Por que os motores sem escova têm uma classificação em kv?

Estou me perguntando por que motores sem escova, como os usados ​​para quadrotores, têm uma classificação em kv, o que supostamente significa RPM por voltagem no motor. Portanto, um motor de 2300 kv gira a 2300 rpm se "1 volt for aplicado" a ele.

A parte entre parênteses não faz sentido para mim. Um ESC gera corrente alternada trifásica. E pelo que entendi, a frequência da forma de onda CA determina completamente a velocidade do motor, e a amplitude (tensão de pico menos tensão de calha) da forma de onda é mais ou menos constante. Para mim, isso parece que a tensão realmente não tem nada a ver com a determinação da velocidade de um motor sem escova.

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

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

KV e EMF de volta

O EMF traseiro é a tensão que estaria presente nos terminais do motor, à medida que o motor gira sem que nada esteja conectado a ele. Essa tensão é produzida pelo motor atuando como alternador, se você preferir, e é diretamente proporcional à velocidade de rotação. A classificação KV nada mais é do que outra maneira de indicar a relação entre a velocidade de rotação e o EMF de retorno (KV ≈ RPM / ε). Ele limita a velocidade máxima do motor a qualquer voltagem da bateria, porque em uma velocidade dependente de KV, o EMF traseiro "cancela" a voltagem da bateria. Isso evita que mais corrente flua para o motor e 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; portanto, 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) fornecer a tensão total da bateria para o motor em baixas velocidades, o motor e / ou o ESC simplesmente derreterão.

Tensão, frequência, acelerador e velocidade

Nos esquemas de controle sem escova do motor em circuito fechado, a velocidade do motor (da qual a frequência de saída é uma função) não é diretamente controlada. 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 do inversor. A fase do EMF traseiro informa aos ESCs sem sensor diretamente o ângulo atual do rotor, enquanto os ESCs sensorizados usam sensores de efeito hall para o mesmo objetivo.

Fazer as coisas de maneira inversa (definir a frequência diretamente e controlar a tensão em resposta à mudança de fase medida) se tornaria um ato de equilíbrio:

• Ajustar a voltagem muito baixa permitiria o fluxo de pouca corrente, limitando o torque. Se o torque cair, mas a carga permanecer constante, o motor deverá desacelerar, levando à perda imediata de sincronismo.

• Tensão excessiva causaria fluxo excessivo de corrente, desperdiçando energia e aquecendo o motor e o ESC desnecessariamente.

Assim, o ponto de eficiência ideal é instável com o controle "frequência em primeiro lugar". Um loop de controle pode mantê-lo próximo, mas se o ESC não puder reagir rápido o suficiente para ocorrer uma perda transitória de sincronização da carga. Isso não é verdade para o controle "tensão primeiro", onde um transiente de carga causa apenas uma redução momentânea na velocidade, sem efeitos negativos.

Os ESCs usados ​​em helicópteros RC de passo coletivo geralmente têm uma função "governador", que mantém uma velocidade fixa do motor proporcional à configuração do acelerador. Mesmo esses ESCs, na verdade, não controlam diretamente a frequência, implementando um controlador PID que define a tensão em resposta à diferença entre a freqüência desejada e a atual.

ESC "timing"

A configuração de tempo do motor dos ESCs ajusta o ponto de ajuste dessa mudança de fase mecânico-elétrica: Um tempo alto significa que a saída ESC conduz a posição do rotor detectado em, por exemplo, 25 graus, enquanto que com um tempo baixo, essa mudança de fase é mantida muito mais próxima de zero. Uma configuração de tempo alto produz mais energia com menos eficiência.

Torque

Os ESCs RC normais não podem executar controle de torque constante ou limitação de torque, pois não possuem circuito de detecção de corrente como uma medida de economia de custo e peso. A saída de torque não é controlada de forma alguma; o motor apenas produz tanto torque (e consome proporcionalmente tanta corrente) quanto a carga requer em uma determinada velocidade. A fim de impedir que os golpes de aceleração acelerados sobrecarregem o ESC, a bateria e / ou o motor (como a inércia superada produz um torque potencialmente ilimitado), os ESCs geralmente têm limites para a aceleração e a tensão em uma determinada frequência.

Travagem

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

Um ESC gera corrente alternada trifásica. E pelo que entendi, a frequência da forma de onda CA determina completamente a velocidade do motor, e a amplitude (tensão de pico menos tensão de calha) da forma de onda é mais ou menos constante. Para mim, isso parece que a tensão 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 quadcopters são motores DC sem escova (BLDC), que são equivalentes a um motor DC escovado, mas com comutação eletrônica.

A velocidade do motor é determinada pela tensão ('back-emf') que o motor gera enquanto gira, e não pela frequência de comutação (que deve seguir a etapa de travamento com a rotação do motor ou não irá girar). Os motores BLDC possuem ímãs permanentes, de modo que o back-emf é diretamente proporcional a rpm. A contrapressão é igual à tensão aplicada menos a queda de tensão na resistência e na indutância do enrolamento, e o motor acelera ou desacelera conforme desenha a corrente necessária para produzir o torque absorvido pela carga - exatamente o mesmo que um motor DC escovado.

