Mengapa motor brushless memiliki peringkat kv?

Saya bertanya-tanya mengapa motor brushless, seperti yang digunakan untuk quadrotors, memiliki peringkat kv, yang seharusnya berarti RPM per voltase di seluruh motor. Jadi motor 2300 kv berputar pada 2300 rpm jika "1 volt diterapkan" untuk itu.

Bagian dalam kurung tidak masuk akal bagi saya. ESC menghasilkan arus AC 3 fase. Dan dari apa yang saya pahami, frekuensi gelombang AC sepenuhnya menentukan kecepatan motor, dan amplitudo (tegangan puncak dikurangi tegangan palung) dari bentuk gelombang lebih atau kurang konstan. Bagi saya ini sepertinya tegangan benar-benar tidak ada hubungannya dengan menentukan kecepatan motor tanpa sikat.

Output torsi dari motor listrik berbanding lurus dengan arus motor (bukan tegangan!), Dan arus (I) kira-kira sama dengan

Di mana V adalah tegangan suplai motor, R adalah hambatan belitan dan ε adalah gaya gerak-balik listrik (EMF belakang).

KV dan EMF kembali

EMF belakang adalah tegangan yang akan ada di terminal motor ketika motor berputar tanpa ada yang terhubung. Tegangan ini diproduksi oleh motor yang bertindak sebagai alternator, jika Anda mau, dan berbanding lurus dengan kecepatan rotasi. Peringkat KV tidak lain adalah cara lain untuk menyatakan hubungan antara kecepatan rotasi dan kembali EMF (KV ≈ RPM / ε). Ini membatasi kecepatan motor maksimum pada tegangan baterai yang diberikan, karena pada beberapa kecepatan tergantung KV, EMF-belakang akan "membatalkan" tegangan baterai. Ini mencegah arus lebih dari mengalir ke motor dan dengan demikian mengurangi torsi ke nol.

Saat pertama kali menghidupkan motor Anda, kecepatannya nol. Ini berarti EMF bagian belakang juga nol, jadi satu-satunya hal yang membatasi arus motor adalah hambatan belitan dan tegangan suplai. Jika motor controller (ESC) mengeluarkan tegangan baterai penuh ke motor pada kecepatan rendah, motor dan / atau ESC akan meleleh.

Tegangan, frekuensi, kecepatan dan kecepatan

Dalam skema kontrol motor brushless loop tertutup, kecepatan motor (yang merupakan frekuensi fungsi) tidak dikontrol secara langsung. Throttle sebagai gantinya mengontrol tegangan output dan ESC terus-menerus menyesuaikan frekuensi output sebagai respons terhadap pergeseran fasa antara sudut rotor dan bentuk gelombang drive. Fase belakang EMF memberi tahu ESC tanpa sensor secara langsung tentang sudut rotor saat ini, sementara ESC sensor menggunakan sensor efek hall untuk tujuan yang sama.

Melakukan hal-hal sebaliknya (mengatur frekuensi secara langsung dan mengendalikan tegangan sebagai respons terhadap pergeseran fase yang diukur) akan menjadi tindakan penyeimbangan yang baik:

• Menyetel voltase terlalu rendah akan membuat arus terlalu sedikit untuk mengalir, sehingga membatasi torsi. Jika torsi jatuh tetapi beban tetap konstan, motor harus melambat, yang menyebabkan hilangnya sinkronisasi segera.

• Terlalu banyak tegangan akan menyebabkan arus berlebih mengalir, membuang tenaga dan memanaskan motor dan ESC secara tidak perlu.

Dengan demikian titik efisiensi optimal tidak stabil dengan kontrol "frekuensi pertama". Kontrol loop bisa tetap dekat, tetapi jika ESC tidak dapat bereaksi cukup cepat untuk kehilangan sinkronisasi sementara beban akan terjadi. Ini tidak benar untuk kontrol "tegangan pertama", di mana transien beban hanya akan menyebabkan penurunan kecepatan sesaat tanpa efek buruk.

ESC yang digunakan dalam pitch kolektif helikopter RC sering memiliki fungsi "gubernur", yang mempertahankan kecepatan motor tetap yang sebanding dengan pengaturan throttle. Bahkan ESC ini tidak benar-benar mengendalikan frekuensi secara langsung, melainkan menerapkan pengontrol PID yang mengatur tegangan sebagai respons terhadap perbedaan antara frekuensi yang diinginkan dan aktual.

"Waktu" ESC

Pengaturan timing motor ESC menyesuaikan setpoint dari pergeseran fase mekanis-elektrik ini: Pengaturan waktu yang tinggi berarti bahwa output ESC mengarahkan posisi rotor yang dirasakan misalnya 25 derajat, sedangkan dengan timing rendah pergeseran fase ini dijaga lebih dekat ke nol. Pengaturan timing yang tinggi menghasilkan lebih banyak daya lebih efisien.

