¿Por qué los motores sin escobillas tienen una clasificación de kv?

Me pregunto por qué los motores sin escobillas, como los que se usan para los cuadrotorsores, tienen una clasificación de kv, lo que supuestamente significa RPM por voltaje en el motor. Entonces, un motor de 2300 kv gira a 2300 rpm si se le aplica "1 voltio".

La parte entre paréntesis no tiene sentido para mí. Un ESC genera corriente alterna de 3 fases. Y por lo que entiendo, la frecuencia de la forma de onda de CA determina completamente la velocidad del motor, y la amplitud (voltaje máximo menos voltaje mínimo) de la forma de onda es más o menos constante. Para mí, esto parece que el voltaje realmente no tiene nada que ver con determinar la velocidad de un motor sin escobillas.

La salida de par de un motor eléctrico es directamente proporcional a la corriente del motor (¡no voltaje!), Y la corriente (I) es aproximadamente igual a

Donde V es la tensión de alimentación del motor, R es la resistencia del devanado y ε es la fuerza electromotriz posterior (EMF posterior).

KV y EMF posterior

El EMF posterior es el voltaje que estaría presente en los terminales del motor a medida que el motor gira sin tener nada conectado. Este voltaje es producido por el motor que actúa como un alternador, si lo desea, y es directamente proporcional a la velocidad de rotación. La clasificación de KV no es más que otra forma de establecer la relación entre la velocidad de rotación y la EMF inversa (KV ≈ RPM / ε). Limita la velocidad máxima del motor a cualquier voltaje de batería dado, porque a cierta velocidad dependiente de KV, el EMF posterior "cancelará" el voltaje de la batería. Esto evita que fluya más corriente al motor y, por lo tanto, reduce el par a cero.

Cuando enciende su motor por primera vez, la velocidad es cero. Esto significa que el EMF posterior también es cero, por lo que las únicas cosas que limitan la corriente del motor son la resistencia del devanado y la tensión de alimentación. Si el controlador del motor (ESC) emitiera el voltaje de la batería completa al motor a bajas velocidades, el motor y / o el ESC simplemente se derretirían.

Tensión, frecuencia, acelerador y velocidad.

En los esquemas de control de motor sin escobillas de circuito cerrado, la velocidad del motor (de la cual depende la frecuencia de salida) no se controla directamente. El acelerador controla el voltaje de salida y el ESC ajusta continuamente la frecuencia de salida. en respuesta al cambio de fase entre el ángulo del rotor y la forma de onda de accionamiento. La fase del EMF posterior le dice a los ESC sin sensores directamente el ángulo actual del rotor, mientras que los ESC con sensores usan sensores de efecto hall para el mismo propósito.

Hacer las cosas al revés (establecer la frecuencia directamente y controlar el voltaje en respuesta al cambio de fase medido) se convertiría en un acto de equilibrio fino:

• Establecer el voltaje demasiado bajo permitiría que fluye muy poca corriente, limitando el par. Si el par cae pero la carga permanece constante, el motor debe reducir la velocidad, lo que lleva a una pérdida inmediata de sincronización.

• Demasiado voltaje causaría un flujo excesivo de corriente, desperdiciando energía y calentando el motor y el ESC innecesariamente.

Por lo tanto, el punto óptimo de eficiencia es inestable con el control de "frecuencia primero". Un bucle de control podría mantenerlo cerca, pero si el ESC no puede reaccionar lo suficientemente rápido ante una carga, se producirá una pérdida transitoria de sincronización. Esto no es cierto para el control de "voltaje primero", donde una carga transitoria solo causará una reducción momentánea de la velocidad sin efectos nocivos.

Los ESC utilizados en helicópteros RC de paso colectivo a menudo tienen una función de "gobernador", que mantiene una velocidad fija del motor proporcional al ajuste del acelerador. Incluso estos ESC no controlan la frecuencia directamente, sino que implementan un controlador PID que establece el voltaje en respuesta a la diferencia entre la frecuencia deseada y la real.

ESC "sincronización"

La configuración de sincronización del motor de los ESC ajusta el punto de ajuste de este cambio de fase mecánico-eléctrico: la sincronización alta significa que la salida del ESC conduce la posición del rotor detectado, por ejemplo, 25 grados, mientras que con la sincronización baja, este cambio de fase se mantiene mucho más cerca de cero. Un ajuste de tiempo alto produce más potencia con menos eficiencia.