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

Portanto, a tensão aplicada tem tudo a ver com a velocidade do motor. É por isso que esses motores têm uma classificação em Kv - é um parâmetro essencial para determinar quais rpm podem ser alcançadas com uma tensão específica. Como 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 quadcopter.

O valor Kv especificado deve ser a rpm teórica em 1V quando o motor não estiver consumindo corrente. No entanto, é comumente calculado dividindo-se simplesmente a rpm medida sem carga pela tensão aplicada, o que fornece um valor ligeiramente incorreto. E assim como a velocidade de um motor escovado pode ser aumentada avançando as 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 ruim, e não é comum que um motor tenha um Kv real 20% maior ou menor que sua especificação.

Motores projetados para outros usos geralmente não têm uma classificação de Kv porque não é considerado tão importante. No entanto, normalmente é fornecida a rpm sem carga à tensão nominal, da qual Kv pode ser derivado. A constante de torque do motor (Kt) também pode ser especificada. Kv é o inverso de Kt.

Por que os motores sem escova têm uma classificação em kv?

"kv Rating" não tem nada a ver com o torque, corrente, potência, impulso, 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 rotação, assim como as engrenagens, essa proporção pode ser modificada. Portanto, de certa forma, motores do mesmo tamanho com valores de kv relativamente mais altos são fabricados para obter mais velocidade e menos elevação.

Baseia-se no número de ímãs, no número de enrolamentos do estator por rotação, no número de fases por pólo e não tem indicação de energia.

É puramente a velocidade de rotação que gera a tensão de retorno EMF para coincidir com a tensão aplicada. Essa correspondência ocorre apenas sem carga e o arrasto reduz essa proporção em até 10% com o aumento na direção da tensão nominal, dependendo das perdas inerentes. (por exemplo, corrente de Foucault, fricção, geralmente pequena em comparação à disponibilidade de energia. Alterar o padrão do estator do enrolamento ou alterar o número de ímãs altera o número da taxa de RPM por volt para o mesmo material usado como a taxa de câmbio de uma bicicleta.

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

    • ímãs totais / 2 = fator de rotação do campo

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

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

    • Para 2200 kv:

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

A potência é uma função da corrente e a carga somente é classificada com UMA carga linear ou a carga não linear do suporte aerodinâmico. ou uma carga linear incremental em termos de gm / W ou gm / A em que gm é o impulso do suporte.

Miniatura de fundo da teoria (simplificada)

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

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

A força de Lorenz , F, atuando sobre uma partícula de carga elétrica q com velocidade instantânea v, devido a um campo elétrico externo E e um campo magnético B. Essa força é o que chamamos de Força Eletromagnética e é correspondida pelo Back EMF sem carga.

A velocidade angular por volt é mais complexa, com o número de pólos do estator e do rotor, proporcionando uma conversão ratiométrica e a comutação da corrente do motor é automaticamente revertida apenas um número adequado de arco-segundos após o campo magnético nulo para garantir uma parada ininterrupta . (falha de projeto / processo)

Assim, a velocidade da carga magnética é proporcional à força do campo, que é devida à tensão e também é chamada de força do campo Back EMF

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

Para uma máquina BLDC, existem duas constantes principais

$K_t$ com unidades Nm / A

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

Para uma máquina BLDC ideal $K_t \equiv K_e$ mas devido a detalhes sobre onde essas duas constantes são definidas ($K_e$ sendo tensão de terminal aberto e $K_t$ sendo produção de torque à corrente nominal) $K_t$ tende a ser menor devido à saturação do estator

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

Bem $K_v$ é apenas o recíproco de $K_e$ UMA VEZ convertido para rpm.

Como os quadrotores e esses dispositivos RC geralmente são limitados à tensão de alimentação, essa constante de rotação indica a velocidade do rotor que pode ser alcançada (descarregada) para uma determinada bateria. Da mesma forma, você pode estimar o torque que pode ser produzido devido ao relacionamento entre essas constantes.

O papel de um ESC é manter o fluxo do estator em 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 traseiro - controle sem sensor.
Além disso, o ESC pode emitir uma saída trifásica de onda senoidal, chamada FOC (Field Oriented Control) ou voltagem quadrada, onde apenas duas bobinas são conectadas ao mesmo tempo, a terceira fica flutuando.
Não é o caso, que o rotor esteja seguindo o campo do estator, e não o contrário - é o estator arquivado que segue a posição do rotor. Com o FOC, o ampliduto da tensão do estator vetorial é constante e gira em relação à posição do rotor. A tensão deve ser maior do que a tensão gerada pela EMF, a fim de girar o motor. É aqui que o fator Kv desempenha um papel.

Não tenho certeza por que isso é omisso neste contexto.

Deve ser V / krpm. ou volts / 1000 rotações / minuto. Eu poderia entender V / k mão curta, mas kv é kilo-volts.
Talvez volts entre as pernas no motor ou uma perna e ponto morto possam ser ambíguos, mas a convenção é entre duas pernas dos fios do motor. Eu acho que é porque é mais fácil se não houver fio neutro.