Torsi

ESC RC normal tidak dapat melakukan kontrol torsi konstan atau membatasi torsi, karena mereka tidak memiliki sirkuit penginderaan saat ini sebagai ukuran penghematan biaya dan berat. Output torsi tidak dikontrol dengan cara apa pun; motor hanya menghasilkan torsi sebanyak (dan menarik arus secara proporsional) seperti yang dibutuhkan oleh beban pada kecepatan tertentu. Untuk mencegah pukulan throttle cepat dari overloading ESC, baterai dan / atau motor (karena mengatasi inersia berpotensi menghasilkan torsi tak terbatas), ESC biasanya memiliki batas akselerasi dan tegangan pada frekuensi tertentu.

Pengereman

Jika motor terus berputar dengan cara eksternal saat tegangan berkurang, pada akhirnya EMF belakang akan menjadi lebih besar dari level yang ESC coba kendarai. Ini menyebabkan arus negatif dan rem motor. Listrik yang dihasilkan dihamburkan dalam gulungan motor atau diumpankan kembali ke catu daya / baterai, tergantung pada mode peluruhan PWM yang digunakan.

ESC menghasilkan arus AC 3 fase. Dan dari apa yang saya pahami, frekuensi gelombang AC sepenuhnya menentukan kecepatan motor, dan amplitudo (tegangan puncak dikurangi tegangan palung) dari bentuk gelombang lebih atau kurang konstan. Bagi saya ini sepertinya tegangan benar-benar tidak ada hubungannya dengan menentukan kecepatan motor tanpa sikat.

Maaf, tapi ini semua salah. Motor yang digunakan dalam quadcopters adalah motor Brushless DC (BLDC), yang setara dengan motor DC brush tetapi dengan pergantian elektronik.

Kecepatan motor ditentukan oleh tegangan ('back-emf') yang dihasilkan motor saat berputar, bukan frekuensi pergantian (yang harus mengikuti langkah kunci dengan putaran motor atau tidak akan berputar). Motor BLDC memiliki magnet permanen sehingga back-emf berbanding lurus dengan rpm. Back-emf sama dengan voltase minus tegangan yang diterapkan pada resistan dan induktansi belitan, dan motor akan mempercepat atau memperlambat karena menarik arus yang diperlukan untuk menghasilkan torsi yang diserap oleh beban - persis sama dengan motor DC yang disikat.

ESC mengontrol kecepatan motor dengan memvariasikan tegangan yang diberikan padanya. Biasanya ini dilakukan dengan PWM sehingga tegangan puncak selalu sama dengan tegangan baterai, tetapi tegangan rata - rata (yang merespons motor) bervariasi sesuai dengan rasio on / off PWM. ESC menghasilkan frekuensi pergantian apa pun yang diminta motor, mirip dengan bagaimana jangkar pada motor yang disikat menyebabkan komutator untuk beralih pada frekuensi yang diminta.

Sehingga tegangan diterapkan memiliki segala sesuatu harus dilakukan dengan kecepatan motor. Inilah sebabnya mengapa motor-motor ini memiliki peringkat Kv - itu adalah parameter penting untuk menentukan rpm apa yang dapat dicapai dengan tegangan tertentu. Karena daya yang diserap oleh baling-baling sebanding dengan daya ke-3 rpm dan daya ke-4 dari diameter penyangga, Kv adalah parameter penting ketika mencocokkan komponen quadcopter.

Nilai Kv yang ditentukan haruslah rpm teoritis pada 1V ketika motor tidak menggambar arus apa pun. Namun biasanya dihitung dengan hanya membagi rpm tanpa beban yang diukur dengan tegangan yang diberikan, yang memberikan nilai yang sedikit lebih rendah (salah). Dan sama seperti kecepatan motor brush dapat ditingkatkan dengan memajukan brush, jadi ESC brushless dapat meningkatkan Kv efektif motor BLDC dengan memajukan timing komutasi. Tambahkan toleransi pabrikan dan kontrol kualitas yang buruk, dan tidak biasa motor memiliki Kv 20% lebih tinggi atau lebih rendah dari spesifikasinya.

Motor yang dirancang untuk penggunaan lain sering tidak memiliki peringkat Kv karena tidak dianggap begitu penting. Namun rpm tanpa beban pada tegangan nominal biasanya disediakan, dari mana Kv dapat diturunkan. Konstanta torsi motor (Kt) juga dapat ditentukan. Kv adalah kebalikan dari Kt.

Mengapa motor brushless memiliki peringkat kv?

"Peringkat kv" tidak ada hubungannya dengan Torsi, arus, daya, daya dorong, angkat, atau tarik yang diharapkan

• Pengecualian adalah torsi relatif dapat berubah dengan jumlah magnet dan jumlah belitan stator per putaran sehingga seperti roda gigi, rasio ini dapat dimodifikasi. Jadi dalam arti tertentu, motor dengan ukuran yang sama dengan nilai kv yang relatif lebih tinggi dibuat untuk kecepatan yang lebih tinggi dan lebih sedikit pengangkatan.

Hal ini didasarkan pada jumlah magnet, jumlah belitan stator per putaran, jumlah fase per kutub dan tidak memiliki indikasi daya.

