كيفية حساب Kv المحرك وأقطاب المحرك

بقلم لورين ناجل

مقدمة

إذا كنت تقوم ببناء طائرة بدون طيار أو مركبة تعمل بالتحكم عن بعد أو أي آلة تستخدم محركًا تيارًا مستمرًا بدون فرش (BLDC)، فمن المحتمل أن تكون قد صادفت مفاهيم Kv المحرك وأقطاب المحرك. كلا هذين المعيارين مفيدان لتوصيف محركك وتقدير أدائه.

في هذا المقال، نتناول معنى هذه المقاييس، وكيفية حسابها وقياسها، وأخيرًا كيفية ارتباطها ببعضها البعض.

جدول المحتويات:

1. كيفية حساب Kv المحرك التيار المباشر بدون فرش
1. ما هو Kv المحرك؟
2. ماذا يعني تصنيف Kv؟
3. كيفية قياس وحساب Kv (المعادلات)
4. كيفية قياس Kv المحرك
2. كيفية تحديد عدد الأقطاب في المحرك التيار المباشر بدون فرش
1. ما هي أقطاب المحرك؟
2. أقطاب المحرك مقابل أزواج الأقطاب
3. أقطاب المحرك والسرعة الكهربائية
4. كيفية حساب أقطاب المحرك (المعادلات)
5. كيفية قياس أقطاب المحرك
3. العلاقة بين أقطاب المحرك وKv

بعد إجراء الحسابات، سنستخدم جهاز اختبار قوة الدفع من سيريز 1585 لتأكيد نتائجنا.

الجزء 1: كيفية حساب Kv المحرك التيار المباشر بدون فرش

ما هو Kv المحرك للمحركات التيار المباشر بدون فرش؟

يوفر Kv المحرك طريقة لوصف العلاقة بين ذروة الجهد وسرعة الدوران في المحرك التيار المباشر بدون فرش في حالة عدم وجود حمل. وحدة Kv هي دورة في الدقيقة/فولت (RPM/V)، ويمكن تقديرها بقسمة سرعة دوران المحرك غير المحمل على الجهد المطبق.

في الحقيقة، الجهد الذي ينبغي أن نأخذه في الاعتبار هو القوة الدافعة الكهربائية العكسية (EMF) وليس الجهد المطبق.

في المحرك التيار المباشر بدون فرش، القوة الدافعة الكهربائية العكسية (EMF) هي جهد ينشأ في الاتجاه المعاكس للتيار الذي يوفره مصدر الطاقة، ويُحفَّز بواسطة حركة الملفات عبر المجال المغناطيسي في المحرك.

يمكن شرح ذلك بقانون فاراداي، الذي يوضح أن ملفًا يتحرك داخل مجال مغناطيسي يولد تدفقًا للإلكترونات داخل الملف، ويُسمى جهدًا أو قوة دافعة كهربائية عكسية.

عندما يدور المحرك، تكون القوة الدافعة الكهربائية العكسية المتولدة متناسبة مع سرعة الدوّار: فكلما زادت دورات الدقيقة، زادت القوة الدافعة الكهربائية العكسية أيضًا. عند تشغيل المحرك بأقصى طاقة دون حمل (مع تجاهل القصور الذاتي للمحرك نفسه)، يمكننا وصف العلاقة بهذه الصيغة:

ماذا يعني تصنيف Kv؟

يوفر تصنيف Kv تقديرًا لعدد الدورات التي سيقوم بها المحرك مقابل كل فولت يُطبق عليه. يمكن أن يكون هذا التصنيف مفيدًا لمقارنة المحركات التي تتساوى في الحجم المادي، ولكنها تختلف في خصائص الأداء بسبب طريقة عملها الداخلية.

كقاعدة عامة، كلما زاد عدد اللفات في الملفات، انخفض Kv المحرك. من الناحية الميكانيكية، تتميز محركات Kv المنخفضة بعدد أكبر من اللفات لأسلاك أرق، وتحمل الأسلاك الرقيقة جهدًا أعلى بتيار أقل.

تتميز محركات Kv العالية بعدد أقل من اللفات ولكن بأسلاك أكثر سمكًا يمكنها حمل تيار أعلى بجهد أقل. تقدم المعادلات في القسم التالي شرحًا رياضيًا لهذا المفهوم.

