Kv, Kt und Anzahl der Pole: Die drei Kennzahlen, die einen Elektromotor beschreiben
Zwei Motoren gleicher Größe können sich sehr unterschiedlich verhalten: einer bietet eine starke Beschleunigung beim Start, erreicht aber schnell seine Höchstgeschwindigkeit, während der andere langsamer beschleunigt, aber eine höhere Endgeschwindigkeit erreicht. Der Unterschied liegt in zwei Konstanten, dem Kv und dem Kt, sowie in der Anzahl der Pole. Dieser Leitfaden erklärt diese Parameter und enthält nützliche Berechnungen für den täglichen Gebrauch.
Das Wichtigste
- Der Kv-Wert gibt an, wie viele Umdrehungen pro Minute der Motor ohne Last pro Volt dreht.
- Der Kt-Wert gibt an, wie viel Drehmoment ein Motor pro Ampere erzeugt. Er ist das Gegenteil des Kv-Werts, wobei ein Faktor berücksichtigt werden muss.
- Eine hohe Kv-Zahl sorgt für hohe Geschwindigkeit, eine hohe Kt-Zahl für hohe Kraft: Man kann nicht beides gleichzeitig bei einem Motor erreichen.
- Die Anzahl der Pole bestimmt die Frequenz des Stroms, den der Controller erzeugen muss.
Die Kv-Zahl: die Drehzahl pro Volt
Der Kv-Wert wird in Umdrehungen pro Minute pro Volt angegeben. Ein Motor mit einem Kv-Wert von 15 dreht, im Leerlauf und ohne Verluste, mit 15 Umdrehungen pro Minute für jeden angelegten Volt. Bei einer vollständig geladenen Batterie mit 84 V würde er somit maximal etwa 15 × 84 = 1.260 Umdrehungen pro Minute erreichen.
Es handelt sich um eine Geschwindigkeitsbegrenzung: Unter Last reduzieren Spannungsabfälle in der Batterie, in den Kabeln und Wicklungen sowie Reibung die Geschwindigkeit. Dies erklärt, warum ein Akku mit einer höheren Spannung ein E-Scooter schneller macht, selbst wenn der gleiche Motor verwendet wird, und warum man von Feldabschwächung spricht, um diese Begrenzung zu überwinden.
Von der Drehung bis zur Geschwindigkeit des Elektrorollers
Für einen Nabenmotor dreht sich das Rad mit der Geschwindigkeit des Motors. Die Geschwindigkeit in Kilometern pro Stunde wird wie folgt berechnet:
`Geschwindigkeit (km/h) = Umdrehungen pro Minute × Umfang des Rades (m) × 60 ÷ 1.000`
Beispiel: 1.260 Umdrehungen pro Minute auf einem Rad mit einem Umfang von 0,8 Metern ergeben 1.260 × 0,8 × 60 ÷ 1.000 ≈ 60 km/h, im Leerlauf und theoretisch. Die tatsächliche Geschwindigkeit wird niedriger sein.
Der Kt-Wert: das Drehmoment pro Ampere
Der Kt-Wert wird in Newtonmetern pro Ampere angegeben. Ein Motor mit einem Kt-Wert von 0,6 erzeugt 0,6 N·m pro Ampere Strom. Bei 100 Ampere erzeugt er somit 60 N·m.
Kv und Kt beschreiben dasselbe, jedoch aus zwei verschiedenen Perspektiven: die Stärke der Magnete und die Anzahl der Windungen der Wicklungen. Bei Verwendung konsistenter Einheiten stehen sie in einer einfachen Beziehung zueinander:
`Kt ≈ 9,55 ÷ Kv (Kt in N·m/A, Kv in Umdrehungen pro Minute pro Volt)`
Mit einem Kv-Wert von 15 ergibt sich ein Kt-Wert von etwa 0,64 N·m/A. Je nach den Messkonventionen der Hersteller (Spannung zwischen Phasen oder pro Phase, Spitzenwert oder Effektivwert) kann dieses Verhältnis um einen Faktor von etwa 1,2 bis 1,7 variieren. Verwenden Sie dies als grobe Schätzung, nicht als exakten Wert.
