作者：Lauren Nagel
引言
如果您正在制造无人机、遥控车辆或任何使用无刷直流（BLDC）电机的机器，您可能已经接触过电机 Kv 和电机极数这两个概念。这两个参数对于描述电机特性和估算其性能都非常有用。
本文将介绍这些指标的含义、计算和测量方法，并最终阐述它们之间的关系。
目录：
- 如何计算无刷电机 Kv
- 什么是电机 Kv？
- Kv 额定值意味着什么？
- 如何测量和计算 Kv（公式）
- 如何测量电机 Kv
- 如何确定无刷电机的极数
- 什么是电机极数？
- 电机极数与极对数
- 电机极数与电速
- 如何计算电机极数（公式）
- 如何测量电机极数
- 电机极数与 Kv 的关系
完成计算后，我们将使用 Series 1585 动力测试台来验证结果。
第 1 部分：如何计算无刷电机 Kv
无刷电机的电机 Kv 是什么？
电机 Kv 提供了一种描述无负载条件下无刷电机峰值电压与转速之间关系的方法。Kv 的单位为 RPM/V，可以通过将无负载电机的转速除以施加电压来估算。
事实上，我们应该考虑的电压实际上是反电动势（EMF），而不是施加电压。
在无刷电机中，反电动势（EMF）是由于线圈在电机磁场中运动所感应出的电压，其方向与电源提供的电流方向相反。
这可以用法拉第定律来解释，该定律表明，线圈在磁场中运动会在线圈内部产生电子流，即电压或反电动势。
当电机转动时，产生的反电动势与转子的转速成正比：转速（RPM）越高，反电动势也越高。在满油门无负载（忽略电机自身惯性）的情况下，我们可以用以下公式描述这种关系：
Kv 额定值意味着什么？
Kv 额定值估算电机每接收 1 伏电压将转动多少圈。该额定值有助于比较物理尺寸相同但由于内部结构不同而具有不同性能特性的电机。
一般来说，线圈绕组数越多，电机的 Kv 就越低。从机械角度来看，低 Kv 电机具有更多绕组，线材更细，细线可以在较低电流下承受更高电压。
高 Kv 电机绕组较少，但线材较粗，可以在较低电压下承受更高电流。下一节中的公式从数学上展示了这一概念。
延伸阅读：BLDC 电机功率和效率分析
应用于无人机时，低 Kv 电机往往以较低的转速运行并产生更多扭矩，非常适合大型螺旋桨和大型无人机。高 Kv 电机以较高的转速运行，非常适合低扭矩、小型且快速旋转的螺旋桨。
因此，高 Kv 电机最适合用于赛车四旋翼等较轻、移动较快的无人机，而低 Kv 电机则更适合用于较重、移动较慢的无人机。
图 1：EMAX Hawk Pro 赛车无人机使用 2400 Kv 电机，而 Foxtech Gaia 190MP 重载无人机使用 100 Kv 电机
另一个实际应用是内转子和外转子电机。相同尺寸的内转子电机 Kv 值通常高于外转子电机。外转子中转子直径更大，可以容纳更多永磁体。
更多磁铁（极数）→ 转速更低 → Kv 更低。内转子直径较小，意味着转动一圈需要覆盖的周长也较小，因此在相同电压下转速更高。
需要注意的是，Kv 并不是评估电机性能的绝对标准，因为电机品牌也会影响其效率。对于相同的 Kv 值，一个品牌的电机可能比另一个品牌表现更好或更差，这只能通过测试发现。
如何计算电机 Kv
回到我们之前的公式：
我们可以将其变形为：
要估算 Kv，您可以在公式中用输入电压代替“反电动势”，这样就能得到电机 Kv 的大致估算值。
为了获得更准确的估算，您可以测量电路中两根导线之间的电压以获取均方根（RMS）电压，然后乘以 sqrt(2)或 1.414 以获得峰值电压，然后将其代入此公式：
0.95 是一个用于修正与理论模型之间的偏差的值，从而提供一个更接近实验观察到的数值。该系数在 Kv 计算中被广泛认可。
如何测量 BLDC Kv
通过实验测量 Kv 也许是准确了解电机真实 Kv 的最佳方法。我们经常发现所测试电机的标称 Kv 与测量 Kv 之间存在差异，您可能也会观察到这种情况。
我们在 RCbenchmark 软件 中提供了一个预设脚本，让您可以通过对电机进行无负载测试来测量 Kv。
