Por Lauren Nagel
Introdução
Se está a construir um drone, um veículo RC ou qualquer máquina que utilize um motor de corrente contínua sem escovas (BLDC), provavelmente já terá encontrado os conceitos de Kv do motor e polos do motor. Ambos os parâmetros são úteis para caracterizar o seu motor e estimar o seu desempenho.
Neste artigo, abordamos o significado destas métricas, como as calcular e medir e, finalmente, como estão relacionadas.
Índice:
- Como calcular o Kv do motor sem escovas
- O que é o Kv do motor?
- O que significa a classificação Kv?
- Como medir e calcular o Kv (equações)
- Como medir o Kv do motor
- Como determinar o número de polos num motor sem escovas
- O que são os polos do motor?
- Polos do motor vs. pares de polos
- Polos do motor e velocidade elétrica
- Como calcular os polos do motor (equações)
- Como medir os polos do motor
- A relação entre os polos do motor e o Kv
Após realizar os cálculos, utilizaremos o banco de ensaio de impulso Series 1585 para confirmar os nossos resultados.
Parte 1: Como calcular o Kv do motor sem escovas
O que é o Kv do motor para motores sem escovas?
O Kv do motor fornece uma forma de descrever a relação entre a tensão máxima e a velocidade de rotação num motor sem escovas em condições de vazio. A unidade do Kv é RPM/V e pode ser estimado dividindo a velocidade de rotação do motor sem carga pela tensão aplicada.
Na verdade, a tensão que devemos considerar é, de facto, a força eletromotriz (FEM) de contra-eletrorreferência e não a tensão aplicada.
Num motor sem escovas, a força eletromotriz (FEM) de contra-eletrorreferência é uma tensão que ocorre na direção oposta à corrente fornecida pela fonte de alimentação, induzida pelo movimento das bobinas através do campo magnético do motor.
Isto pode ser explicado pela lei de Faraday, que mostra que uma bobina em movimento dentro de um campo magnético cria um fluxo de eletrões dentro da bobina, chamado de tensão ou fem.
Quando o motor gira, a FEM de contra-eletrorreferência gerada é proporcional à velocidade do rotor: à medida que as RPM aumentam, a FEM de contra-eletrorreferência também aumenta. A aceleração máxima sem carga (ignorando a inércia do próprio motor), podemos descrever a relação com esta fórmula:
O que significa a classificação Kv?
A classificação Kv fornece uma estimativa de quantas rotações um motor fará para cada volt aplicado. Esta classificação pode ser útil para comparar motores que têm o mesmo tamanho físico, mas que apresentam características de desempenho diferentes devido ao seu funcionamento interno.
Como regra geral, à medida que o número de enrolamentos nas bobinas aumenta, o Kv do motor diminui. Mecanicamente falando, os motores de Kv baixo têm um maior número de enrolamentos de um fio mais fino e o fio fino conduz mais volts com menos corrente.
Os motores de Kv alto têm menos enrolamentos, mas um fio mais grosso que pode conduzir mais corrente com menos volts. As equações na secção seguinte fornecem uma demonstração matemática deste conceito.
Leitura adicional: Análise de Potência e Eficiência do Motor BLDC
Aplicado a drones, os motores de Kv baixo tendem a operar a RPMs mais baixos e a produzir mais binário, ideais para hélices maiores e drones grandes. Os motores de Kv alto operam a RPMs mais altos e são ideais para hélices de baixo binário, pequenas e de rotação rápida.
Portanto, drones mais leves e rápidos, como os quadricópteros de corrida, são melhor servidos por motores de Kv alto e drones mais pesados e lentos são melhor servidos por motores de Kv baixo.
Figura 1: O drone de corrida EMAX Hawk Pro utiliza um motor de 2400 Kv, enquanto o drone de grande capacidade de carga Foxtech Gaia 190MP utiliza um motor de 100 Kv
Outra aplicação prática é para motores inrunner e outrunner. Um inrunner normalmente tem um valor de Kv mais alto do que um outrunner do mesmo tamanho. O maior diâmetro do rotor no outrunner permite mais ímanes permanentes.
Mais ímanes (polos) → velocidade mais baixa → Kv mais baixo. O pequeno diâmetro do inrunner também significa que tem uma circunferência menor para percorrer numa rotação, assim mais rotações para a mesma tensão.