Esfuerzo de torsión

Los RC ESC normales no pueden hacer un control de par constante o limitar el par, ya que carecen de circuitos de detección de corriente como una medida de ahorro de peso y costo. La salida de par no se controla de ninguna manera; el motor solo produce tanto torque (y consume proporcionalmente tanta corriente) como lo requiere la carga a una velocidad dada. Para evitar que los golpes rápidos del acelerador sobrecarguen el ESC, la batería y / o el motor (ya que superar la inercia produce un par potencialmente ilimitado), los ESC generalmente tienen límites de aceleración y voltaje a una frecuencia dada.

Frenado

Si el motor se mantiene girando por medios externos mientras se reduce el voltaje, eventualmente el EMF posterior se volverá más grande que el nivel que el ESC intenta conducir. Esto provoca corriente negativa y frena el motor. La electricidad así producida se disipa en las bobinas del motor o se retroalimenta a la fuente de alimentación / batería, dependiendo del modo de descomposición PWM utilizado.

Un ESC genera corriente alterna de 3 fases. Y por lo que entiendo, la frecuencia de la forma de onda de CA determina completamente la velocidad del motor, y la amplitud (voltaje máximo menos voltaje mínimo) de la forma de onda es más o menos constante. Para mí, esto parece que el voltaje realmente no tiene nada que ver con determinar la velocidad de un motor sin escobillas.

Lo siento, pero todo esto está mal. Los motores utilizados en los quadcopters son motores de CC sin escobillas (BLDC), que son equivalentes a un motor de CC con escobillas pero con conmutación electrónica.

La velocidad del motor está determinada por el voltaje ('back-emf') que genera el motor mientras gira, no por la frecuencia de conmutación (que tiene que seguir en el paso de bloqueo con la rotación del motor o no girará). Los motores BLDC tienen imanes permanentes, por lo que el back-emf es directamente proporcional a las rpm. Back-emf es igual al voltaje aplicado menos la caída de voltaje a través de la resistencia y la inductancia del devanado, y el motor acelerará o disminuirá la velocidad a medida que consume la corriente requerida para producir el par absorbido por la carga, exactamente lo mismo que un motor de CC cepillado.

El ESC controla la velocidad del motor variando el voltaje que se le aplica. Por lo general, esto se hace con PWM, por lo que el voltaje máximo siempre es igual al voltaje de la batería, pero el voltaje promedio (al que responde el motor) varía según la relación de encendido / apagado de PWM. El ESC produce cualquier frecuencia de conmutación que el motor le exija, de forma similar a cómo la armadura en un motor cepillado hace que el conmutador cambie a la frecuencia que exige.

Por lo que la tensión aplicada tiene todo que ver con la velocidad del motor. Es por eso que estos motores tienen una clasificación de Kv: es un parámetro esencial para determinar qué rpm se pueden lograr con un voltaje particular. Dado que la potencia absorbida por una hélice es proporcional a la tercera potencia de rpm y la cuarta potencia del diámetro de la hélice, Kv es un parámetro crítico cuando se combinan los componentes de un quadcopter.

El valor Kv especificado debe ser las rpm teóricas a 1 V cuando el motor no consume corriente. Sin embargo, comúnmente se calcula simplemente dividiendo las rpm sin carga medidas por el voltaje aplicado, lo que da un valor ligeramente más bajo (incorrecto). Y así como la velocidad de un motor con escobillas se puede aumentar haciendo avanzar las escobillas, un ESC sin escobillas puede aumentar el Kv efectivo de un motor BLDC al adelantar el tiempo de conmutación. Agregue tolerancias de fabricación y un control de calidad deficiente, y no es habitual que un motor tenga un Kv real 20% mayor o menor que su especificación.

Los motores diseñados para otros usos a menudo no tienen una clasificación de Kv porque no se considera tan importante. Sin embargo, generalmente se proporcionan las rpm sin carga al voltaje nominal, de donde se puede derivar Kv. También se puede especificar la constante de par del motor (Kt). Kv es el inverso de Kt.

¿Por qué los motores sin escobillas tienen una clasificación de kv?

La "clasificación kv" no tiene nada que ver con el torque, corriente, potencia, empuje, elevación o arrastre esperados

• La excepción es que el par relativo puede cambiar con el número de imanes y el número de devanados del estator por revolución, por lo que, al igual que los engranajes, esta relación puede modificarse. Entonces, en cierto sentido, los motores del mismo tamaño con valores de kv relativamente más altos están hechos para obtener más velocidad y menos elevación.

Se basa en la cantidad de imanes, la cantidad de devanados del estator por rotación, la cantidad de fases por polo y no tiene indicación de potencia.

Es puramente la velocidad de rotación la que genera el voltaje EMF posterior para que coincida con el voltaje aplicado. Esta coincidencia solo ocurre sin carga y el arrastre reduce esta relación hasta un 10% con un aumento hacia el voltaje nominal dependiendo de las pérdidas inherentes. (p. ej., corriente de Foucault, fricción, generalmente pequeña en comparación con la potencia disponible. Cambiar el patrón del estator del devanado o cambiar la cantidad de imanes cambiará la cantidad de relación de RPM por voltio para el mismo material utilizado como la relación de transmisión en una bicicleta.

