Dlaczego silniki bezszczotkowe mają wartość kv?

Zastanawiam się, dlaczego silniki bezszczotkowe, takie jak stosowane w quadrotorach, mają wartość kv, co rzekomo oznacza RPM na napięcie w całym silniku. Tak więc silnik 2300 kv obraca się z prędkością 2300 obr / min, jeśli zostanie przyłożone "1 wolt".

Ta część w nawiasie nie ma dla mnie sensu. Układ ESC wytwarza prąd trójfazowy prądu przemiennego. Z tego, co rozumiem, częstotliwość przebiegu prądu przemiennego całkowicie determinuje prędkość silnika, a amplituda (napięcie szczytowe minus napięcie dolne) przebiegu jest mniej więcej stała. Wydaje mi się, że napięcie naprawdę nie ma nic wspólnego z określaniem prędkości silnika bezszczotkowego.

Wyjściowy moment obrotowy silnika elektrycznego jest wprost proporcjonalny do prądu silnika (nie napięcia!), A prąd (I) jest mniej więcej równy

Gdzie V jest napięciem zasilania silnika, R jest rezystancją uzwojenia, a ε jest siłą elektromotoryczną wsteczną (tylna EMF).

KV i powrót EMF

Tylne pole elektromagnetyczne to napięcie, które byłoby obecne na zaciskach silnika podczas obracania się silnika bez podłączania do niego czegokolwiek. Napięcie to jest wytwarzane przez silnik działający jako alternator, jeśli chcesz, i jest wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej. Ocena KV jest niczym innym, jak innym sposobem na określenie związku między prędkością obrotową a wstecznym EMF (KV ≈ RPM / ε). Ogranicza maksymalną prędkość silnika przy danym napięciu akumulatora, ponieważ przy pewnej prędkości zależnej od KV back-EMF „anuluje” napięcie akumulatora. Zapobiega to przepływowi prądu do silnika, a tym samym zmniejsza moment obrotowy do zera.

Przy pierwszym włączeniu silnika prędkość wynosi zero. Oznacza to, że tylny EMF jest również zerowy, więc jedynymi ograniczającymi prąd silnika są rezystancja uzwojenia i napięcie zasilania. Jeśli sterownik silnika (ESC) miałby wysyłać pełne napięcie akumulatora do silnika przy niskich prędkościach, silnik i / lub ESC po prostu stopiłyby się.

Napięcie, częstotliwość, przepustnica i prędkość

W bezszczotkowych schematach sterowania silnikiem w zamkniętej pętli prędkość silnika (której funkcją jest częstotliwość wyjściowa) nie jest bezpośrednio kontrolowana. Zamiast tego przepustnica kontroluje napięcie wyjściowe, a ESC w sposób ciągły dostosowuje częstotliwość wyjściową w odpowiedzi na przesunięcie fazowe między kątem wirnika a przebiegiem napędu. Faza tylnego pola elektromagnetycznego informuje bezczujnikowe układy ESC bezpośrednio o bieżącym kącie wirnika, podczas gdy czujnikowe układy ESC wykorzystują czujniki efektu Halla do tego samego celu.

Robienie rzeczy na odwrót (bezpośrednie ustawianie częstotliwości i kontrolowanie napięcia w odpowiedzi na zmierzone przesunięcie fazowe) stałoby się dobrym działaniem równoważącym:

• Ustawienie zbyt niskiego napięcia pozwoliłoby na przepływ zbyt małego prądu, ograniczając moment obrotowy. Jeśli moment obrotowy spada, ale obciążenie pozostaje stałe, silnik musi zwolnić, co prowadzi do natychmiastowej utraty synchronizacji.

• Zbyt duże napięcie spowodowałoby przepływ nadmiernego prądu, marnowanie mocy i niepotrzebne nagrzewanie silnika i ESC.

Zatem optymalny punkt wydajności jest niestabilny przy regulacji „najpierw częstotliwość”. Pętla kontrolna może utrzymywać ją blisko, ale jeśli ESC nie będzie w stanie wystarczająco szybko zareagować na obciążenie, nastąpi przejściowa utrata synchronizacji. Nie dotyczy to sterowania „napięciem pierwszym”, w którym stan przejściowy obciążenia spowoduje chwilowe zmniejszenie prędkości bez żadnych niepożądanych skutków.

