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Motor

BLDC 열 경감 계산기

BLDC 모터 권선 온도, 열 마진, 감소 전류 및 열 제한 시간을 계산합니다.절연 등급 B, F, H를 지원합니다.

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공식

ΔT=Ploss⋅Rθ,Iderated=Tmax−Tamb1.5⋅R⋅Rθ,Rhot=Rcold(1+αΔT)\Delta T = P_{loss} \cdot R_{\theta}, \quad I_{derated} = \sqrt{\frac{T_{max} - T_{amb}}{1.5 \cdot R \cdot R_{\theta}}}, \quad R_{hot} = R_{cold}(1 + \alpha \Delta T)

참고: IEC 60034-1 — Rotating electrical machines; NEMA MG-1

ΔT— Temperature rise above ambient (°C)
Rθ— Total thermal resistance (winding→case + case→ambient) (°C/W)
α— Copper temperature coefficient (0.00393/°C) (1/°C)
I_derated— Maximum safe continuous current (A)

작동 방식

이 계산기는 열 저항 네트워크를 사용하여 BLDC 모터 온도 상승을 모델링하여 권선 온도가 절연 등급 한계 내에 있는지 확인합니다.모터 설계자, 드론 제작자 및 산업 통합업체는 이를 사용하여 연속 전류 등급과 운영 환경에 필요한 냉각 요구 사항을 결정합니다.

정상 상태 열 모델은 전기적 비유를 따릅니다. 열 저항 (C/W) 을 통한 열 흐름 (와트) 은 온도 차이 (C) 를 생성합니다.멜러의 열 모델 (IEE Proc. 1991) 에 따르면 기본 경로는 권선 -> 스테이터 아이언 -> 케이스 -> 앰비언이며 $T_ {와인딩} = T_ {앰비언트} + P_ {total}\ 회 (R_ {\ theta, wc}) $, 여기서 $R_ {\ theta, wc} $는 케이스 간 와인딩입니다. 그리고 $R_ {\ theta, ca} $는 케이스 대 주변 열 저항입니다.

절연 등급은 IEC 60085에 따른 최대 허용 권선 온도 (클래스 B (130C), 클래스 F (155C) 및 클래스 H (180C) 를 정의합니다.대부분의 취미 BLDC 모터는 클래스 B 또는 F 에나멜 와이어를 사용합니다.Arrhenius 규칙에 따라 정격을 10C 초과하면 절연 수명이 절반으로 줄어듭니다. 열 마진은 선택 사항이 아닙니다.

구리 저항은 온도에 따라 증가합니다: $R (T) = R_ {25}\ 배 (1 +\ 알파 (T - 25)) $ 여기서 구리의 경우  alpha=0.00393\ alpha = 0.00393/C입니다.이로 인해 긍정적인 열 피드백이 생성됩니다. 권선이 뜨거울수록 저항이 높아져 I2RI^2R 손실이 커져 온도가 더 상승합니다.평형 온도는 반복적으로 또는 닫힌 형식을 통해 풀어야 합니다. $T_ {eq} = T_ {amb} + P_ {loss,25}\ times R_ {\ theta, total}/(1 -\ alpha\ times I^2 R_ {25}\ times R_ {\ theta, total}) $.

1차 열 시간 상수 $\ tau = R_ {\ theta}\ 곱하기 C_ {th} $ (여기서 $C_ {th} 는J/C의열커패시턴스)에따라모터가가열되는속도가결정됩니다.소형드론모터(는 J/C의 열 커패시턴스) 에 따라 모터가 가열되는 속도가 결정됩니다.소형 드론 모터 (\ tau$ = 10-30초) 는 30초 이내에 최종 온도의 63% 에 도달합니다.즉, 버스트 전류 등급은  tau\ tau보다 훨씬 낮은 기간에만 안전합니다.

계산 예제

4008-380Kv 모터가 40°C 환경에서 15A를 연속으로 처리할 수 있는지 확인합니다.사양: $R_ {페이즈} $ = 0.120옴 (와이, 25°C), I0I_0 = 22.2V (6S) 에서 0.8A, 클래스 F 절연 (최대 155C), $R_ {\ theta, wc} $ = 1.5 C/W, $R_ {\ theta, ca} $ = 8.0 C/W (자연 대류).

1단계 -- 25C 저항에서의 손실 계산: $P_ {Cu} $ = 3 곱하기152 곱하기0.1203\ 곱하기 15^2\ 곱하기 0.120 = 81.0W P0P_0 = 22.2 x 0.8 = 17.8W (철+기계식) $P_ {총,25} $ = 81.0 + 17.8 = 98.8W

2단계 -- 권선 온도 추정 (첫 번째 단계): $R_ {\ 세타, 합계} $ = 1.5 + 8.0 = 9.5 C/W  DeltaT\ Delta T = 98.8 x 9.5 = 938.6 C -- 분명히 너무 더워요!

