Von Lauren Nagel
Einleitung
Wenn Sie eine Drohne, ein RC-Fahrzeug oder eine andere Maschine bauen, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) verwendet, sind Ihnen wahrscheinlich die Konzepte der Motor-Kv-Zahl und der Motorpole begegnet. Beide Parameter sind nützlich, um Ihren Motor zu charakterisieren und seine Leistung abzuschätzen.
In diesem Artikel behandeln wir, was diese Kennzahlen bedeuten, wie man sie berechnet und misst und schließlich, wie sie zusammenhängen.
Inhaltsverzeichnis:
- Wie man die Kv-Zahl eines bürstenlosen Motors berechnet
- Was ist die Motor-Kv-Zahl?
- Was bedeutet die Kv-Angabe?
- Wie man die Kv-Zahl berechnet und misst (Formeln)
- Wie man die Motor-Kv-Zahl misst
- Wie man die Anzahl der Pole in einem bürstenlosen Motor ermittelt
- Was sind Motorpole?
- Motorpole vs. Polpaare
- Motorpole und elektrische Drehzahl
- Wie man die Anzahl der Motorpole berechnet (Formeln)
- Wie man die Anzahl der Motorpole misst
- Der Zusammenhang zwischen Motorpolen und der Kv-Zahl
Nachdem wir die Berechnungen durchgeführt haben, verwenden wir den Schubprüfstand der Series 1585, um unsere Ergebnisse zu bestätigen.
Teil 1: Wie man die Kv-Zahl eines bürstenlosen Motors berechnet
Was ist die Motor-Kv-Zahl bei bürstenlosen Motoren?
Die Motor-Kv-Zahl bietet eine Möglichkeit, den Zusammenhang zwischen der Spitzenleistung und der Drehzahl eines bürstenlosen Motors im Leerlauf zu beschreiben. Die Einheit für Kv ist U/min/V und sie kann geschätzt werden, indem man die Drehzahl des unbelasteten Motors durch die angelegte Spannung teilt.
In Wirklichkeit ist die Spannung, die wir berücksichtigen sollten, die Gegen-elektromotorische Kraft (EMK) und nicht die angelegte Spannung.
In einem bürstenlosen Motor ist die Gegen-elektromotorische Kraft (EMK) eine Spannung, die in die entgegengesetzte Richtung des von der Stromquelle bereitgestellten Stroms auftritt und durch die Bewegung der Spulen durch das Magnetfeld im Motor induziert wird.
Dies lässt sich durch Faradaysches Gesetz erklären, das zeigt, dass eine sich im Magnetfeld bewegende Spule einen Elektronenfluss in der Spule erzeugt, der als Spannung oder EMK bezeichnet wird.
Wenn sich der Motor dreht, ist die erzeugte Gegen-EMK proportional zur Drehzahl des Rotors: Je höher die U/min, desto höher die Gegen-EMK. Bei Vollgas ohne Last (unter Vernachlässigung des eigenen Trägheitsmoments des Motors) können wir den Zusammenhang mit dieser Formel beschreiben:
Was bedeutet die Kv-Angabe?
Die Kv-Angabe liefert eine Schätzung darüber, wie viele Umdrehungen ein Motor für jeden angelegten Volt ausführt. Diese Angabe kann hilfreich sein, um Motoren zu vergleichen, die physisch die gleiche Größe haben, aber aufgrund ihrer inneren Funktionsweise unterschiedliche Leistungsmerkmale aufweisen.
Als allgemeine Regel gilt: Je mehr Windungen die Spulen haben, desto geringer ist die Kv-Zahl des Motors. Mechanisch gesehen haben Motoren mit niedriger Kv-Zahl eine höhere Anzahl an Windungen aus dünnerem Draht, und der dünne Draht leitet bei geringerem Strom mehr Volt.
Motoren mit hoher Kv-Zahl haben weniger Windungen, aber einen dickeren Draht, der bei weniger Volt einen höheren Strom leiten kann. Die Formeln im nächsten Abschnitt liefern eine mathematische Veranschaulichung dieses Konzepts.