ESC stosowane w śmigłowcach RC o skoku zbiorczym często mają funkcję „regulatora”, która utrzymuje stałą prędkość silnika proporcjonalną do ustawienia przepustnicy. Nawet te ESC nie kontrolują bezpośrednio częstotliwości, zamiast tego wdrażają regulator PID, który ustawia napięcie w odpowiedzi na różnicę między częstotliwością pożądaną i rzeczywistą.

„Czas” ESC

Ustawienie taktowania silnika ESC dostosowuje wartość zadaną tego mechaniczno-elektrycznego przesunięcia fazowego: wysokie taktowanie oznacza, że ​​moc wyjściowa ESC prowadzi wykrytą pozycję wirnika np. O 25 stopni, natomiast przy niskim taktowaniu przesunięcie fazowe jest utrzymywane znacznie bliżej zera. Wysokie ustawienie czasowe wytwarza mniej mocy mniej efektywnie.

Moment obrotowy

Normalne układy ESC RC nie mogą wykonywać stałej kontroli momentu obrotowego ani ograniczać momentu obrotowego, ponieważ nie mają obwodów wykrywających prąd jako środka oszczędności kosztów i masy. Wyjściowy moment obrotowy nie jest w żaden sposób kontrolowany; silnik wytwarza tyle momentu obrotowego (i pobiera proporcjonalnie tyle prądu), ile wymaga obciążenie przy danej prędkości. Aby zapobiec przeciążeniu szybkich uderzeń przepustnicy ESC, akumulatora i / lub silnika (ponieważ pokonanie bezwładności wytwarza potencjalnie nieograniczony moment obrotowy), ESC zwykle mają ograniczenia przyspieszenia i napięcia przy danej częstotliwości.

Hamowanie

Jeśli silnik nadal obraca się za pomocą środków zewnętrznych, podczas gdy napięcie jest zmniejszone, ostatecznie tylny EMF stanie się większy niż poziom, który ESC próbuje napędzać. To powoduje prąd ujemny i hamuje silnik. Wytworzona w ten sposób energia elektryczna jest albo rozpraszana w cewkach silnika, albo przekazywana z powrotem do zasilacza / akumulatora, w zależności od zastosowanego trybu zanikania PWM .

Układ ESC wytwarza prąd trójfazowy prądu przemiennego. Z tego, co rozumiem, częstotliwość przebiegu prądu przemiennego całkowicie determinuje prędkość silnika, a amplituda (napięcie szczytowe minus napięcie dolne) przebiegu jest mniej więcej stała. Wydaje mi się, że napięcie naprawdę nie ma nic wspólnego z określaniem prędkości silnika bezszczotkowego.

Przepraszam, ale to wszystko źle. Silniki stosowane w quadkopterach to bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC), które są równoważne szczotkowanemu silnikowi prądu stałego, ale mają komutację elektroniczną.

Prędkość silnika jest określona przez napięcie („back-emf”), które silnik wytwarza podczas wirowania, a nie częstotliwość komutacji (która musi następować w kroku blokowania z obrotem silnika, inaczej się nie obraca). Silniki BLDC mają magnesy stałe, więc emisja wsteczna jest wprost proporcjonalna do obrotów na minutę. Back-emf równa się przyłożonemu napięciu minus spadek napięcia na rezystancji uzwojenia i indukcyjności, a silnik przyspieszy lub zwolni, gdy pobierze prąd wymagany do wytworzenia momentu pochłoniętego przez obciążenie - dokładnie tak samo jak szczotkowany silnik prądu stałego.

ESC kontroluje prędkość silnika zmieniając przyłożone do niego napięcie. Zwykle odbywa się to za pomocą PWM, więc napięcie szczytowe jest zawsze równe napięciu akumulatora, ale średnie napięcie (na które reaguje silnik) zmienia się zgodnie ze współczynnikiem włączenia / wyłączenia PWM. ESC wytwarza dowolną częstotliwość komutacji wymaganą przez silnik, podobnie jak zwora w silniku szczotkowym powoduje przełączanie komutatora z wymaganą częstotliwością.

