¿Por qué los motores sin escobillas tienen un índice de kv?

Question

Me pregunto por qué los motores sin escobillas, como los que se utilizan para los cuadricópteros, tienen un índice de kv, que supuestamente significa RPM por voltaje a través del motor. Así que 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 trifásica. Y por lo que tengo entendido, la frecuencia de la forma de onda de CA determina completamente la velocidad del motor, y la amplitud (tensión de pico menos tensión de valle) de la forma de onda es más o menos constante. A mí me parece que el voltaje realmente no tiene nada que ver con la determinación de la velocidad de un motor sin escobillas.

Answer 1

El par de un motor eléctrico es directamente proporcional a la corriente del motor (¡no a la tensión!), y la corriente (I) es aproximadamente igual a

$$I=\dfrac{V-\varepsilon}{R}$$

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

KV y EMF posterior

El EMF posterior es el voltaje que estaría presente en los terminales del motor mientras éste gira sin que haya nada conectado a él. Esta tensión es producida por el motor que actúa como un alternador, por así decirlo, y es directamente proporcional a la velocidad de rotación. El valor nominal de KV no es más que otra forma de establecer la relación entre la velocidad de rotación y el EMF de retorno (KV ≈ RPM / ε). Limita la velocidad máxima del motor a cualquier tensión de la batería, porque a cierta velocidad dependiente del KV, la FEM de retorno "anulará" la tensión de la batería. Esto impide que fluya más corriente al motor y, por tanto, reduce el par a cero.

Cuando se enciende el motor por primera vez, la velocidad es cero. Esto significa que el EMF posterior también es cero, por lo que lo único que limita la corriente del motor es la resistencia del bobinado y la tensión de alimentación. Si el controlador del motor (ESC) diera toda la tensión de la batería al motor a bajas velocidades, el motor y/o el ESC se fundirían.

Tensión, frecuencia, acelerador y velocidad

En los esquemas de control de motores sin escobillas de bucle cerrado, la velocidad del motor (de la que es función la frecuencia de salida) no se controla directamente. En cambio, el acelerador controla la tensión de salida y el ESC ajusta continuamente la frecuencia de salida en respuesta al desfase entre el ángulo del rotor y la forma de onda del accionamiento. La fase de la FEM posterior indica a los ESC sin sensores directamente el ángulo de la corriente del rotor, mientras que los ESC con sensores utilizan sensores de efecto Hall para el mismo propósito.

Hacer las cosas al revés (ajustar la frecuencia directamente y controlar la tensión en respuesta al desplazamiento de fase medido) se convertiría en un fino acto de equilibrio:

• Si el voltaje es demasiado bajo, la corriente que circula es demasiado baja, lo que limita el par. Si el par disminuye pero la carga permanece constante, el motor debe reducir su velocidad, lo que provoca una pérdida inmediata de sincronización.

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

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

Los ESC utilizados en los helicópteros RC de paso colectivo suelen tener una función de "regulador", que mantiene una velocidad fija del motor proporcional al ajuste del acelerador. Incluso estos ESC no controlan realmente la frecuencia directamente, sino que implementan un controlador PID que ajusta la tensión en respuesta a la diferencia entre la frecuencia deseada y la real.

ESC "timing"

La configuración de la sincronización del motor de los ESC ajusta el punto de referencia de este cambio de fase mecánico-eléctrico: una sincronización alta significa que la salida del ESC se adelanta a la posición detectada del rotor en, por ejemplo, 25 grados, mientras que con una sincronización baja este cambio de fase se mantiene mucho más cerca de cero. Un ajuste de temporización alto produce más potencia de forma menos eficiente.

Par de apriete

Los ESC RC normales no pueden realizar un control de par constante o una limitación de par, ya que carecen de circuitos de detección de corriente como medida de ahorro de costes y peso. La salida de par no se controla de ninguna manera; el motor simplemente produce tanto par (y consume proporcionalmente tanta corriente) como la carga requiere a una velocidad determinada. Para evitar que los golpes de acelerador rápidos sobrecarguen el ESC, la batería y/o el motor (ya que la superación de la inercia produce un par potencialmente ilimitado), los ESC suelen tener límites de aceleración y de tensión a una frecuencia determinada.

Frenado

Si el motor se mantiene girando por medios externos mientras se reduce el voltaje, eventualmente el EMF posterior será mayor que el nivel que el ESC trata de manejar. Esto provoca negativo corriente y frena el motor. La electricidad así producida se disipa en las bobinas del motor o se devuelve a la fuente de alimentación/batería, dependiendo del PWM modo de decaimiento utilizado.

Answer 2

¿Por qué los motores sin escobillas tienen un índice de kv?

El "índice de kv" no tiene nada que ver con el par, la corriente, la potencia, el empuje, la sustentación o la resistencia.

• 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. Así que, en cierto sentido, los motores del mismo tamaño con valores de kv relativamente más altos están hechos para más velocidad y menos elevación.

Se basa en el número de imanes, el número de devanados del estator por rotación, el número de fases por polo y no indica la potencia.