Weiterführende Literatur: Leistungs- und Effizienzanalyse von BLDC-Motoren
Bei Drohnen neigen Motoren mit niedriger Kv-Zahl dazu, mit niedrigeren U/min zu arbeiten und mehr Drehmoment zu erzeugen, ideal für größere Propeller und große Drohnen. Motoren mit hoher Kv-Zahl arbeiten mit höheren U/min und sind ideal für geringes Drehmoment, kleine und schnell drehende Propeller.
Daher eignen sich Motoren mit hoher Kv-Zahl am besten für leichtere, schnell fliegende Drohnen wie Racing-Quads, und Motoren mit niedriger Kv-Zahl eignen sich besser für schwerere, langsamere Drohnen.
Abbildung 1: Die EMAX Hawk Pro Racing-Drohne verwendet einen Motor mit 2400 Kv, während die Foxtech Gaia 190MP Heavy-Lift-Drohne einen Motor mit 100 Kv verwendet
Eine weitere praktische Anwendung betrifft Inrunner- und Outrunner-Motoren. Ein Inrunner hat typischerweise einen höheren Kv-Wert als ein Outrunner gleicher Größe. Der größere Durchmesser des Rotors beim Outrunner ermöglicht mehr Permanentmagnete.
Mehr Magnete (Pole) → geringere Drehzahl → niedrigere Kv-Zahl. Der kleine Durchmesser des Inrunners bedeutet auch, dass er einen kleineren Umfang für eine Umdrehung zurücklegen muss, und somit mehr Umdrehungen bei gleicher Spannung ausführt.
Es ist wichtig zu beachten, dass Kv keine endgültige Methode zur Bewertung der Leistung eines Motors ist, da die Motorhersteller auch die Effizienz beeinflussen kann. Bei gleichem Kv-Wert kann ein Motor einer Marke besser oder schlechter abschneiden als ein anderer, was sich nur durch Tests zeigen wird.
Wie man die Motor-Kv-Zahl berechnet
Wenn wir zu unserer früheren Formel zurückkehren:
Wir können sie umstellen, um zu zeigen:
Um Kv zu approximieren, können Sie in der Formel „Gegen-EMK“ durch die Eingangsspannung ersetzen, was Ihnen eine ziemlich gute Schätzung der Motor-Kv-Zahl liefert.
Für eine genauere Schätzung können Sie die Spannung zwischen zwei Leitungen im Stromkreis messen, um Ihre Effektivspannung (RMS) zu erhalten, und diese dann mit sqrt(2) oder 1,414 multiplizieren, um die Spitzenleistung zu erhalten, die Sie in diese Formel einsetzen können:
0,95 ist ein Wert, der Abweichungen vom theoretischen Modell berücksichtigt, um einen Wert zu liefern, der dem experimentell beobachteten näherkommt. Dieser Faktor wird für Kv-Berechnungen allgemein akzeptiert.
Wie man die BLDC-Kv-Zahl misst
Die experimentelle Messung der Kv-Zahl ist vielleicht der beste Weg, um eine genaue Vorstellung von der tatsächlichen Kv-Zahl Ihres Motors zu bekommen. Wir haben regelmäßig Unterschiede zwischen der angegebenen und gemessenen Kv-Zahl der von uns getesteten Motoren festgestellt, die Sie wahrscheinlich ebenfalls beobachten werden.
Wir stellen in unserer RCbenchmark-Software ein vorab geschriebenes Skript bereit, mit dem Sie die Kv-Zahl experimentell messen können, indem Sie Ihren Motor einem Leerlauf-Test unterziehen.
Alles, was Sie tun müssen, ist, Ihren Motor an einen RCbenchmark-Schubprüfstand anzuschließen, die Anzahl der Motorpole im Setup-Tab einzugeben und dann den Test auszuführen (ohne Propeller). Die Software berechnet die Kv-Zahl Ihres Motors automatisch, sobald der Test abgeschlossen ist.
