Kv, Kt και αριθμός πόλων: τα τρία νούμερα ενός ηλεκτροκινητήρα

Δύο μοτέρ ίδιου μεγέθους μπορούν να συμπεριφερθούν εντελώς διαφορετικά: το ένα σπρώχνει δυνατά στην εκκίνηση αλλά πιάνει γρήγορα όριο, το άλλο επιταχύνει λιγότερο αλλά φτάνει πιο μακριά σε τελική ταχύτητα. Η διαφορά αποκαλύπτεται σε δύο σταθερές, το Kv και το Kt, και στον αριθμό των πόλων. Αυτός ο οδηγός τα εξηγεί, μαζί με τους χρήσιμους καθημερινούς υπολογισθμούς.

Τα βασικά

• Το Kv δείχνει πόσες στροφές ανά λεπτό κάνει το μοτέρ ανά βολτ, χωρίς φορτίο.
• Το Kt δείχνει πόση ροπή παράγει το μοτέρ ανά αμπέρ. Είναι το αντίστροφο του Kv, με έναν συντελεστή.
• Ένα υψηλό Kv δίνει ταχύτητα, ένα υψηλό Kt δίνει δύναμη: δεν μπορείτε να τα έχετε και τα δύο στο ίδιο μοτέρ.
• Ο αριθμός των πόλων καθορίζει τη συχνότητα του ρεύματος που πρέπει να παράγει ο ελεγκτής.

Το Kv: η ταχύτητα ανά βολτ

Το Kv μετριέται σε στροφές ανά λεπτό ανά βολτ. Ένα μοτέρ με Kv 15 περιστρέφεται, χωρίς φορτίο και απώλειες, με 15 στροφές ανά λεπτό για κάθε βολτ που εφαρμόζεται. Σε μια μπαταρία 84 V πλήρους φόρτισης, θα περιστρεφόταν ιδανικά σε περίπου 15 × 84 = 1.260 στροφές ανά λεπτό.

Αυτή είναι μια ταχύτητα οροφής: υπό φορτίο, η πτώση τάσης στην μπαταρία, στα καλώδια και στις περιελίξεις, καθώς και οι τριβές, τη μειώνουν. Αυτό εξηγεί γιατί μια μπαταρία υψηλότερης τάσης κάνει ένα πατίνι πιο γρήγορο με το ίδιο μοτέρ, και γιατί μιλάμε για αποδυνάμωση πεδίου (field weakening) για να ξεπεραστεί αυτό το όριο.

Από την περιστροφή στην ταχύτητα του πατινιού

Για ένα μοτέρ πλήμνης, ο τροχός περιστρέφεται με την ταχύτητα του μοτέρ. Η ταχύτητα σε χιλιόμετρα ανά ώρα υπολογίζεται ως εξής:

ταχύτητα (km/h) = στροφές ανά λεπτό × περιφέρεια τροχού (m) × 60 ÷ 1.000

Παράδειγμα: 1.260 στροφές ανά λεπτό σε έναν τροχό περιφέρειας 0,8 m δίνουν 1.260 × 0,8 × 60 ÷ 1.000 ≈ 60 km/h, χωρίς φορτίο και θεωρητικά. Η πραγματική ταχύτητα θα είναι χαμηλότερη.

Το Kt: η ροπή ανά αμπέρ

Το Kt μετριέται σε Newton-meters ανά αμπέρ. Ένα μοτέρ με Kt 0,6 παράγει 0,6 N·m για κάθε αμπέρ ρεύματος φάσης. Με 100 A, παράγει 60 N·m.

Το Kv και το Kt περιγράφουν το ίδιο πράγμα από δύο πλευρές: τη δύναμη των μαγνητών και τον αριθμό των σπειρών στις περιελίξεις. Με συνεπείς μονάδες, συνδέονται με μια απλή σχέση:

Kt ≈ 9,55 ÷ Kv (Kt σε N·m/A, Kv σε στροφές ανά λεπτό ανά βολτ)

Με Kv 15, βρίσκουμε Kt περίπου 0,64 N·m/A. Ανάλογα με τις συμβάσεις μέτρησης των κατασκευαστών (τάση μεταξύ φάσεων ή ανά φάση, τιμή αιχμής ή ενεργός), αυτή η σχέση μπορεί να ποικίλλει κατά συντελεστή κοντά στο 1,2 έως 1,7: χρησιμοποιήστε το ως τάξης μεγέθους, όχι ως ακριβή τιμή.