• • Ejemplo de cálculos con varios imanes, determinar la rotación del campo

    • imanes totales / 2 = factor de rotación de campo

    • Factor de rotación de campo * kV = ciclo magnético / V

    • Entonces, con 14 imanes, factor de rotación de campo = 7, por lo tanto, rotación de campo = 7609 ciclos / v

    • Para 2200 kv:

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

La potencia es una función de la corriente y la carga solo está clasificada ya sea con una carga lineal o la carga no lineal del puntal aerodinámico. o una carga lineal incremental en términos de gm / W o gm / A donde gm es el empuje de la hélice.

Miniatura de fondo sobre teoría (simplificada)

• Se basa en las leyes de Física definidas por Maxwell y en mayor profundidad por Heaviside, y Lorenz quien demostró que esta Fuerza en carga q es un producto de la suma del campo E y la velocidad del campo B.

Entonces las ecuaciones vectoriales dicen. F = q (E + vxB)

La fuerza de Lorenz , F que actúa sobre una partícula de carga eléctrica q con velocidad instantánea v, debido a un campo eléctrico externo E y un campo magnético B. Esta fuerza es lo que llamamos la Fuerza electromagnética y se corresponde con el EMF posterior sin carga.

La velocidad angular por voltio es más compleja, ya que el número de polos del estator y polos del rotor proporciona una conversión radiométrica y la conmutación de la corriente del motor se invierte automáticamente solo una cantidad adecuada de segundos de arco después del campo magnético nulo para garantizar que no haya un punto muerto . (diseño / falla del proceso)

Por lo tanto, la velocidad de carga magnética es proporcional a la intensidad de campo que se debe al voltaje y también se conoce como intensidad de campo EMF inversa

La clasificación de KV se refiere a las RPM / voltios máximas que se pueden lograr con el motor, por lo que un motor de 2300 KV a 1 V funcionaría a velocidades de hasta 2300 RPM, independientemente de la frecuencia. Cuanto menor es el voltaje, menor es el par máximo que puede producir el motor. Si aumentara la frecuencia e intentara hacerla funcionar a una velocidad más alta, el motor no tendría el par suficiente para superar la fricción a esa velocidad y detenerse.

Para una máquina BLDC hay dos constantes clave

$K_t$ con unidades Nm / A

$K_e$ con unidades V /$\omega$ (voltaje pico línea-línea)

Para una máquina BLDC ideal $K_t \equiv K_e$ pero debido a detalles específicos sobre dónde se definen estas dos constantes ($K_e$ siendo voltaje de terminal abierto y $K_t$ siendo la producción de par a la corriente nominal) $K_t$ tiende a ser menor debido a la saturación del estator

¿Qué tiene esto que ver con los motores BLDC para quadrotors y $K_v$

Bien $K_v$ es solo el recíproco de $K_e$ UNA VEZ convertido a rpm.

Debido a que los cuadrotors y tales dispositivos RC generalmente tienen un voltaje de suministro limitado, esta constante de rpm le indicará la velocidad del rotor que se puede lograr (sin carga) para una batería determinada. Del mismo modo, puede estimar el par que se puede producir debido a la relación entre estas constantes.

El papel de un ESC es mantener el flujo del estator a 90 grados con respecto al flujo del rotor. Esto se hace con el uso del sensor de posición, como el elemento hall o mediante la detección de EMF posterior, control sin sensor.
Además, el ESC puede generar una salida trifásica de onda sinusoidal, llamada FOC (control orientado al campo) o voltaje cuadrado, donde solo se conectan dos bobinas al mismo tiempo, la tercera se deja flotando.
No es el caso, ese rotor está siguiendo el campo del estator, sino todo lo contrario: es el estator archivado el que sigue la posición del rotor. Con FOC, el amplidute del voltaje del estator del vector es constante y gira con respecto a la posición del rotor. El voltaje tiene que ser más alto que el voltaje generado por EMF posterior para hacer girar el motor. Aquí es donde el factor Kv juega un papel importante.

No estoy seguro de por qué esto se cita mal en este contexto.

Debería ser V / krpm. o voltios / 1000 revoluciones / minuto. Posiblemente podría entender V / k mano corta pero kv es kilovoltios.
Tal vez los voltios entre las patas del motor o una pierna y neutro pueden ser ambiguos, pero la convención es entre 2 patas de los cables del motor. Supongo que es porque es más fácil si no existe un cable neutro.