Kv двигателя BLDC, улучшив синхронизацию коммутации. Добавьте к производственным допускам и плохому контролю качества, и для двигателя не является обычным иметь фактическое значение Kv на 20% выше или ниже его спецификации.

Моторы, предназначенные для других целей, часто не имеют рейтинга Kv, потому что это не считается таким важным. Однако обычно обеспечивается частота вращения без нагрузки при номинальном напряжении, из которой можно получить Kv. Постоянная крутящего момента двигателя (Kt) также может быть указана. Kv обратная к Kt.

Почему бесщеточные моторы имеют рейтинг kv?

«Рейтинг kv» не имеет ничего общего с ожидаемым крутящим моментом, током, мощностью, тягой, подъемом или сопротивлением

• Исключением является то, что относительный крутящий момент может изменяться в зависимости от количества магнитов и числа обмоток статора на оборот, поэтому, как и в случае зубчатых колес, это соотношение можно изменять. Таким образом, в некотором смысле, двигатели того же размера с относительно более высокими значениями kv созданы для большей скорости и меньшей подъемной силы.

Он основан на количестве магнитов, количестве обмоток статора на оборот, количестве фаз на полюс и не имеет указания мощности.

Именно скорость вращения генерирует напряжение обратной ЭДС, чтобы соответствовать приложенному напряжению. Это совпадение происходит только при отсутствии нагрузки, и сопротивление уменьшает это отношение до 10% с увеличением к номинальному напряжению в зависимости от собственных потерь. (Например, вихревые токи, трение, как правило, малы по сравнению с имеющейся мощностью. Изменение схемы намотки статора или изменение количества магнитов приведет к изменению числа оборотов в минуту на один и тот же материал, который используется, например, передаточное число на велосипеде.

• • Пример расчетов с различными магнитами, Определить вращение поля

    • суммарные магниты / 2 = коэффициент вращения поля

    • Коэффициент вращения поля * кВ = магнитный цикл / В

    • Таким образом, с 14 магнитами, коэффициент вращения поля = 7, таким образом, вращение поля = 7609 циклов / в

    • Для 2200 кв:

      • 14 магнит - 2200 * 7 = 154000 циклов / В
      • 10 магнитов - 2200 * 5 = 11000 циклов / В
      • 8 магнитов - 2200 * 4 = 8800 циклов / В

Мощность зависит от тока, и нагрузка рассчитывается ТОЛЬКО с линейной или нелинейной нагрузкой аэродинамического винта. или инкрементная линейная нагрузка в пересчете на гм / Вт или гм / А, где гм - тяга опоры.

Фоновая миниатюра по теории (более упрощенная)

• Он основан на законах физики, определенных Максвеллом и более подробно Хевисайдом и Лоренцем, которые доказали, что эта Сила на заряде q является произведением суммы поля E и скорости поля B.

Так говорит векторное уравнение. Р = д (Е + VXB)

Сила Лоренца , F, действующая на частицу электрического заряда q с мгновенной скоростью v, обусловлена ​​внешним электрическим полем E и магнитным полем B. Эта сила является тем, что мы называем электромагнитной силой, и противодействует обратной ЭДС без нагрузки.

Угловая скорость на вольт является более сложной, с числом полюсов статора и полюсов ротора, дающим ратиометрическое преобразование, и коммутация тока двигателя автоматически изменяется на достаточное количество секунд дуги после нулевого магнитного поля, чтобы гарантировать отсутствие мертвой остановки. , (отказ проекта / процесса)

Таким образом, скорость магнитного заряда пропорциональна напряженности поля, которая обусловлена ​​напряжением, и также называется напряженностью поля обратной ЭДС

Номинальное значение KV относится к максимальному числу об / мин / вольт, которое может быть достигнуто с двигателем, поэтому двигатель с напряжением 2300 кВ при 1 В будет работать на скоростях до 2300 об / мин независимо от частоты. Чем ниже напряжение, тем ниже максимальный крутящий момент, который может развить двигатель. Если вы увеличите частоту и попытаетесь запустить ее на более высокой скорости, у двигателя не будет достаточно крутящего момента, чтобы преодолеть трение на этой скорости и заглохнуть.

Для машины BLDC есть две ключевые константы

$K_t$ с единицами Нм / А

$K_e$ с единицами V /$\omega$ (пиковое линейное напряжение)

Для идеальной машины BLDC $K_t \equiv K_e$ но из-за специфики, где эти две константы определены ($K_e$ напряжение открытого терминала $K_t$ крутящий момент при номинальном токе) $K_t$ имеет тенденцию быть ниже из-за насыщения статора

Какое это имеет отношение к двигателям BLDC для квадраторов и $K_v$

Что ж $K_v$ это просто ответная реакция $K_e$ РАЗ конвертируется в об / мин.

Поскольку квадроторы и такие RC-устройства обычно ограничены по напряжению питания, эта постоянная оборотов покажет вам скорость ротора, которая может быть достигнута (без нагрузки) для данной батареи. Аналогичным образом вы можете оценить крутящий момент, который может быть получен из-за взаимосвязи между этими константами.

Роль ESC состоит в том, чтобы поддерживать поток статора на 90 градусов относительно потока ротора. Это делается с помощью датчика положения, такого как элемент Холла, или с помощью датчика обратной ЭДС - без датчика.
Кроме того, ESC может выдавать синусоидальный трехфазный выход, так называемое FOC (Field-Oriented Control) или квадратное напряжение, когда одновременно подключены только две катушки, третья остается плавающей.
Дело не в том, что ротор следует за полем статора, скорее наоборот - это поле статора, которое следует за положением ротора. При ВОК амплитуда векторного напряжения статора постоянна и вращается относительно положения ротора. Напряжение должно быть выше, чем напряжение, создаваемое противо-ЭДС, чтобы вращать двигатель. Здесь фактор Kv играет роль.

Не уверен, почему это мисс цитируется в этом контексте.

Это должно быть V / krpm. или вольт / 1000 оборотов / минуту. Я мог бы понять короткую руку V / K, но KV это киловольт.
Может быть, вольт между ножками на двигателе или на ножке и нейтралью может быть неоднозначным, но общепринятым является соотношение между двумя ножками на выводах двигателя. Я думаю, это потому, что легче, если нет нейтрального провода.