High Speed ή High Torque: το ίδιο μοτέρ, διαφορετικά τυλιγμένο

Για το ίδιο περίβλημα και τους ίδιους μαγνήτες, μπορούμε να τυλίξουμε τον στάτη με περισσότερες σπείρες λεπτού σύρματος, ή λιγότερες σπείρες χοντρού σύρματος.

Σε ίδιο μέγεθος, και οι δύο περιελίξεις μπορούν να αποδώσουν συγκρίσιμη ισχύ: η μία την πετυχαίνει με μεγαλύτερη τάση και λιγότερο ρεύμα, η άλλη αντίστροφα. Η σωστή επιλογή εξαρτάται από την τάση της μπαταρίας, από το τι μπορούν να παρέχουν σε ρεύμα ο ελεγκτής και η μπαταρία, και από τη χρήση: επανεκκινήσεις και ανήφοροι, ή τελική ταχύτητα. Αυτή είναι η λογική των εκδόσεων High Speed και High Torque στα μοτέρ ηλεκτρικών πατινιών μας.

Οι πόλοι: η ηλεκτρική συχνότητα

Un μοτέρ έχει έναν ορισμένο αριθμό ζευγών μαγνητικών πόλων, δηλαδή ζευγών βόρειου και νότιου μαγνήτη στον ρότορα. Σε κάθε μηχανική περιστροφή, το ρεύμα πρέπει να κάνει τόσους πλήρεις κύκλους όσοι είναι και οι πόλοι.

ηλεκτρική συχνότητα (Hz) = στροφές ανά λεπτό ÷ 60 × αριθμός ζευγών πόλων

Τα μοτέρ πλήμνης πατινιών έχουν πολλούς πόλους: αυτό τους δίνει ροπή σε χαμηλές ταχύτητες χωρίς μείωση. Σε αντάλλαγμα, ο ελεγκτής πρέπει να παράγει υψηλή συχνότητα σε υψηλές ταχύτητες, γεγονός που απαιτεί γρήγορο έλεγχο και επαρκή συχνότητα μεταγωγής.

Το λογισμικό ρύθμισης, όπως το VESC Tool, συχνά εμφανίζει την ταχύτητα σε ηλεκτρικές στροφές ανά λεπτό (ERPM): είναι η μηχανική ταχύτητα πολλαπλασιασμένη με τον αριθμό των ζευγών πόλων.

Τι να θυμάστε κατά την επιλογή κινητήρα

• Η ταχύτητα οροφής εξαρτάται από το Kv και την τάση: Kv × τάση, έπειτα ο τροχός.
• Η ροπή εξαρτάται από το Kt και το ρεύμα φάσης που μπορεί να στείλει ο ελεγκτής.
• Η θέρμανση εξαρτάται από το ρεύμα: ένα μοτέρ με χαμηλό Kt απαιτεί περισσότερο ρεύμα για την ίδια ροπή, άρα θερμαίνεται περισσότερο σε ίσια ροπή αν δεν είναι μεγαλύτερο.
• Ο ελεγκτής πρέπει να ακολουθεί σε ρεύμα φάσης και ηλεκτρική συχνότητα.

Συχνές ερωτήσεις

Πώς να μετρήσετε το Kv του μοτέρ σας;

Γυρίστε το μοτέρ χωρίς φορτίο, με τον τροχό σηκωμένο, σε γνωστή τάση και μετρήστε την ταχύτητα περιστροφής του· το Kv είναι ο λόγος των δύο. Οι ρυθμιζόμενοι ελεγκτές όπως το VESC το υπολογίζουν επίσης από την ανίχνευση του μοτέρ, βάσει της ροής των μαγνητών.

Ένα υψηλότερο Kv κάνει πάντα το πατίνι πιο γρήγορο;

Ανεβάζει την ταχύτητα οροφής, αλλά απαιτεί περισσότερο ρεύμα για την ίδια ροπή. Εάν η μπαταρία ή ο ελεγκτής δεν ακολουθούν σε ρεύμα, το μηχάνημα θα είναι πιο αργό στην επιτάχυνση και μπορεί να κόψει. Το κέρδος είναι πραγματικό μόνο εάν όλη η αλυσίδα είναι σωστά διαστασιολογημένη.

Γιατί τα μοτέρ πλήμνης έχουν τόσους πολλούς πόλους;

Επειδή κινούν τον τροχό απευθείας, χωρίς μείωση. Πολλοί πόλοι δίνουν ισχυρή ροπή σε χαμηλές ταχύτητες σε ένα επίπεδο και μεγάλης διαμέτρου μοτέρ, ακριβώς αυτό που χρειάζεται σε έναν τροχό.