High Speed oder High Torque: Derselbe Motor, aber mit unterschiedlicher Wicklung
Bei gleichem Gehäuse und den gleichen Magneten kann der Stator entweder mit mehr Windungen aus dünnerem Draht oder mit weniger Windungen aus dickeren Drähten gewickelt werden.
| Mehr Wicklungen (hohes Drehmoment) | Weniger Wicklungen (für höhere Geschwindigkeit) | |
|---|---|---|
| Kv | Weiter unten: geringere Geschwindigkeit pro Volt | Höher: Mehr Geschwindigkeit pro Volt |
| Kt | Höher: Mehr Drehmoment pro Ampere | Weiter unten: Weniger Drehmoment pro Ampere |
| Strom für das gleiche Drehmoment | Weniger | Höher |
| Was er vom Controller und der Batterie verlangt | Weniger Strom | Mehr Strom |
Bei gleicher Größe können beide Wicklungen eine vergleichbare Leistung erzeugen: die eine erreicht dies mit einer höheren Spannung und einem geringeren Strom, die andere mit dem Gegenteil. Die richtige Wahl hängt von der Batteriespannung, der Stromstärke ab, die Controller und Batterie liefern können, sowie vom Einsatzzweck: Beschleunigung und Steigungen oder Höchstgeschwindigkeit. Das ist die Logik hinter den High-Speed- und High-Torque-Versionen unserer Elektro-Roller-Motoren.
Die Pole: Die elektrische Frequenz
Ein Motor besitzt eine bestimmte Anzahl von Magnetpolpaaren, also Paaren aus Nord- und Südmagneten am Rotor. Bei jeder mechanischen Umdrehung muss der Strom so viele vollständige Zyklen durchlaufen, wie es Magnetpolpaare gibt.
`Elektrische Frequenz (Hz) = Umdrehungen pro Minute ÷ 60 × Anzahl der Polpaare`
Die Nabenmotoren von Elektrorollern haben viele Pole: Das verleiht ihnen ein hohes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten, ohne dass eine Untersetzung erforderlich ist. Im Gegenzug muss der Controller bei hohen Geschwindigkeiten eine hohe Frequenz erzeugen, was eine schnelle Ansteuerung und eine ausreichende Schaltfrequenz erfordert.
Software zur Einstellung, wie beispielsweise das VESC Tool, zeigen oft die Drehzahl in elektrischen Umdrehungen pro Minute (ERPM) an: Dies ist die mechanische Drehzahl multipliziert mit der Anzahl der Polpaare.
Was man bei der Auswahl eines Motors beachten sollte
- Die maximale Geschwindigkeit hängt vom Kv-Wert und der Spannung ab: Kv multipliziert mit der Spannung, und dann noch die Reifengröße.
- Das Drehmoment hängt vom Kt-Wert und dem Phasenstrom ab, den der Controller liefern kann.
- Die Erwärmung hängt vom Strom ab: Ein Motor mit einem niedrigen Kt-Wert benötigt mehr Strom für das gleiche Drehmoment und erwärmt sich daher bei gleichem Drehmoment stärker, sofern er nicht größer ist.
- Der Controller muss den Strom pro Phase und die elektrische Frequenz überwachen.
Häufig gestellte Fragen
Wie misst man den Kv-Wert eines Motors?
Lassen Sie den Motor ohne Last laufen, wobei das Rad angehoben ist, bei einer bekannten Spannung, und messen Sie seine Drehzahl. Der Kv-Wert ist das Verhältnis der beiden Werte. Regelbare Controller wie der VESC leiten diesen Wert ebenfalls aus der Motorerkennung ab, basierend auf dem Magnetfluss.
Macht ein höherer Kv-Wert immer das E-Scooter schneller?
Die Höchstgeschwindigkeit wird erhöht, aber es wird mehr Strom benötigt, um das gleiche Drehmoment zu erzielen. Wenn der Akku oder der Controller den erhöhten Strombedarf nicht decken können, wird das Fahrzeug langsamer beim Beschleunigen und kann möglicherweise abschalten. Der tatsächliche Vorteil ist nur gegeben, wenn die gesamte Antriebskette entsprechend ausgelegt ist.
Warum haben Nabenmotoren so viele Pole?
Da sie das Rad direkt antreiben, ohne Getriebe, bieten viele Pole ein hohes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten in einem flachen und großdurchmesserigen Motor – genau das, was für ein Rad benötigt wird.