Pourquoi les moteurs sans balais ont-ils un indice kv?

Je me demande pourquoi les moteurs sans balais, tels que ceux utilisés pour les quadrirotors, ont une cote de kv, ce qui signifie soi-disant RPM par tension aux bornes du moteur. Ainsi, un moteur de 2300 kv tourne à 2300 tr / min si "1 volt est appliqué".

La partie entre parenthèses n'a pas de sens pour moi. Un ESC génère un courant alternatif triphasé. Et d'après ce que je comprends, la fréquence de la forme d'onde CA détermine complètement la vitesse du moteur, et l'amplitude (tension de crête moins tension minimale) de la forme d'onde est plus ou moins constante. Pour moi, cela semble que la tension n'a vraiment rien à voir avec la détermination de la vitesse d'un moteur sans balais.

Le couple de sortie d'un moteur électrique est directement proportionnel au courant du moteur (pas à la tension!), Et le courant (I) est à peu près égal à

Où V est la tension d'alimentation du moteur, R est la résistance d'enroulement et ε est la force contre-électromotrice (EMF arrière).

KV et arrière EMF

L'EMF arrière est la tension qui serait présente aux bornes du moteur lorsque le moteur tourne sans que rien ne lui soit connecté. Cette tension est produite par le moteur agissant comme un alternateur, si vous voulez, et elle est directement proportionnelle à la vitesse de rotation. La cote KV n'est rien d'autre qu'une autre façon de définir la relation entre la vitesse de rotation et la FEM arrière (KV ≈ RPM / ε). Il limite la vitesse maximale du moteur à une tension de batterie donnée, car à une certaine vitesse dépendante du KV, le back-EMF "annule" la tension de la batterie. Cela empêche plus de courant de circuler vers le moteur et réduit ainsi le couple à zéro.

Lorsque vous allumez votre moteur pour la première fois, la vitesse est nulle. Cela signifie que l'EMF arrière est également nul, donc les seules choses qui limitent le courant du moteur sont la résistance d'enroulement et la tension d'alimentation. Si le contrôleur de moteur (ESC) devait fournir la pleine tension de la batterie au moteur à basse vitesse, le moteur et / ou l'ESC fondraient simplement.

Tension, fréquence, accélération et vitesse

Dans les schémas de commande de moteur sans balais en boucle fermée, la vitesse du moteur (dont la fréquence de sortie est fonction) n'est pas directement contrôlée. L'accélérateur contrôle à la place la tension de sortie et l'ESC ajuste en continu la fréquence de sortie en réponse au décalage de phase entre l'angle du rotor et la forme d'onde d'entraînement. La phase de l'EMF arrière indique directement aux ESC sans capteur l'angle actuel du rotor, tandis que les ESC détectés utilisent des capteurs à effet Hall dans le même but.

Faire les choses dans l'autre sens (régler directement la fréquence et contrôler la tension en réponse au déphasage mesuré) deviendrait un acte d'équilibrage fin:

• Un réglage trop bas de la tension laisserait passer trop peu de courant, limitant le couple. Si le couple diminue mais que la charge reste constante, le moteur doit ralentir, entraînant une perte immédiate de synchronisation.

• Une tension trop élevée ferait circuler un courant excessif, gaspillant de l'énergie et chauffant le moteur et l'ESC inutilement.

Ainsi, le point d'efficacité optimal est instable avec une commande "fréquence d'abord". Une boucle de contrôle pourrait la maintenir proche, mais si l'ESC ne peut pas réagir assez rapidement à une charge, une perte transitoire de synchronisation se produira. Ce n'est pas vrai pour la commande "voltage first", où un transitoire de charge provoquera juste une réduction momentanée de la vitesse sans aucun effet néfaste.

Les ESC utilisés dans les hélicoptères RC à pas collectif ont souvent une fonction de "gouverneur", qui maintient une vitesse de moteur fixe proportionnelle au réglage de l'accélérateur. Même ces contrôleurs ne contrôlent pas directement la fréquence, mais implémentent un contrôleur PID qui règle la tension en réponse à la différence entre la fréquence souhaitée et la fréquence réelle.

ESC "timing"

Le réglage de synchronisation du moteur des ESC ajuste le point de consigne de ce déphasage mécano-électrique: une synchronisation élevée signifie que la sortie de l'ESC entraîne la position du rotor détectée, par exemple de 25 degrés, tandis qu'avec une synchronisation faible, ce décalage de phase est maintenu beaucoup plus proche de zéro. Un réglage de synchronisation élevé produit plus de puissance moins efficacement.