Przyłożone napięcie ma więc wszystko wspólnego z prędkością silnika. Właśnie dlatego silniki te mają wartość Kv - jest to niezbędny parametr do określenia prędkości obrotowej, jaką można osiągnąć przy danym napięciu. Ponieważ moc pochłaniana przez śmigło jest proporcjonalna do trzeciej mocy rpm i czwartej mocy średnicy śmigła, Kv jest kluczowym parametrem przy dopasowywaniu elementów kwadrokoptera.

Podana wartość Kv powinna być teoretyczną prędkością obrotową przy 1 V, gdy silnik nie pobiera prądu. Jednak jest to zwykle obliczane przez proste podzielenie zmierzonych obrotów bez obciążenia przez przyłożone napięcie, co daje nieco niższą (niepoprawną) wartość. I podobnie jak prędkość szczotkowanego silnika można zwiększyć, przesuwając szczotki, tak bezszczotkowy ESC może zwiększyć efektywną Kv silnika BLDC poprzez przyspieszenie czasu komutacji. Dodaj tolerancje produkcyjne i słabą kontrolę jakości, a rzeczywiste wartości Kv wyższe lub niższe o 20% od specyfikacji nie są zwykle stosowane.

Silniki zaprojektowane do innych zastosowań często nie mają wartości Kv, ponieważ nie jest to uważane za tak ważne. Jednak zwykle zapewnia się obroty bez obciążenia przy napięciu nominalnym, z którego można wyprowadzić Kv. Można również określić stałą momentu obrotowego silnika (Kt). Kv jest odwrotnością Kt.

Dlaczego silniki bezszczotkowe mają wartość kv?

„Ocena kv” nie ma nic wspólnego z oczekiwanym momentem obrotowym, prądem, mocą, ciągiem, podnoszeniem lub przeciąganiem

• Wyjątkiem jest względny moment obrotowy, który może się zmieniać wraz z liczbą magnesów i liczbą zwojów stojana na obrót, tak jak w przypadku przekładni, stosunek ten można modyfikować. Tak więc, w pewnym sensie, silniki tej samej wielkości o stosunkowo wyższych wartościach kv są wytwarzane dla większej prędkości i mniejszego udźwigu.

Opiera się na liczbie magnesów, liczbie uzwojeń stojana na obrót, liczbie faz na biegun i nie ma wskazania mocy.

Jest to wyłącznie prędkość obrotowa, która wytwarza napięcie wsteczne EMF w celu dopasowania do przyłożonego napięcia. To dopasowanie występuje tylko bez obciążenia, a opór zmniejsza ten stosunek do 10% wraz ze wzrostem napięcia znamionowego w zależności od nieodłącznych strat. (np. prąd wirowy, tarcie, ogólnie niewielkie w porównaniu do dostępnej mocy. Zmiana wzoru stojana uzwojenia lub zmiana liczby magnesów spowoduje zmianę liczby obrotów na minutę na wolt dla tego samego materiału, jaki zastosowano w przekładni na rowerze.

• • Przykładowe obliczenia z różnymi magnesami, Określ obrót pola

    • magnesy ogółem / 2 = współczynnik obrotu pola

    • Współczynnik obrotu pola * kV = cykl magnetyczny / V.

    • Zatem przy 14 magnesach współczynnik obrotu pola = 7, a zatem obrót pola = 7609 cykli / v

    • Dla 2200 kv:

      • 14 magnesów - 2200 * 7 = 154000 cykli / V.
      • 10 magnesów - 2200 * 5 = 11000 cykli / V.
      • 8 magnesów - 2200 * 4 = 8800 cykli / V.

Moc jest funkcją prądu, a obciążenie jest oceniane EITHER jako obciążenie liniowe lub obciążenie nieliniowe podpory aerodynamicznej. lub przyrostowe obciążenie liniowe wyrażone w gm / W lub gm / A, gdzie gm jest ciągiem podpory.

Miniatura tła teorii (uproszczona)

• Opiera się na prawach fizyki określonych przez Maxwella, a bardziej szczegółowo przez Heaviside i Lorenza, który udowodnił, że ta siła na ładunku q jest iloczynem sumy pola E i prędkości pola B.