Auch wenn Ihr Motor mit einer Kv-Angabe versehen ist, kann es interessant sein, ihn zu testen, um zu sehen, ob die experimentelle Kv-Zahl mit der angegebenen übereinstimmt.
Abbildung 2: Das automatische Skript, das Kv mit der RCbenchmark-Software berechnet
Teil 2: Wie man die Anzahl der Pole in einem bürstenlosen Motor ermittelt
Was sind Motorpole?
In einem bürstenlosen Motor befinden sich eine Reihe von Magneten entlang des Umfangs des Rotors (Abbildung 1). Diese Magnete werden auch als „Pole“ des Motors bezeichnet. Wenn ein elektrischer Strom zu den Spulen im Stator geleitet wird, beginnt der Rotor sich zu drehen, da seine Magnete die gleichartigen Elektromagnete abstoßen.
In der untenstehenden Abbildung enthält der blaue Rotor die Permanentmagnete in einem Inrunner-Motor (links) und einem Outrunner-Motor (rechts). Der grüne Stator hält die elektromagnetischen Spulen.
Abbildung 3: Motormagnete / Pole in Inrunner- und Outrunner-Motoren
Motorpole vs. Polpaare
Die Magnete entlang des Rotors haben jeweils einen eigenen Nord- und Südpol, wobei nur einer dieser Pole dem Stator zugewandt ist und mit ihm interagiert. Es gibt eine gleiche Anzahl an Nord- und Südmagneten, die vom Rotor nach außen zeigen, und jedes Set aus N- und S-Magneten wird als „Polpaar“ bezeichnet.
Für jedes Polpaar im Motor gibt es zwei Pole, daher hat ein Motor mit 8 Polen / Magneten 4 Polpaare. Aus demselben Grund haben Sie fast immer eine gerade Polzahl (2, 4, 6, 8 usw.), da jeder Magnet einen entgegengesetzten Pol benötigt.
Beispiel.
- 2-Pol-Motor → 1 Nordmagnet und 1 Südmagnet → 1 Polpaar
- 8-Pol-Motor → 4 Nordmagnete und 4 Südmagnete → 4 Polpaare
Zusammenhang zwischen Motorpolen und elektrischer Motor-Drehzahl
Die Geschwindigkeit des Motors steht in einem umgekehrten Verhältnis zur Anzahl der Pole im Rotor. Der Zusammenhang wird durch die folgende Formel erklärt:
Wobei:
Ns = synchrone Geschwindigkeit
f = Frequenz der dreiphasigen Stromversorgung
Und #p = die Anzahl der Pole
Alternativ kann es so geschrieben werden:
Wobei:
Ns = synchrone Geschwindigkeit
f = Frequenz der dreiphasigen Stromversorgung
Und #pp = die Anzahl der Polpaare
Wie man die Anzahl der Motorpole berechnet
Da die Anzahl der Pole der Anzahl der Permanentmagnete im Rotor entspricht, ist der einfachste Weg, die Anzahl der Pole zu bestimmen, sie manuell zu zählen.
Dies ist möglich, wenn Sie in Ihren Motor hineinsehen können oder wenn Sie die äußere Hülle entfernen können. Wenn Sie die Hülle nicht entfernen können, kann dies eine anspruchsvolle Aufgabe sein, da die Magnete ziemlich klein und zahlreich sein können.
Weiterführende Literatur: Wie BLDC-Motoren funktionieren
Abbildung 4: Zählen der Magnete / Pole in einem bürstenlosen Motor
Andere einfache Verfahren wurden vorgeschlagen, wie das Schwenken eines Magneten um Ihren Rotor, um zu sehen, wo Anziehung und Abstoßung auftreten. Diese Methode ist am praktikabelsten für Outrunner-Motoren, bei denen sich die Magnete außerhalb des Stators in der Nähe der Oberfläche befinden.
Seien Sie vorsichtig, wenn Sie diese Technik anwenden, da die Magnete in Ihrem Rotor durch den Einfluss eines stärkeren Magneten demagnetisiert werden können.