Couple

Les contrôleurs RC normaux ne peuvent pas faire de contrôle de couple constant ou de limitation de couple, car ils manquent de circuits de détection de courant comme mesure d'économie de coût et de poids. La sortie de couple n'est en aucun cas contrôlée; le moteur produit juste autant de couple (et consomme proportionnellement autant de courant) que la charge l'exige à une vitesse donnée. Afin d'empêcher les coups de poing rapides de l'accélérateur de surcharger l'ESC, la batterie et / ou le moteur (car surmonter l'inertie produit un couple potentiellement illimité), les ESC ont généralement des limites à l'accélération et à la tension à une fréquence donnée.

Freinage

Si le moteur continue de tourner par des moyens externes alors que la tension est réduite, le champ électromagnétique arrière deviendra éventuellement plus grand que le niveau que l'ESC essaie de conduire. Cela provoque un courant négatif et freine le moteur. L'électricité ainsi produite est soit dissipée dans les bobines du moteur, soit réinjectée dans l'alimentation / la batterie, selon le mode de décroissance PWM utilisé.

Un ESC génère un courant alternatif triphasé. Et d'après ce que je comprends, la fréquence de la forme d'onde CA détermine complètement la vitesse du moteur, et l'amplitude (tension de crête moins tension minimale) de la forme d'onde est plus ou moins constante. Pour moi, cela semble que la tension n'a vraiment rien à voir avec la détermination de la vitesse d'un moteur sans balais.

Désolé, mais c'est tout faux. Les moteurs utilisés dans les quadricoptères sont des moteurs CC sans balais (BLDC), qui sont équivalents à un moteur CC à balais mais avec commutation électronique.

La vitesse du moteur est déterminée par la tension (`` back-emf '') générée par le moteur pendant qu'il tourne, et non par la fréquence de commutation (qui doit suivre en phase de verrouillage la rotation du moteur ou il ne tournera pas). Les moteurs BLDC ont des aimants permanents, donc le back-emf est directement proportionnel au régime. Le back-emf est égal à la tension appliquée moins la chute de tension à travers la résistance et l'inductance de l'enroulement, et le moteur accélérera ou ralentira lorsqu'il tirera le courant nécessaire pour produire le couple absorbé par la charge - exactement comme un moteur à courant continu brossé.

L'ESC contrôle la vitesse du moteur en variant la tension qui lui est appliquée. Habituellement, cela se fait avec PWM de sorte que la tension de crête est toujours égale à la tension de la batterie, mais la tension moyenne (à laquelle le moteur répond) varie en fonction du rapport marche / arrêt PWM. L'ESC produit la fréquence de commutation requise par le moteur, de la même manière que l'armature d'un moteur à balais fait commuter le commutateur à la fréquence qu'il demande.

La tension appliquée a donc tout à voir avec la vitesse du moteur. C'est pourquoi ces moteurs ont une valeur nominale de Kv - c'est un paramètre essentiel pour déterminer quel régime peut être atteint avec une tension particulière. Étant donné que la puissance absorbée par une hélice est proportionnelle à la 3e puissance du régime et à la 4e puissance du diamètre de l'hélice, Kv est un paramètre critique lors de l'appariement des composants d'un quadcopter.

La valeur Kv spécifiée doit être le régime théorique à 1 V lorsque le moteur ne consomme aucun courant. Cependant, il est généralement calculé en divisant simplement le régime à vide mesuré par la tension appliquée, ce qui donne une valeur légèrement inférieure (incorrecte). Et tout comme la vitesse d'un moteur à balais peut être augmentée en avançant les balais, un ESC sans balais peut augmenter le Kv effectif d'un moteur BLDC en avançant la synchronisation de commutation. Ajoutez des tolérances de fabrication et un mauvais contrôle de la qualité, et il n'est pas habituel qu'un moteur ait un Kv réel de 20% supérieur ou inférieur à ses spécifications.

Les moteurs conçus pour d'autres usages n'ont souvent pas de cote Kv car il n'est pas considéré comme si important. Cependant, le régime à vide à la tension nominale est généralement fourni, dont Kv peut être dérivé. La constante de couple du moteur (Kt) peut également être spécifiée. Kv est l'inverse de Kt.

Pourquoi les moteurs sans balais ont-ils un indice kv?

"kv Rating" n'a rien à voir avec le couple, le courant, la puissance, la poussée, la portance ou la traînée attendus

• La seule exception est que le couple relatif peut changer avec le nombre d'aimants et le nombre d'enroulements de stator par tour. Ainsi, comme les engrenages, ce rapport peut être modifié. Donc, dans un sens, des moteurs de même taille avec des valeurs kv relativement plus élevées sont conçus pour plus de vitesse et moins de portance.

Il est basé sur le nombre d'aimants, le nombre d'enroulements de stator par rotation, le nombre de phases par pôle et n'a aucune indication de puissance.

