Von Lauren Nagel
Einleitung
Das Drehmoment ist eine wichtige Größe, wenn es um die Leistung eines Elektromotors geht. Es kann zur Berechnung der mechanischen Leistung und zur Ermittlung der elektrischen Leistung verwendet werden. Bei Drohnen und elektrischen Flugzeugen ermöglicht Ihnen die Kenntnis des Drehmoments außerdem, den Wirkungsgrad des Motors separat vom Wirkungsgrad des restlichen Systems zu berechnen.
In diesem Artikel werden wir:
- Die Formel für das Drehmoment eines Elektromotors verwenden, um das Drehmoment eines bürstenlosen Motors zu berechnen
- Unsere Berechnung mit dem Schubprüfstand Series 1585 experimentell überprüfen
Wie kann man also das Drehmoment eines Elektromotors berechnen?
Angenommen, wir möchten das Drehmoment unseres Motors, des Xoar 2407, wissen. Folgende Angaben haben wir:
- Gewicht: 36 g
- Kv: 2300 Kv
- Statorabmessungen: 24 x 7 x 0,15 mm
- Konfiguration: 12N14P
Keines dieser Angaben ist unmittelbar für die Berechnung des Drehmoments hilfreich, daher werfen wir einen Blick auf einige Hintergrundinformationen.
Das Drehmoment eines Motors hängt mit mehreren Größen zusammen, die wichtigste für die Berechnung des Drehmoments ist jedoch der Strom.
Formel für das Drehmoment eines Elektromotors:
„Kt“ ist der Drehmomentkoeffizient des Motors, dessen Einheit N·m/A (Newtonmeter pro Ampere) ist. Kt ist das Verhältnis von Drehmoment zu Strom, eine Beziehung, die nicht perfekt linear ist.
Dieser Koeffizient allein ist für uns nicht besonders nützlich, aber wir können davon ausgehen, dass Kt = 1/Kv gilt, und Kv ist ein Wert, den wir haben.
Angenommen, wir möchten 20 A Strom zu unserem Motor liefern. Wir können diesen Wert und den Kv-Wert unseres Motors verwenden, um das theoretische Drehmoment zu berechnen.
Der Kv-Wert eines Motors wird im Allgemeinen in U/min/V angegeben, aber damit er in unserer Formel funktioniert, benötigen wir ihn in SI-Einheiten, was in diesem Fall (Radien/Sekunde)/Volt ist. Um die Umrechnung vorzunehmen, teilen wir 2300 durch 60 s und multiplizieren es mit 2π.
Für eine genauere Erklärung des Kv-Werts eines Motors sehen Sie sich unseren Artikel an: Berechnung des Kv-Werts eines Motors
Nun können wir unseren SI-Kv-Wert in unsere Formel für das Motordrehmoment einsetzen:
Dieser Wert erscheint plausibel, aber die durch den ESC und den Motor verursachte Nichtlinearität kann dazu führen, dass theoretische Ergebnisse nicht unbedingt die Realität widerspiegeln. Wir erwarten im Allgemeinen eine Abweichung von 10 - 50 % zwischen dem theoretischen Wert und dem gemessenen Wert.
Beachten Sie, dass diese Gleichung auf der Annahme beruht, dass die Beziehung zwischen Drehmoment und Strom linear ist, was nicht der Fall ist, daher wird das berechnete Drehmoment nicht perfekt genau sein.
Verbinden wir den Motor mit unserem Prüfstand und sehen, wie nah wir unserem theoretischen Wert kommen.
Wir haben den Prüfstand verwendet, um einen einfachen Stufentest durchzuführen und eine Messung vorzunehmen, als das System 20 A erreicht hatte. Die Ergebnisse dieses Tests sind unten aufgeführt.
Abbildung 3: Ergebnisse von Drehmoment im Verhältnis zum Strom
Bei 20 A haben wir mit dem Series 1585 ein Drehmoment von 0,133 Nm gemessen, was eine Abweichung von 46 % von dem ist, was wir berechnet haben.
Wie Sie sehen können, ist die Beziehung zwischen Strom und Drehmoment entgegen der Aussage der Formel nicht linear. Dies ist auf Verluste durch den ESC und den Motor zurückzuführen.
Diese Daten zeigen, dass Drehmomentberechnungen uns nur eine Schätzung des tatsächlich von einem Motor erzeugten Drehmoments liefern können. Um genaue Drehmomentdaten zu erhalten, benötigen Sie ein Werkzeug, um es zu messen.
Was verursacht den Verlust an Drehmoment?
Die theoretischen Berechnungen berücksichtigen keine realen Verluste wie Wicklungswiderstand und Reibung im Motor.
In Elektromotoren sind die Kupfermähringer keine perfekten Leiter, ein Teil des durch die Drähte fließenden Stroms geht als Wärme verloren, anstatt als Drehmoment vom Motor genutzt zu werden. Mechanische Faktoren wie Reibung in den Lagern, im Rotor und der Luftwiderstand gegen den rotierenden Rotor führen ebenfalls dazu, dass Leistung verloren geht, anstatt in Drehmoment umgewandelt zu werden.
Diese elektrischen und mechanischen Faktoren zusammen erklären, warum Ihre gemessenen Daten wahrscheinlich niedriger ausfallen werden als Ihre ursprünglichen theoretischen Berechnungen.
Wir sind uns dieses Dilemmas schon seit geraumer Zeit bewusst, weshalb wir unsere Motorprüfstände entwickelt haben, um es den Benutzern zu ermöglichen, hochpräzise Motordaten zu sammeln. Diese Daten ermöglichen eine ordnungsgemäße Charakterisierung von Motor- und Propellerkombinationen. Sie geben den Benutzern die Ergebnisse, die sie benötigen, um auf Basis realer Messungen selbstbewusste Entscheidungen zu treffen, anstatt sich allein auf theoretische Berechnungen zu verlassen.
- Series 1585 - misst bis zu 5 kgf Schub / 2 Nm Drehmoment
- Flight Stand 15 - misst bis zu 15 kgf Schub / 8 Nm Drehmoment
- Flight Stand 50 - misst bis zu 50 kgf Schub / 30 Nm Drehmoment
- Flight Stand 150 - misst bis zu 150 kgf Schub / 150 Nm Drehmoment
- Flight Stand 500 - misst bis zu 500 kgf Schub / 1500 Nm Drehmoment
Weiterführende Literatur: Leistungs- und Wirkungsanalyse bürstenloser Motoren
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