Es puramente la velocidad de rotación la que genera el voltaje del EMF posterior para igualar el voltaje aplicado. Esta coincidencia sólo se produce en vacío y el arrastre reduce esta relación hasta un 10% con el aumento hacia la tensión nominal en función de las pérdidas inherentes. (por ejemplo, corrientes de Foucault, fricción, generalmente pequeñas en comparación con la potencia disponible). Cambiar el patrón del devanado del estator o cambiar el número de imanes cambiará la 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

    • total de imanes/2 = factor de rotación del campo

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

    • Así, con 14 imanes, el factor de rotación del campo = 7, por lo que la rotación del campo = 7609 ciclos/v

    • Para 2200 kv:

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

La potencia es una función de la corriente y la carga solamente se clasifica con una carga lineal o con la carga no lineal del puntal aerodinámico o con una carga lineal incremental en términos de gm/W o gm/A donde gm es el empuje de la hélice.

Miniatura de fondo sobre la teoría (sobre simplificada)

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

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

El 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 a un campo magnético B. Esta fuerza es lo que llamamos la Fuerza Electromagnética y es igualada por la FEM de fondo en vacío.

La velocidad angular por voltios es más compleja con el número de polos del estator y los polos del rotor dando una conversión ratiométrica y la conmutación de la corriente del motor se invierte automáticamente justo un número adecuado de segundos de arco después del campo magnético nulo para asegurar que no haya un punto muerto. ( fallo de diseño/proceso)

Por lo tanto, la velocidad de la carga magnética es proporcional a la intensidad de campo que se debe a la tensión y también se denomina intensidad de campo del EMF posterior

Answer 3

Un ESC genera corriente alterna trifásica. Y por lo que tengo entendido la frecuencia de la forma de onda de CA determina completamente la velocidad del motor, y la amplitud (tensión de pico menos la tensión de valle) de la forma de onda es más o menos constante. A mí me parece que la tensión realmente no tiene nada que ver con la determinación de la velocidad de un motor sin escobillas.

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

La velocidad del motor viene determinada por la tensión ("back-emf") que genera el motor al girar, no la frecuencia de conmutación (que tiene que seguir el ritmo de rotación del motor o no girará). Los motores BLDC tienen imanes permanentes, por lo que la contrafunción es directamente proporcional a las rpm. La contrafase es igual a la tensión aplicada menos la caída de tensión en la resistencia y la inductancia del devanado, y el motor se acelerará o ralentizará según la corriente necesaria para producir el par absorbido por la carga, exactamente igual que un motor de CC con escobillas.

El ESC controla la velocidad del motor variando la tensión que se le aplica. Normalmente esto se hace con PWM para que la tensión de pico sea siempre igual a la de la batería, pero el media La tensión (a la que responde el motor) varía en función de la relación PWM on/off. El ESC produce cualquier frecuencia de conmutación que el motor le exija, de forma similar a como el inducido de un motor con escobillas hace que el conmutador conmute a la frecuencia que exige.

Así que la tensión aplicada tiene todo que tiene que ver con la velocidad del motor. Por eso, estos motores tienen un índice de Kv: es un parámetro esencial para determinar las revoluciones que se pueden alcanzar con una tensión determinada. Dado que la potencia absorbida por una hélice es proporcional a la 3ª potencia de las rpm y a la 4ª potencia del diámetro de la hélice, el Kv es un parámetro fundamental a la hora de ajustar los componentes de un cuadricóptero.

El valor Kv especificado debe es el número de revoluciones teórico a 1V cuando el motor no consume corriente. Sin embargo, se suele calcular simplemente dividiendo las rpm medidas en vacío por la tensión aplicada, lo que da un valor ligeramente inferior (incorrecto). Y al igual que la velocidad de un motor con escobillas puede aumentarse adelantando las escobillas, un ESC sin escobillas puede aumentar los Kv efectivos de un motor BLDC adelantando el tiempo de conmutación. Si añadimos las tolerancias de fabricación y un mal control de calidad, no es habitual que un motor tenga un Kv real un 20% superior o inferior a su especificación.

Los motores diseñados para otros usos no suelen tener un índice de Kv porque no se considera tan importante. Sin embargo, se suele indicar el número de revoluciones en vacío a la tensión nominal, a partir del cual se puede deducir el Kv. También puede especificarse la constante de par del motor (Kt). Kv es la inversa de Kt.

Answer 4

La clasificación KV se refiere a la máximo RPM/voltios que se pueden alcanzar con el motor - así que un motor de 2300 KV a 1 V trabajaría a velocidades hasta 2300 RPM, independientemente de la frecuencia. Cuanto menor sea la tensión, menor será el par máximo que puede producir el motor. Si aumentas la frecuencia e intentas hacerlo funcionar a una velocidad mayor, el motor no tendrá suficiente par para superar la fricción a esa velocidad y se calará.

Answer 5

Para una máquina BLDC hay dos constantes clave

$K_t$ con unidades Nm/A

$K_e$ con unidades V/ $\omega$ (pico de tensión en la línea)

Para una máquina BLDC ideal $K_t \equiv K_e$ pero debido a las especificidades en cuanto a la definición de estas dos constantes ( $K_e$ siendo la tensión del terminal abierto & $K_t$ 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 cuadricópteros? $K_v$

Bueno $K_v$ es sólo el recíproco de $K_e$ ONCE convertido a rpm.

Dado que los cuadricópteros y los dispositivos RC de este tipo suelen estar limitados por la tensión de alimentación, esta constante de rpm te indicará la velocidad del rotor que se puede alcanzar (sin carga) para una batería determinada. Del mismo modo, puedes estimar el par que se puede producir debido a la relación entre estas constantes.