C'est uniquement la vitesse de rotation qui génère la tension EMF arrière pour correspondre à la tension appliquée. Cette correspondance ne se produit qu'à vide et la traînée réduit ce rapport jusqu'à 10% avec une augmentation vers la tension nominale en fonction des pertes inhérentes. (par exemple, courant de Foucault, frottement, généralement faible par rapport à la puissance disponible. Changer le modèle de bobinage du stator ou changer le nombre d'aimants changera le nombre de RPM par volt pour le même matériau utilisé comme le rapport d'engrenage sur un vélo.

• • Exemples de calculs avec divers aimants, déterminer la rotation du champ

    • aimants totaux / 2 = facteur de rotation du champ

    • Facteur de rotation du champ * kV = cycle magnétique / V

    • Donc avec 14 aimants, facteur de rotation de champ = 7, donc rotation de champ = 7609 cycles / v

    • Pour 2200 kv:

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

La puissance est fonction du courant et seule la charge est évaluée avec une charge linéaire ou la charge non linéaire de l'hélice aérodynamique. ou une charge linéaire incrémentielle en termes de gm / W ou gm / A où gm est la poussée de l'hélice.

Vignette de fond sur la théorie (trop simplifiée)

• Elle est basée sur les lois de la physique définies par Maxwell et plus en profondeur par Heaviside, et Lorenz qui a prouvé que cette Force en charge q est un produit de la somme du champ E et de la vitesse du champ B.

Donc, les équations vectorielles le disent. F = q (E + vxB)

La force de Lorenz , F agissant sur une particule de charge électrique q avec une vitesse instantanée v, due à un champ électrique externe E et un champ magnétique B.Cette force est ce que nous appelons la force électromagnétique et est assortie par l'EMF arrière sans charge.

La vitesse angulaire par volt est plus complexe avec le nombre de pôles de stator et de pôles de rotor donnant une conversion ratiométrique et la commutation du courant du moteur est automatiquement inversée juste un nombre adéquat de secondes d'arc après le champ magnétique nul pour assurer aucun arrêt mort . (échec de la conception / du processus)

Ainsi, la vitesse de charge magnétique est proportionnelle à l'intensité du champ qui est due à la tension et est également appelée intensité du champ EMF arrière

La cote KV fait référence au régime / volt maximum pouvant être atteint avec le moteur - donc un moteur de 2300 KV à 1 V fonctionnerait à des vitesses allant jusqu'à 2300 tr / min, quelle que soit la fréquence. Plus la tension est basse, plus le couple maximal que le moteur peut produire est faible. Si vous deviez augmenter la fréquence et tenter de la faire fonctionner à une vitesse plus élevée, le moteur n'aurait pas assez de couple pour surmonter le frottement à cette vitesse et caler.

Pour une machine BLDC, il existe deux constantes clés

$K_t$ avec unités Nm / A

$K_e$ avec unités V /$\omega$ (tension crête ligne-ligne)

Pour une machine BLDC idéale $K_t \equiv K_e$ mais en raison de spécificités quant à l'emplacement de ces deux constantes ($K_e$ étant une tension aux bornes ouvertes et $K_t$ étant la production de couple au courant nominal) $K_t$ tend à être plus faible en raison de la saturation du stator

Qu'est-ce que cela a à voir avec les moteurs BLDC pour quadrirotors et $K_v$

bien $K_v$ est juste l'inverse de $K_e$ UNE FOIS converti en tr / min.

Étant donné que les quadrotors et ces appareils RC sont généralement limités en tension d'alimentation, cette constante de régime vous indiquera la vitesse du rotor qui peut être atteinte (déchargée) pour une batterie donnée. De même, vous pouvez estimer le couple qui peut être produit en raison de la relation entre ces constantes.

Le rôle d'un ESC est de maintenir le flux statorique à 90 degrés par rapport au flux rotorique. Cela se fait avec l'utilisation d'un capteur de position, comme un élément Hall ou en utilisant la détection EMF arrière - contrôle sans capteur.
De plus, l'ESC peut produire une sortie triphasée sinusoïdale, appelée FOC (Field Oriented Control) ou tension carrée, où seules deux bobines sont connectées en même temps, la troisième reste flottante.
Ce n'est pas le cas, ce rotor suit le champ du stator, plutôt le contraire - c'est le stator déposé qui suit la position du rotor. Avec FOC, l'amplidute de la tension vectorielle du stator est constante et en rotation par rapport à la position du rotor. La tension doit être supérieure à la tension générée par EMF arrière afin de faire tourner le moteur. C'est là que le facteur Kv joue un rôle.

Je ne sais pas pourquoi cela est mal cité dans ce contexte.

Ce devrait être V / krpm. ou volts / 1000 tours / minute. Je pourrais éventuellement comprendre V / k main courte mais kv est kilo volts.
Peut-être que les volts entre les jambes sur le moteur ou une jambe et le neutre peuvent être ambigus, mais la convention est entre 2 jambes des fils du moteur. Je suppose que c'est parce que c'est plus facile s'il n'y a pas de fil neutre.