للمزيد من القراءة: تحليل طاقة وكفاءة محرك BLDC

عند تطبيقها على الطائرات بدون طيار، تميل محركات Kv المنخفضة إلى العمل بسرعات دوران أقل وتوليد عزم دوران أكبر، ما يجعلها مثالية للمراوح الأكبر والطائرات بدون طيار الضخمة. تعمل محركات Kv العالية بسرعات دوران أعلى، وهي مثالية للمراوح الصغيرة والسريعة ذات عزم الدوران المنخفض.

لذلك، تناسب محركات Kv العالية الطائرات بدون طيار الأخف وزنًا والأسرع حركة مثل طائرات السباق الرباعية، بينما تناسب محركات Kv المنخفضة الطائرات بدون طيار الأثقل والأبطأ حركة.

الشكل 1: تستخدم طائرة السباق EMAX Hawk Pro محركًا بقيمة 2400 Kv، بينما تستخدم طائرة الرفع الثقيل Gaia 190MP محركًا بقيمة 100 Kv

تطبيق عملي آخر هو محركات inrunner وoutrunner. عادةً ما يكون لمحرك inrunner قيمة Kv أعلى من محرك outrunner بنفس الحجم. يسمح القطر الأكبر للدوّار في محرك outrunner بوجود المزيد من المغناطيسات الدائمة.

مزيد من المغناطيسات (الأقطاب) ← سرعة أقل ← Kv أقل. كما يعني القطر الصغير لمحرك inrunner أن له محيطًا أصغر يجب تغطيته في الدورة الواحدة، وبالتالي عدد دورات أكثر لنفس الجهد.

من المهم ملاحظة أن Kv ليس طريقة قاطعة لتقييم أداء المحرك، إذ يمكن أن تؤثر العلامة التجارية للمحرك أيضًا على كفاءته. لنفس قيمة Kv، قد يؤدي محرك من علامة تجارية معينة أداءً أفضل أو أسوأ من محرك آخر، وهو ما لن يتضح إلا من خلال الاختبار.

كيفية حساب Kv المحرك

إذا عدنا إلى صيغتنا السابقة:

يمكننا إعادة ترتيبها لإظهار أن:

لتقدير Kv، يمكنك استبدال «القوة الدافعة الكهربائية العكسية» بجهد الإدخال في المعادلة، مما سيعطيك تقديرًا جيدًا لـ Kv المحرك.

لتقدير أكثر دقة، يمكنك قياس الجهد بين موصلين في الدائرة للحصول على جهد الجذر التربيعي المتوسط (RMS)، ثم ضربه في sqrt(2) أو 1.414 للحصول على ذروة الجهد، والذي يمكنك إدخاله في هذه المعادلة: 

0.95 هي قيمة تأخذ في الاعتبار الانحرافات عن النموذج النظري لتقديم قيمة أقرب إلى ما يتم ملاحظته تجريبيًا. ويُقبل هذا المعامل عادةً في حسابات Kv.

كيفية قياس Kv محرك BLDC

ربما يكون القياس التجريبي لـ Kv هو أفضل طريقة للحصول على فكرة دقيقة عن Kv الحقيقي لمحركك. لقد لاحظنا بانتظام اختلافات بين Kv المعلن وKv المقاس للمحركات التي اختبرناها، وهو ما من المحتمل أن تلاحظه أيضًا.

نوفر نصًا مكتوبًا مسبقًا في برنامج RCbenchmark يتيح لك قياس Kv تجريبيًا عن طريق تشغيل محركك في اختبار بدون حمل.

كل ما عليك فعله هو توصيل محركك بمنصة اختبار RCbenchmark، وإدخال عدد أقطاب المحرك في علامة التبويب الإعدادات، ثم تشغيل الاختبار (دون مروحة). سيقوم البرنامج بحساب Kv محركك تلقائيًا بمجرد انتهاء الاختبار.

حتى لو كان محركك يحمل تصنيف Kv، فقد يكون من المثير للاهتمام اختباره لمعرفة ما إذا كان Kv التجريبي يطابق ما هو معلن عنه.