Ini murni kecepatan rotasi yang menghasilkan tegangan EMF kembali agar sesuai dengan tegangan yang diberikan. Kecocokan ini hanya terjadi tanpa beban dan seret mengurangi rasio ini hingga 10% dengan kenaikan menuju tegangan pengenal tergantung pada kerugian yang melekat. (misalnya arus eddy, gesekan, umumnya kecil dibandingkan dengan daya yang tersedia. Mengubah pola stator berliku atau mengubah jumlah magnet akan mengubah jumlah rasio RPM per volt untuk bahan yang sama yang digunakan seperti rasio roda gigi pada sepeda.

• • Contoh perhitungan dengan berbagai magnet, Tentukan rotasi bidang

    • total magnet / 2 = faktor rotasi lapangan

    • Faktor rotasi lapangan * kV = siklus magnet / V

    • Jadi dengan 14 magnet, faktor rotasi bidang = 7, sehingga rotasi bidang = 7609 siklus / v

    • Untuk 2200 kv:

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

Daya adalah fungsi dari arus dan hanya beban yang dinilai dengan EITHER beban linier atau beban nonlinear dari penyangga aerodinamik. atau beban linier tambahan dalam hal gm / W atau gm / A di mana gm adalah gaya dorong prop.

Thumbnail latar belakang tentang teori (terlalu disederhanakan)

• Ini didasarkan pada hukum Fisika yang didefinisikan oleh Maxwell dan lebih mendalam oleh Heaviside, dan Lorenz yang membuktikan bahwa Gaya yang bertanggung jawab q ini adalah produk dari jumlah bidang E dan kecepatan bidang B.

Jadi persamaan vektor mengatakan. F = q (E + vxB)

Gaya Lorenz , F yang bekerja pada partikel muatan listrik q dengan kecepatan sesaat v, karena medan listrik eksternal E dan medan magnet B. Gaya ini adalah apa yang kita sebut Gaya Elektromagnetik dan dicocokkan oleh EMF Kembali tanpa beban.

Kecepatan Sudut per Volt adalah yang lebih kompleks dengan jumlah kutub stator dan kutub rotor yang memberikan konversi ratiometrik dan pergantian arus motor secara otomatis dibalikkan hanya sejumlah busur detik yang memadai setelah medan magnet nol untuk memastikan tidak ada penghenti mati . (kegagalan desain / proses)

Dengan demikian kecepatan muatan magnet sebanding dengan kekuatan medan yang disebabkan oleh Tegangan dan juga disebut sebagai kekuatan medan Kembali EMF

Peringkat KV mengacu pada RPM / volt maksimum yang dapat dicapai dengan motor - sehingga motor 2300 KV pada 1 V akan bekerja pada kecepatan hingga 2300 RPM, terlepas dari frekuensi. Semakin rendah tegangan, semakin rendah torsi maksimum yang dapat dihasilkan motor. Jika Anda meningkatkan frekuensi dan mencoba menjalankannya pada kecepatan yang lebih tinggi, motor tidak akan memiliki torsi yang cukup untuk mengatasi gesekan pada kecepatan dan stall itu.

Untuk mesin BLDC ada dua konstanta kunci

$K_t$

$K_e$$\omega$

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

$K_v$

$K_v$$K_e$

Karena quadrotor dan perangkat RC semacam itu biasanya terbatas tegangan-suplai, konstanta rpm ini akan memberi tahu Anda kecepatan rotor yang dapat dicapai (dibongkar) untuk baterai yang diberikan. Demikian juga Anda dapat memperkirakan torsi yang dapat dihasilkan karena hubungan antara konstanta ini.

Peran ESC adalah menjaga fluks stator pada 90 derajat sehubungan dengan fluks rotor. Hal ini dilakukan dengan menggunakan sensor posisi, seperti elemen hall atau dengan menggunakan kontrol sensor - sensor EMF kembali.
Lebih jauh ESC dapat mengeluarkan sinewave output tiga fase, yang disebut FOC (Field Oriented Control) atau tegangan persegi, di mana hanya dua kumparan yang terhubung pada saat yang sama, yang ketiga dibiarkan mengambang.
Bukan itu masalahnya, bahwa rotor mengikuti bidang stator, tetapi sebaliknya - stator yang mengajukan mengikuti posisi rotor. Dengan FOC, amplitudo dari tegangan stator vektor adalah konstan dan berputar sehubungan dengan posisi rotor. Tegangan harus lebih tinggi dari tegangan EMF yang dihasilkan untuk memutar motor. Di sinilah faktor Kv berperan.

Tidak yakin mengapa ini terlewatkan dalam konteks ini.

Itu harus V / krpm. atau volt / 1000 putaran / menit. Saya mungkin bisa memahami V / k tangan pendek tetapi kv adalah kilo volt.
Mungkin volt antara kaki pada motor atau kaki dan netral mungkin ambigu tetapi konvensi adalah antara 2 kaki motor mengarah. Saya kira itu karena lebih mudah jika tidak ada kabel netral.