Kv, Kt и броят на полюсите: трите основни параметъра, които описват един електрически мотор
Два електрически мотора с еднакъв размер могат да се държат много различно: единият предлага голяма мощност при стартиране, но бързо достига максимална скорост, докато другият ускорява по-бавно, но може да достигне по-висока крайна скорост. Разликата се определя от две константи: Kv и Kt, както и от броя на полюсите. Това ръководство обяснява тези параметри, заедно с полезни изчисления за ежедневна употреба.
Същественото
- Стойността на Kv показва колко оборота в минута прави двигателя на волт, когато е на празен ход.
- Kt показва колко въртящ момент генерира двигателя на ампер. Той е обратнопропорционален на Kv, с определен коефициент.
- Високата стойност на Kv осигурява по-висока скорост, а високата стойност на Kt осигурява по-голям въртящ момент: не е възможно да се постигнат и двете характеристики в един и същ двигател.
- Броят на полюсите определя честотата на тока, която контролерът трябва да генерира.
Kv: скоростта на въртене на двигателя за един волт
Kv се измерва в обороти в минута на волт. Мотор с Kv 15 се върти, при празен ход и без загуби, със 15 оборота в минута за всеки приложен волт. При напълно заредена батерия от 84 V, теоретично би могъл да се върти с максимална скорост от около 15 × 84 = 1260 оборота в минута.
Това е максимална скорост: при натоварване, спадът на напрежението в батерията, кабелите и намотките, както и триенето, я намаляват. Това обяснява защо батерия с по-високо напрежение прави електрическия скутер по-бърз със същия двигател, и защо се говори за намаляване на магнитното поле (дефлуксация), за да се преодолее тази максимална скорост.
От въртенето до скоростта на електрическия скутер
За мотор, монтиран директно в главината на колелото, колелото се върти със скоростта на мотора. Скоростта в километри в час се изчислява по следния начин:
`скорост (км/ч) = обороти в минута × обиколка на колелото (м) × 60 ÷ 1000`
Пример: 1260 оборота в минута на колело с обиколка 0,8 метра дават 1260 × 0,8 × 60 ÷ 1000 ≈ 60 км/ч, при празен ход и теоретично. Реалната скорост ще бъде по-ниска.
Kt: въртящият момент на ампер
Стойността на Kt се измерва в нютон-метри на ампер. Мотор с Kt от 0,6 генерира 0,6 N·m за всеки ампер ток във фазата. При 100 A, той генерира 60 N·m.
Kv и Kt описват едно и също нещо, но от две различни гледни точки: силата на магнитите и броят на намотките. При използване на съгласувани мерни единици, те са свързани чрез проста зависимост:
`Kt ≈ 9,55 ÷ Kv` (Kt в N·m/A, Kv в обороти в минута на волт)
С Kv от 15, получаваме Kt приблизително 0,64 N·m/A. Според методите на измерване, използвани от производителите (напрежение между фазите или за фаза, питкова или ефективна стойност), тази зависимост може да варира в рамките на коефициент от около 1,2 до 1,7: използвайте тези стойности като ориентировъчни, а не като точни.
Висока скорост или висок въртящ момент: един и същ двигател, но с различна намотка
При една и съща конструкция и едни и същи магнити, може да се навие статорът с повече намотки от по-тънък проводник, или с по-малко намотки от по-дебел проводник.
| Повече намотки (висок въртящ момент) | По-малко намотки (за висока скорост) | |
|---|---|---|
| Kv | По-ниска стойност: по-ниска скорост на волт | По-високо: по-висока скорост на волт |
| Kt | По-горе: повече въртящ момент на ампер | По-ниска стойност: по-малко въртящ момент на ампер |
| Ток за еднакъв въртящ момент | По-ниска | По-висок |
| Това, което изисква от контролера и батерията | По-нисък ток | Повече ток |
При еднакъв размер, двете намотки могат да генерират сравнима мощност: едната го постига с по-високо напрежение и по-нисък ток, а другата – обратното. Правилният избор зависи от напрежението на батерията, от това какво може да осигури контролерът и батерията по отношение на тока, и от предназначението: ускорение и изкачване на наклони, или максимална скорост. Това е логиката зад версиите High Speed и High Torque на нашите електрически двигатели за електрически тротинетки.
Полюсите: електрическата честота
Един двигател има определен брой двойки магнитни полюси, тоест двойки северни и южни магнити, разположени върху ротора. При всеки пълен оборот, токът трябва да премине през толкова пълни цикли, колкото е броят на двойките полюси.
`честота на електрическия ток (Hz) = обороти в минута ÷ 60 × брой двойки полюси`
Моторите с директно задвижване при електрически тротинетки имат много полюси: това им осигурява висок въртящ момент при ниски скорости, без необходимост от редуктор. В същото време, контролерът трябва да генерира висока честота при високи скорости, което изисква бързо управление и достатъчно висока честота на прекъсване.
Софтуерните инструменти за настройка, като например VESC Tool, често показват скоростта в обороти в минута (ERPM): това е механичната скорост, умножена по броя на полюсите.
Какво трябва да се вземе предвид при избора на мотор
- Максималната скорост зависи от стойността на Kv и напрежението: произведението на Kv и напрежението, след което се взема предвид размера на колелото.
- Въртящият момент зависи от стойността на Kt (константата на времевата характеристика) и от тока, който контролерът може да подаде към фазите на двигателя.
- Загряването зависи от тока: двигател с ниска стойност на Kt изисква повече ток за същото въртящо усилие, следователно се нагрява повече при еднакво въртящо усилие, ако не е по-голям.
- Контролерът трябва да следи фазовия ток и електрическата честота.
Често задавани въпроси
Как да се измери стойността на Kv на двигателя?
Завъртете двигателя на празен ход, като повдигнете колелото, при известна напреженост, и измерете неговата скорост на въртене. Стойността Kv е отношението между тези две величини. Контролерите, които позволяват регулиране, като например VESC, също изчисляват тази стойност по време на процеса на откриване на двигателя, въз основа на магнитното поле.
По-високата стойност на Kv винаги ли прави електрическия скутер по-бърз?
Той увеличава максималната скорост, но изисква повече ток за същото въртящ момент. Ако батерията или контролерът не могат да осигурят достатъчно ток, машината ще бъде по-бавна при ускорение и може да се изключи. Увеличението на производителността е реално само ако цялата система е проектирана да работи с тези параметри.
Защо двигателите с централен монтаж имат толкова много полюси?
Тъй като те задвижват колелото директно, без редуктор. Големият брой полюси осигурява висок въртящ момент при ниски скорости в плосък и голям двигател, което е точно това, което е необходимо за колело.