Tak mówią równania wektorowe. F = q (E + vxB)

Siła Lorenza , F działająca na cząsteczkę ładunku elektrycznego q o prędkości chwilowej v, z powodu zewnętrznego pola elektrycznego E i pola magnetycznego B. Siła ta nazywana jest siłą elektromagnetyczną i jest dopasowywana przez Back EMF bez obciążenia.

Prędkość kątowa na wolt jest bardziej złożona, a liczba biegunów stojana i biegunów wirnika zapewnia konwersję ratiometryczną, a komutacja prądu silnika jest automatycznie odwracana tylko o odpowiednią liczbę sekund łuku po zerowym polu magnetycznym, aby zapewnić brak zatrzymania . (błąd projektu / procesu)

Zatem prędkość ładunku magnetycznego jest proporcjonalna do natężenia pola wynikającego z napięcia i jest również określana jako siła pola wstecznego pola elektromagnetycznego

Wartość znamionowa KV odnosi się do maksymalnych obrotów na minutę / wolt, które można osiągnąć za pomocą silnika - więc silnik 2300 KV przy 1 V pracowałby przy prędkościach do 2300 RPM, niezależnie od częstotliwości. Im niższe napięcie, tym niższy maksymalny moment obrotowy może wytworzyć silnik. Gdyby zwiększyć częstotliwość i spróbować uruchomić ją z większą prędkością, silnik nie miałby wystarczającego momentu obrotowego, aby pokonać tarcie przy tej prędkości i utknięciu.

W przypadku maszyny BLDC istnieją dwie kluczowe stałe

$K_t$ z jednostkami Nm / A

$K_e$ z jednostkami V /$\omega$ (szczytowe napięcie linii)

Dla idealnej maszyny BLDC $K_t \equiv K_e$ ale ze względu na specyfikę tego, gdzie te dwie stałe są zdefiniowane ($K_e$ napięcie otwarte na zaciskach i $K_t$ wytwarzanie momentu obrotowego przy prądzie znamionowym) $K_t$ jest zwykle niższy z powodu nasycenia stojana

Co to ma wspólnego z silnikami BLDC do quadrotors i $K_v$

Dobrze $K_v$ jest tylko odwrotnością $K_e$ RAZ przeliczono na rpm.

Ponieważ quadrotory i takie urządzenia RC mają zwykle ograniczone napięcie zasilania, ta stała prędkości obrotowej powie ci, jaka prędkość wirnika może zostać osiągnięta (nieobciążona) dla danego akumulatora. Podobnie można oszacować moment obrotowy, który można wytworzyć dzięki zależności między tymi stałymi.

Rolą ESC jest utrzymywanie strumienia stojana pod kątem 90 stopni w stosunku do strumienia wirnika. Odbywa się to za pomocą czujnika położenia, takiego jak element przedpokoju lub za pomocą czujnika wstecznego EMF - sterowanie bezczujnikowe.
Ponadto ESC może wyprowadzić sinusoidalne wyjście trójfazowe, tzw. FOC (Field Oriented Control) lub napięcie kwadratowe, gdzie tylko dwie cewki są podłączone w tym samym czasie, a trzecia pozostaje płynna.
Nie jest tak, że wirnik podąża za polem stojana, a wręcz przeciwnie - to pole stojana podąża za pozycją wirnika. W przypadku FOC amplituda wektora napięcia stojana jest stała i obraca się w zależności od położenia wirnika. Napięcie musi być wyższe niż napięcie generowane z powrotem przez EMF, aby obrócić silnik. Tutaj odgrywa rolę czynnik Kv.

Nie jestem pewien, dlaczego w tym kontekście jest to brakujący cytat.

Powinien to być V / krpm. lub wolty / 1000 obrotów / minutę. Mogłem zrozumieć krótką rękę V / k, ale kv to kilogram woltów.
Być może wolty między nogami silnika lub nogi i punktem neutralnym mogą być niejednoznaczne, ale konwencja występuje między 2 nogami przewodów silnika. Sądzę, że dzieje się tak, ponieważ łatwiej jest, jeśli nie ma przewodu neutralnego.