Eine weitere Option, die etwas mehr Aufwand und Ausrüstung erfordert, beinhaltet die experimentelle Ermittlung der Motordrehzahl und der Stromversorgungsfrequenz, und anschließend die Umstellung der untenstehenden Formel, um die Anzahl der Motorpole zu berechnen:
Um Ihre Motordrehzahl zu messen, benötigen Sie ein Gerät, um Ihren Motor anzutreiben (zum Beispiel eine Bohrmaschine), sowie ein Gerät zur Messung der Drehzahl, wie ein Drehzahlmesser.
Sie benötigen auch ein Gerät zur Messung der Frequenz der erzeugten Gegen-EMK, wie ein Oszilloskop. Messen Sie die Geschwindigkeit und Frequenz gleichzeitig und geben Sie dann die Werte in die obige Formel ein, um die Anzahl der Pole in Ihrem Motor zu bestimmen.
Die Anzahl der Motorpole messen
Vielleicht ist der einfachste Weg, die Anzahl der Pole in Ihrem Motor zu messen, einen Schubprüfstand zu verwenden, der dies für Sie ermittelt.
Mehrere unserer Schubprüfstände werden mit automatischen, vorab geschriebenen Skripten zur Berechnung der Anzahl der Pole in Ihrem Motor geliefert, einschließlich der Series 1585.
Geben Sie einfach die Kv-Angabe Ihres Motors in das Skript ein und führen Sie dann den automatischen Test mit Ihrem auf dem Schubprüfstand montierten Motor aus (ohne Propeller, da der Motor mit voller Geschwindigkeit laufen wird).
Die Software liefert Ihnen die Polzahl Ihres Motors, sobald der Test abgeschlossen ist, was nur ein paar Minuten dauert.
Abbildung 5: Das automatische Skript, das die Motorpole mit der RCbenchmark-Software zählt
Teil 3: Der Zusammenhang zwischen Motorpolen und Kv
Wie in den vorherigen Abschnitten gezeigt, stehen sowohl die Motor-Kv-Zahl als auch die Anzahl der Pole in Zusammenhang mit der Geschwindigkeit des Motors / U/min. Wir wissen, dass mit zunehmender Drehzahl auch die Kv-Zahl steigt. Alternativ entspricht eine höhere Anzahl von Polen Motoren, die mit niedrigeren U/min arbeiten.
Der Zusammenhang zwischen der Anzahl der Motorpole und der Kv-Zahl ist somit umgekehrt proportional. Das ergibt Sinn, wenn wir praktisch darüber nachdenken.
Ein größerer Motor mit einer größeren Anzahl von Polen wird ein hohes Drehmoment erfordern und mit einer niedrigen Betriebsgeschwindigkeit arbeiten. Der verwendete Motor hätte somit eine hohe Anzahl an Polen und eine niedrige Kv-Zahl.
Ein kleinerer Motor mit weniger Polen wird mit hohen U/min arbeiten und relativ geringes Drehmoment erzeugen. Der Motor wird daher eine niedrige Polzahl und eine hohe Kv-Zahl haben.
Fazit
Die in diesem Artikel behandelten Konzepte, bürstenlose Motorpole und Motor-Kv-Zahl, sind zwei Schlüsselkonzepte für das Verständnis der Eigenschaften und der Leistung von BLDC-Motoren. Zu wissen, wie man diese Zahlen interpretiert, kann Ihnen helfen, den besten Motor für Ihre Drohne oder Ihr Elektroflugzeug auszuwählen und Ihre Leistung und Effizienz zu verbessern. Die Effizienz steht in direktem Zusammenhang mit Flugzeit, Nutzlast und Reichweite, daher ist diese Information sehr wertvoll.
Wenn Sie die Anzahl der Pole in Ihrem Motor und die Kv-Zahl Ihres Motors automatisch messen möchten, empfehlen wir Ihnen, unsere Motortest-Tools anzusehen:
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