É importante notar que o Kv não é uma forma definitiva de avaliar o desempenho de um motor, pois a marca do motor também pode afetar a sua eficiência. Para o mesmo valor de Kv, um motor de uma marca pode ter um desempenho melhor ou pior do que outro, o que só será revelado através de testes.
Como calcular o Kv do motor
Se voltarmos à nossa fórmula anterior:
Podemos reorganizá-la para mostrar que:
Para aproximar o Kv, pode substituir ‘FEM de contra-eletrorreferência’ por tensão de entrada na equação, o que lhe dará uma estimativa bastante boa do Kv do motor.
Para uma estimativa mais precisa, pode medir a tensão entre dois condutores no circuito para obter a sua tensão eficaz (RMS), e depois multiplicá-la por sqrt(2) ou 1.414 para obter a tensão máxima, que pode inserir nesta equação:
0.95 é um valor que compensa os desvios do modelo teórico para fornecer um valor mais próximo do que é observado experimentalmente. Este fator é comumente aceite para cálculos de Kv.
Como medir o Kv BLDC
Medir o Kv experimentalmente é talvez a melhor forma de ter uma ideia precisa do verdadeiro Kv do seu motor. Temos observado regularmente diferenças entre o Kv declarado e o medido dos motores que testámos, o que provavelmente também observará.
Fornecemos um script pré-escrito no nosso software RCbenchmark que permite medir o Kv experimentalmente ao submeter o seu motor a um teste sem carga.
Tudo o que tem de fazer é ligar o seu motor a um banco de ensaio RCbenchmark, inserir o número de polos do motor no separador Setup e, em seguida, executar o teste (sem uma hélice). O software calculará automaticamente o Kv do seu motor assim que o teste terminar.
Mesmo que o seu motor esteja rotulado com uma classificação Kv, pode ser interessante testá-lo para ver se o Kv experimental corresponde ao que é anunciado.
Figura 2: O script automático que calcula o Kv utilizando o software RCbenchmark
Parte 2: Como determinar o número de polos num motor sem escovas
O que são os polos do motor?
Dentro de um motor sem escovas, existem vários ímanes ao longo da circunferência do rotor (figura 1). Estes ímanes também são referidos como os ‘polos’ do motor. Quando uma corrente elétrica é fornecida às bobinas no estator, o rotor começa a girar à medida que os seus ímanes repelem os eletroímãs semelhantes.
No diagrama abaixo, o rotor azul contém os ímanes permanentes num motor inrunner (esquerda) e num motor outrunner (direita). O estator verde contém as bobinas eletromagnéticas.
Figura 3: Ímanes / polos do motor em motores inrunner e outrunner
Polos do motor vs. pares de polos
Os ímanes ao longo do rotor têm cada um o seu próprio polo norte e polo sul, com apenas um desses polos virado e a interagir com o estator. Existe um número igual de ímanes norte e sul virados para fora do rotor, e cada conjunto de ímanes N e S é referido como um ‘par de polos’.
Para cada par de polos no motor existem dois polos, pelo que, se o motor tiver 8 polos / ímanes, existem 4 pares de polos. Por esta mesma razão, quase sempre terá um número par de polos (2, 4, 6, 8, etc.), pois cada íman precisa de um polo oposto.
Ex.
- Motor de 2 polos → 1 íman norte e 1 íman sul → 1 par de polos
- Motor de 8 polos → 4 ímanes norte e 4 ímanes sul → 4 pares de polos
Relação entre os polos do motor e a velocidade elétrica do motor
A velocidade do motor está inversamente relacionada com o número de polos no rotor. A relação é explicada pela seguinte fórmula:
Onde:
Ns = velocidade síncrona
f = frequência da alimentação trifásica
E #p = o número de polos
Alternativamente, pode ser escrito como:
Onde:
Ns = velocidade síncrona
f = frequência da alimentação trifásica
E #pp = o número de pares de polos
Como calcular os polos do motor
Uma vez que o número de polos é igual ao número de ímanes permanentes no rotor, a forma mais simples de determinar o número de polos é contar os ímanes manualmente.