الشكل 2: النص التلقائي الذي يحسب Kv باستخدام برنامج RCbenchmark

الجزء 2: كيفية تحديد عدد الأقطاب في المحرك التيار المباشر بدون فرش

ما هي أقطاب المحرك؟

داخل المحرك التيار المباشر بدون فرش، يوجد عدد من المغناطيسات التي تصطف على محيط الدوّار (الشكل 1). يُشار إلى هذه المغناطيسات أيضًا باسم «أقطاب» المحرك. عندما يتم توصيل تيار كهربائي إلى الملفات في الجزء الثابت، يبدأ الدوّار في الدوران لأن مغناطيساته تتنافر مع المغناطيسات الكهربائية المتماثلة.

في الرسم التوضيحي أدناه، يحتوي الدوّار الأزرق على المغناطيسات الدائمة في محرك inrunner (يسارًا) ومحرك outrunner (يمينًا). يحمل الجزء الثابت الأخضر الملفات الكهرومغناطيسية.

الشكل 3: مغناطيسات / أقطاب المحرك في محركات inrunner وoutrunner

أقطاب المحرك مقابل أزواج الأقطاب

لكل مغناطيس يحيط بالدوّار طرفان شمالي وجنوبي، ويواجه أحدهما فقط الجزء الثابت ويتفاعل معه. يوجد عدد متساوٍ من المغناطيسات الشمالية والجنوبية المواجهة للخارج من الدوّار، ويُشار إلى كل مجموعة من مغناطيسات N وS باسم «زوج أقطاب».

لكل زوج أقطاب في المحرك قطبان، فإذا كان المحرك يحتوي على 8 أقطاب / مغناطيسات، فهناك 4 أزواج أقطاب. لهذا السبب نفسه، سيكون لديك دائمًا عدد أقطاب زوجي (2، 4، 6، 8، إلخ)، لأن كل مغناطيس يحتاج إلى قطب معاكس.

مثال.

• محرك بقطبين ← مغناطيس شمالي واحد ومغناطيس جنوبي واحد ← زوج أقطاب واحد
• محرك بـ8 أقطاب ← 4 مغناطيسات شمالية و4 مغناطيسات جنوبية ← 4 أزواج أقطاب

العلاقة بين أقطاب المحرك والسرعة الكهربائية للمحرك

ترتبط سرعة المحرك عكسيًا بعدد الأقطاب في الدوّار. تُشرح العلاقة بالصيغة التالية:

حيث:

Ns = السرعة المتزامنة

f = تردد إمداد الطاقة ثلاثي الأطوار

و #p = عدد الأقطاب

بديلًا عن ذلك، يمكن كتابتها على النحو التالي:

حيث:

Ns = السرعة المتزامنة

f = تردد إمداد الطاقة ثلاثي الأطوار

و #pp = عدد أزواج الأقطاب

كيفية حساب أقطاب المحرك

بما أن عدد الأقطاب يساوي عدد المغناطيسات الدائمة في الدوّار، فإن أبسط طريقة لتحديد عدد الأقطاب هي عدّ المغناطيسات يدويًا.

هذا ممكن إذا كان بإمكانك الرؤية داخل محركك أو إذا كنت قادرًا على إزالة الغطاء الخارجي. إذا لم تتمكن من إزالة الغطاء، فقد تكون هذه مهمة صعبة لأن المغناطيسات يمكن أن تكون صغيرة جدًا وكثيرة.

للمزيد من القراءة: كيفية عمل محركات BLDC

الشكل 4: عدّ المغناطيسات / الأقطاب داخل محرك التيار المباشر بدون فرش

تم اقتراح إجراءات بسيطة أخرى، مثل تحريك مغناطيس حول دوّارك لمعرفة أين يحدث التجاذب والتنافر. هذه الطريقة هي الأكثر جدوى لمحركات outrunner حيث تكون المغناطيسات خارج الجزء الثابت بالقرب من السطح.

كن حذرًا إذا حاولت استخدام هذه التقنية لأن المغناطيسات داخل دوّارك يمكن أن تفقد مغناطيسيتها بتأثير مغناطيس أقوى.

خيار آخر يتطلب المزيد من الجهد والمعدات يتضمن العثور على سرعة المحرك وتردد إمداد الطاقة تجريبيًا، ثم إعادة ترتيب المعادلة أدناه لحل عدد أقطاب المحرك:

 

لقياس سرعة محركك، ستحتاج إلى قطعة من المعدات لتحريك محركك عكسيًا (مثقاب، على سبيل المثال)، بالإضافة إلى جهاز قياس سرعة الدوران لقياس عدد الدورات، مثل مقياس السرعة.