3단계 -- 이 모터는 자연 대류 상태에서는 15A를 작동할 수 없습니다.프롭 워시 쿨링 추가: 12인치 프롭 공기 흐름 시: $R_ {\ theta, ca} $가 2.0 C/W로 떨어짐 (강제 대류) $R_ {\ 세타, 총} $ = 1.5 + 2.0 = 3.5 C/W $\ Delta T_ {25} $ = 98.8 x 3.5 = 345.8 C -- 여전히 한도를 초과함

4단계 -- 최대 안전 연속 전류 찾기: 열 소비량: $\ Delta T_ {max} $ = 155 - 40 = 115C 고온 저항 계산: $P_ {max} $ = $\ Delta T_ {max}/R_ {\ theta, 총} $ = 115/ 3.5 = 32.9W 무부하 손실 차감: $P_ {Cu, max} $ = 32.9 - 17.8 = 15.1W $I_ {최대} $ = $\ sqrt {15.1/ (3\ 곱하기 0.120)} $ = 6.5A 연속 고온 저항이 155°C일 때: $R_ {hot} $ = 0.120 x (1 + 0.00393 x 130) = 0.181 옴 수정: $I_ {max} $ = $\ sqrt {15.1/(3\ times 0.181)} $ = 5.3 A

결과: 최대 연속 전류는 5.3A (15A가 아님) 이며 주변 온도가 40°C일 때 강제 프롭 쿨링이 적용됩니다.모터는 짧은 버스트에 대해서만 15A를 처리할 수 있습니다.  tau\ tau가 열 시간 상수를 25초라고 가정하면 약 15초입니다.

실용적인 팁

  • ✓케이스 대 주변 열 저항을 자연 대류 (벤치 테스트) 의 경우 8-15C/W, 프로펠러 또는 팬의 강제 공기 흐름의 경우 1.5-3C/W로 추정합니다. 프롭 세척은 열 저항을 3-5배 감소시키므로 벤치 테스트 결과는 기내 성능보다 훨씬 나쁩니다.
  • ✓저항을 통해 간접적으로 권선 온도를 측정: 부하가 걸린 상태에서 모터를 작동시키고 정지한 후 즉시 위상 저항을 측정합니다. 온도를 T=25+(Rhot/Rcold−1)/0.00393T = 25 + (R_ {hot} /R_ {cold} - 1)/0.00393로 역계산합니다. 케이스 온도만 읽는 외부 열전쌍보다 정확합니다.
  • ✓권선 내부의 핫스팟이 평균 권선 온도보다 10~20°C 더 뜨겁지 않도록 절연 등급 한계 이하로 15-20°C 열 마진을 적용합니다. 클래스 F 등급이 155C인 경우 최대 평균 135C로 설계하십시오.

흔한 실수

  • ✗연속 열 계산을 위한 저온 (25C) 권선 저항 사용: 130C 온도 상승 시 구리 저항은 25C보다 51% 높습니다. 즉, 실제 구리 손실은 계산된 것보다 51% 더 높습니다. 이 포지티브 피드백 루프는 예기치 않은 모터 소손을 일으키는 가장 일반적인 원인입니다.
  • ✗주변 온도를 낮추는 것을 잊어버림: 주변 온도 25C에서 15A 정격 모터는 열 소비량이 130C에서 110C로 줄어들기 때문에 주변 온도 45°C에서 최대 12A만 처리할 수 있습니다. 실제 허용 온도 상승을 구하려면 항상 절연 등급 한도에서 실제 주변 환경을 빼야 합니다.
  • ✗피크 전류 등급이 연속 정격과 같다고 가정: 30A 피크 (10초) 정격 모터는 8-12A 연속만 처리할 수 있습니다. 열 시간 상수 15-30초는 모터가 피크 전류 시 2-3시간 상수 (30-90초) 이내에 위험한 온도에 도달한다는 의미입니다.

자주 묻는 질문

IEC 60085에 따르면 BLDC 모터와 관련된 클래스는 클래스 B (최대 130C), 클래스 F (최대 155C) 및 클래스 H (최대 180C) 입니다.대부분의 취미 및 드론 모터는 클래스 B 또는 F 에나멜 와이어를 사용합니다.산업용 서보 모터는 일반적으로 클래스 F 또는 H를 사용합니다. 등급은 평균 온도가 아니라 최대 와인딩 핫스팟 온도입니다. 꽉 채워진 슬롯 내부의 핫스팟은 측정 평균보다 10~20°C 높을 수 있습니다.
스텝 부하 전류를 인가하고 권선 온도 (저항 측정을 통해) 가 안정될 때까지 5-10초마다 기록합니다.시간 상수 타우는 최종 온도 상승의 63% 에 도달하는 데 걸리는 시간입니다.소형 드론 모터 (22xx 크기) 의 경우 일반적으로 타우는 10~20초입니다.대형 모터 (40xx-50xx) 의 경우 타우는 30-60초입니다.또는 열 커패시턴스 (tau = r_theta x 질량 x 특정_열) 를 사용하여 추정할 수도 있습니다. 구리/강철을 결합한 권선의 경우 최대 0.4 J/ (G*c) 를 사용합니다.
예. 프로펠러에서 강제로 공기가 흐르면 자연 대류에 비해 케이스 대 주변 열 저항이 3-5배 감소합니다.벤치에서 8A로 과열되는 모터는 비행 중에 15A를 안전하게 작동시킬 수 있습니다.하지만 이는 열상 시나리오에서 최대 스로틀 상태에서 지상 테스트를 하는 것이 최악이라는 것을 의미합니다.벤치에서 항상 최대 예상 전류로 열 검증을 수행하십시오. 벤치 테스트에서도 모터가 제대로 작동한다면 비행 중 공기 흐름이 현저히 낮을 수 있습니다.

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