Isto é possível se conseguir ver dentro do seu motor ou se puder remover a carcaça exterior. Se não conseguir remover a carcaça, isto pode ser uma tarefa desafiante, pois os ímanes podem ser bastante pequenos e numerosos.
Leitura adicional: Como funcionam os motores BLDC
Figura 4: Contagem dos ímanes / polos dentro de um motor sem escovas
Outros procedimentos simples foram sugeridos, como agitar um íman à volta do seu rotor para ver onde ocorrem a atração e a repulsão. Este método é mais viável para motores outrunner, onde os ímanes estão fora do estator, perto da superfície.
Tenha cuidado se tentar esta técnica, pois os ímanes dentro do seu rotor podem ser desmagnetizados pela influência de um íman mais forte.
Outra opção que requer um pouco mais de esforço e equipamento envolve encontrar a velocidade do motor e a frequência da alimentação experimentalmente, e depois reorganizar a equação abaixo para resolver o # de polos do motor:
Para medir a velocidade do seu motor, precisará de um equipamento para acionar o seu motor em sentido inverso (uma berbequim, por exemplo), mais um dispositivo de medição da velocidade de rotação para medir o número de rotações, como um tacómetro.
Também precisará de um dispositivo para medir a frequência da FEM de contra-eletrorreferência gerada, como um osciloscópio. Meça a velocidade e a frequência simultaneamente, e depois insira os valores na equação acima para determinar o número de polos no seu motor.
Medir o número de polos do motor
Talvez a forma mais simples de medir o número de polos no seu motor seja deixar que um banco de ensaio o determine por si.
Vários dos nossos bancos de ensaio vêm com scripts automáticos pré-escritos para calcular o número de polos no seu motor, incluindo o Series 1585.
Basta inserir a classificação Kv do seu motor no script e, em seguida, executar o teste automático com o seu motor instalado no banco de ensaio (sem uma hélice, pois o motor funcionará a velocidade máxima).
O software fornecer-lhe-á a contagem de polos do seu motor assim que o teste terminar, o que demora apenas alguns minutos.
Figura 5: O script automático que conta os polos do motor utilizando o software RCbenchmark
Parte 3: A relação entre os polos do motor e o Kv
Como mostrado nas secções anteriores, o Kv do motor e o número de polos estão ambos relacionados com a velocidade do motor / RPM. Sabemos que, à medida que a velocidade de rotação aumenta, o Kv também aumenta. Alternativamente, um número maior de polos corresponde a motores que operam a RPMs mais baixos.
A relação entre o número de polos do motor e o Kv é, portanto, inversamente proporcional. Isto faz sentido quando pensamos nisto na prática.
Um motor maior com um maior número de polos exigirá um binário elevado e operará a uma velocidade de operação baixa. O motor utilizado terá, assim, um elevado número de polos e um Kv baixo.
Um motor menor com menos polos operará a RPMs altos e produzirá um binário relativamente baixo. O motor terá, portanto, uma contagem de polos baixa e um Kv alto.
Conclusão
Os conceitos abordados neste artigo, polos do motor sem escovas e Kv do motor, são dois conceitos fundamentais para compreender as propriedades e o desempenho dos motores BLDC. Saber interpretar estes números pode ajudá-lo a escolher o melhor motor para o seu drone ou aeronave elétrica e a melhorar o seu desempenho e eficiência. A eficiência está diretamente relacionada com o tempo de voo, a carga útil e o alcance, pelo que esta informação é muito valiosa.
Se pretender medir automaticamente o número de polos no seu motor e o Kv do seu motor, sugerimos que consulte as nossas ferramentas de teste de motores:
- Series 1585 - mede até 5 kgf de impulso / 2 Nm de binário
- Flight Stand 15 - mede até 15 kgf de impulso / 8 Nm de binário
- Flight Stand 50 - mede até 50 kgf de impulso / 30 Nm de binário
- Flight Stand 150 - mede até 150 kgf de impulso / 150 Nm de binário
- Flight Stand 500 - mede até 500 kgf de impulso / 1500 Nm de binário
Se tiver alguma dúvida sobre o conteúdo deste artigo, não hesite em deixar-nos um comentário e responderemos com certeza.
Leituras adicionais: Como Testar um Motor Brushless com uma Bancada de Teste de Impulso