ستحتاج أيضًا إلى جهاز لقياس تردد القوة الدافعة الكهربائية العكسية المتولدة، مثل راسم الإشارة. قس السرعة والتردد في نفس الوقت، ثم أدخل القيم في المعادلة أعلاه لتحديد عدد الأقطاب في محركك.

قياس عدد أقطاب المحرك

ربما تكون أبسط طريقة لقياس عدد الأقطاب في محركك هي جعل منصة اختبار تحددها لك.

تأتي العديد من منصات الاختبار لدينا مع نصوص تلقائية مكتوبة مسبقًا لحساب عدد الأقطاب في محركك، بما في ذلك من سيريز 1585.

ببساطة أدخل تصنيف Kv لمحركك في النص، ثم قم بتشغيل الاختبار التلقائي مع تركيب محركك على منصة الاختبار (دون مروحة، لأن المحرك سيعمل بأقصى سرعة).

سيوفر لك البرنامج عدد الأقطاب لمحركك بمجرد انتهاء الاختبار، والذي يستغرق بضع دقائق فقط.

الشكل 5: النص التلقائي الذي يعدّ أقطاب المحرك باستخدام برنامج RCbenchmark

الجزء 3: العلاقة بين أقطاب المحرك وKv

كما هو موضح في الأقسام السابقة، يرتبط Kv المحرك وعدد الأقطاب بسرعت المحرك / دورات الدقيقة. نعلم أنه كلما زادت سرعة الدوران، زاد Kv أيضًا. بديلًا عن ذلك، يتوافق عدد أكبر من الأقطاب مع المحركات التي تعمل بسرعات دوران أقل.

العلاقة بين عدد أقطاب المحرك وKv هي علاقة عكسية. هذا منطقي عندما نفكر فيه عمليًا.

المحرك الأكبر مع عدد أكبر من الأقطاب سيتطلب عزم دوران عاليًا وسيعمل بسرعة تشغيل منخفضة. وبالتالي، سيكون المحرك المستخدم ذا عدد كبير من الأقطاب وKv منخفض.

المحرك الأصغر مع عدد أقل من الأقطاب سيعمل بسرعة دوران عالية وينتج عزم دوران منخفض نسبيًا. لذلك، سيكون للمحرك عدد أقطاب منخفض وKv مرتفع.

الخلاصة

المفاهيم التي تناولها هذا المقال، أقطاب المحرك التيار المباشر بدون فرش وKv المحرك، هما مفهومان أساسيان لفهم خصائص وأداء محركات BLDC. معرفة كيفية تفسير هذه الأرقام يمكن أن تساعدك في اختيار أفضل محرك لطائرتك بدون طيار أو طائرتك الكهربائية وتحسين أدائك وكفاءتك. ترتبط الكفاءة مباشرة بوقت الطيران والحمولة والمدى، لذا فإن هذه المعلومات قيمة جدًا.

إذا كنت ترغب في أن تكون قادرًا على قياس عدد الأقطاب في محركك وKv محركك تلقائيًا، نقترح الاطلاع على أدوات اختبار المحرك لدينا:

 

• من سيريز 1585 - يقيس ما يصل إلى 5 كجم من الدفع / 2 نيوتن متر من عزم الدوران
• منصة فلايت ستاند 15 - يقيس ما يصل إلى 15 كجمf من الدفع / 8 نيوتن متر من عزم الدوران
• منصة فلايت ستاند 50 - يقيس ما يصل إلى 50 كجمf من الدفع / 30 نيوتن متر من عزم الدوران
• منصة فلايت ستاند 150 - يقيس ما يصل إلى 150 كجمf من الدفع / 150 نيوتن متر من عزم الدوران
• منصة فلايت ستاند 500 - يقيس ما يصل إلى 500 كجمf من الدفع / 1500 نيوتن متر من عزم الدوران

إذا كانت لديك أي أسئلة حول محتوى هذا المقال، فلا تتردد في ترك تعليق لنا وسنحرص بالتأكيد على الرد.

مزيد من القراءة: كيفية اختبار محرك التيار المباشر بدون فرش باستخدام جهاز اختبار قوة الدفع