您只需将电机连接到 RCbenchmark 动力测试台，在 Setup 选项卡中输入电机极数，然后运行测试（不要安装螺旋桨）。测试完成后，软件将自动计算电机的 Kv。
即使您的电机标有 Kv 额定值，测试它以查看实验测得的 Kv 是否与宣传相符，也是很有意义的。
图 2：使用 RCbenchmark 软件计算 Kv 的自动脚本
第 2 部分：如何确定无刷电机的极数
什么是电机极数？
在无刷电机中，转子周长排列着若干磁铁（图 1）。这些磁铁也被称为电机的“极”。当电流输送到定子线圈时，转子上的磁铁会相互排斥同极电磁铁，从而带动转子转动。
在下图所示的示意图中，蓝色转子包含内转子电机（左）和外转子电机（右）中的永磁体。绿色定子则容纳电磁线圈。
图 3：内转子和外转子电机中的电机磁铁/极数
电机极数与极对数
排列在转子上的每个磁铁都有自己的南北两端，其中只有一端朝向并与定子相互作用。转子向外排列的南北磁铁数量相等，每一组 N 和 S 磁铁被称为一个“极对”。
电机中的每个极对有两个极，因此如果电机有 8 个极/磁铁，则有 4 个极对。同样，极数几乎总是为偶数（2、4、6、8 等），因为每个磁铁都需要一个相反的极。
例如：
- 2 极电机 → 1 个北极磁铁和 1 个南极磁铁 → 1 个极对
- 8 极电机 → 4 个北极磁铁和 4 个南极磁铁 → 4 个极对
电机极数与电机电速的关系
电机转速与转子中的极数成反比。这种关系由以下公式说明：
其中：
Ns = 同步转速
f = 三相电源频率
以及 #p = 极数
也可以写成：
其中：
Ns = 同步转速
f = 三相电源频率
以及 #pp = 极对数
如何计算电机极数
由于极数等于转子中的永磁体数量，确定极数最简单的方法就是手动计数。
如果可以看到电机内部或能够拆除外壳，这是可行的。如果您无法拆除外壳，这可能会是一项具有挑战性的任务，因为磁铁可能非常小且数量众多。
图 4：计数无刷电机内部的磁铁/极数
其他简单的方法也被提出，例如用磁铁在转子周围晃动，观察吸引和排斥发生的位置。这种方法最适合外转子电机，因为磁铁位于定子外部附近。
如果您尝试此方法，请务必小心，因为转子内部的磁铁可能会受到更强磁铁的影响而退磁。
另一种需要更多精力设备的方法是实验测量电机转速和电源频率，然后变形以下公式来求解电机极数：
要测量电机转速，您需要一个反向驱动电机的设备（例如电钻），以及一个测量转速的设备（例如转速表）。
您还需要一个测量反电动势频率的设备，例如示波器。同时测量转速和频率，然后将数值代入上述公式，以确定电机的极数。
测量电机极数
测量电机极数最简单的方法也许是让动力测试台为您确定。
我们的几款动力测试台都配有用于计算电机极数的自动预设脚本，包括 Series 1585。
只需在脚本中输入电机的 Kv 额定值，然后将电机安装在动力测试台上运行自动测试（不要安装螺旋桨，因为电机将以全速运行）。
测试完成后，软件将立即为您提供电机的极数，只需几分钟时间。
图 5：使用 RCbenchmark 软件计数电机极数的自动脚本
第 3 部分：电机极数与 Kv 的关系
如前几节所示，电机 Kv 和极数都与电机转速/RPM 相关。我们知道，随着转速的增加，Kv 也会随之增加。或者说，极数越多，对应的电机转速越低。
因此，电机极数与 Kv 成反比。从实际角度考虑，这完全合理。
极数较多的大型电机需要大扭矩，并以较低的转速运行。因此，所使用的电机将具有较多的极数和较低的 Kv。
极数较少的较小型电机将以高转速运行，并产生相对较低的扭矩。因此，该电机将具有较低的极数和较高的 Kv。
结论
本文介绍的概念——无刷电机极数和电机 Kv，是理解 BLDC 电机特性和性能的关键。了解如何解读这些数值，可以帮助您为无人机或电动飞机选择最佳电机，并提升性能和效率。效率与飞行时间、载荷和航程直接相关，因此这些信息非常宝贵。
如果您希望能够自动测量电机极数和电机 Kv，我们建议您查看我们的电机测试工具：
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延伸阅读：如何使用动力测试台测试无刷电机