Kv, Kt i liczba biegunów: trzy parametry, które opisują silnik elektryczny
Dwa silniki o tej samej wielkości mogą zachowywać się bardzo różnie: jeden zapewnia dużą moc przy starcie, ale szybko osiąga swoje ograniczenia, podczas gdy drugi przyspiesza wolniej, ale osiąga wyższą prędkość maksymalną. Różnica wynika z dwóch stałych: Kv i Kt, oraz z liczby biegunów. Ten przewodnik wyjaśnia te parametry, wraz z przydatnymi obliczeniami do codziennego użytku.
Najważniejsze
- Wartość Kv wskazuje, ile obrotów na minutę (RPM) silnik wykonuje na jeden wolt, przy obciążeniu zerowym.
- Wartość Kt wskazuje, ile momentu obrotowego silnik generuje na amper. Jest to odwrotność wartości Kv, z pewnym współczynnikiem.
- Wysokie Kv zapewnia prędkość, a wysokie Kt zapewnia moment obrotowy: nie można osiągnąć obu tych cech w tym samym silniku.
- Liczba biegunów określa częstotliwość prądu, którą kontroler musi generować.
Kv: prędkość w obrotach na wolt
Wartość Kv wyrażana jest w obrotach na minutę na wolt. Silnik o Kv 15 obraca się, przy obciążeniu zerowym i bez strat, z prędkością 15 obrotów na minutę dla każdego wolt podanego napięcia. Przy pełnym naładowaniu akumulatora o napięciu 84 V, teoretycznie osiągnąłby maksymalnie około 15 × 84 = 1260 obrotów na minutę.
To jest maksymalna prędkość: pod obciążeniem, spadek napięcia w akumulatorze, przewody, uzwojenia, a także tarcie, obniżają tę wartość. To wyjaśnia, dlaczego akumulator o wyższym napięciu sprawia, że hulajnoga jest szybsza przy użyciu tego samego silnika, oraz dlaczego mówi się o osłabianiu strumienia magnetycznego, aby przekroczyć ten limit.
Od obrotów do prędkości hulajnogi
Dla silnika z kołem zintegrowanym (silnik w piaście), koło obraca się z prędkością silnika. Prędkość w kilometrach na godzinę obliczana jest w następujący sposób:
`prędkość (km/h) = obroty na minutę × obwód koła (m) × 60 ÷ 1 000`
Przykład: 1260 obrotów na minutę na kole o obwodzie 0,8 metra daje 1260 × 0,8 × 60 ÷ 1000 ≈ 60 km/h, w warunkach idealnych i teoretycznie. Rzeczywista prędkość będzie niższa.
Kt: moment obrotowy na amper
Wartość Kt jest wyrażana w niutonometrach na amper. Silnik o wartości Kt wynoszącej 0,6 Nm generuje 0,6 Nm momentu obrotowego na każdy amper prądu fazowego. Przy prądzie 100 A, generuje on 60 Nm.
Wartości Kv i Kt opisują tę samą cechę, ale z dwóch różnych perspektyw: siłę magnesów i liczbę zwojów uzwojeń. Przy użyciu spójnych jednostek, są one powiązane prostym wzorem:
`Kt ≈ 9,55 ÷ Kv` (Kt w jednostkach N·m/A, Kv w obrotach na minutę na wolt)
Przy wartości Kv wynoszącej 15, otrzymujemy wartość Kt około 0,64 N·m/A. W zależności od konwencji pomiarowych stosowanych przez producentów (napięcie między fazami lub na fazę, wartość szczytowa lub skuteczna), ten współczynnik może się różnić w zakresie od około 1,2 do 1,7: należy traktować tę wartość jako przybliżoną, a nie jako dokładną.
Wysoka prędkość lub wysoki moment obrotowy: ten sam silnik, ale z innym uzwojeniem
Dla tej samej obudowy i tych samych magnesów, można nawinąć uzwojenie statora, używając większej liczby cienkich drutów, lub mniejszej liczby grubych drutów.
| Więcej zwojów (wysoki moment obrotowy) | Mniej zwojów (tryb szybkiej jazdy) | |
|---|---|---|
| Kv | Niżej: mniejsza prędkość na volt | Wyżej: większa prędkość na jeden wolt |
| Który | Wyżej: większy moment obrotowy na amper | Niżej: mniejszy moment obrotowy na amper |
| Prąd potrzebny do uzyskania tego samego momentu obrotowego | Niższy | Wyższy |
| To, czego wymaga od kontrolera i akumulatora | Mniej prądu | Więcej prądu |
Przy porównywalnych rozmiarach, oba uzwojenia mogą generować podobną moc: jedno osiąga to przy wyższym napięciu i niższym prądzie, a drugie odwrotnie. Odpowiedni wybór zależy od napięcia akumulatora, od tego, jaki prąd może dostarczyć kontroler i akumulator, oraz od zastosowania: przyspieszenia i wzniesień, czy też prędkości maksymalnej. To jest zasada działania wersji High Speed i High Torque naszych silników do hulajnóg elektrycznych.
Pola: częstotliwość elektryczna
Silnik posiada określoną liczbę par biegunów magnetycznych, czyli par magnesów północnych i południowych na rotorze. Podczas każdego obrotu mechanicznego, prąd musi wykonać tyle cykli, ile wynosi liczba tych par.
`częstotliwość elektryczna (Hz) = obroty na minutę ÷ 60 × liczba par biegunów`
Silniki w osi hulajnóg elektrycznych mają dużą liczbę biegunów, co zapewnia im wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach, bez konieczności stosowania przekładni. W zamian, kontroler musi generować wysoką częstotliwość przy wysokich prędkościach, co wymaga szybkiego sterowania i wystarczającej częstotliwości przełączania.
Oprogramowanie do konfiguracji, takie jak VESC Tool, często wyświetla prędkość w obrotach elektrycznych na minutę (ERPM): jest to prędkość mechaniczna pomnożona przez liczbę par biegunów.
Oto, co należy wziąć pod uwagę przy wyborze silnika
- Maksymalna prędkość zależy od wartości Kv oraz napięcia: wartość Kv pomnożona przez napięcie, a następnie od rodzaju koła.
- Moment obrotowy zależy od wartości Kt oraz od natężenia prądu, które kontroler może dostarczyć do silnika.
- Nagrzewanie się silnika zależy od natężenia prądu: silnik o niskim współczynniku Kt wymaga większego prądu, aby osiągnąć ten sam moment obrotowy, dlatego nagrzewa się bardziej przy takim samym momencie obrotowym, jeśli nie jest większy.
- Kontroler musi monitorować prąd w poszczególnych fazach oraz częstotliwość elektryczną.
Często zadawane pytania
Jak zmierzyć wartość Kv silnika?
Uruchom silnik bez obciążenia, podnosząc koło, przy znanym napięciu, i zmierz jego prędkość obrotową. Wartość Kv to stosunek tych dwóch wartości. Sterowniki, takie jak VESC, również wyliczają tę wartość podczas procesu wykrywania silnika, na podstawie analizy pola magnetycznego.
Czy wyższa wartość Kv zawsze sprawia, że hulajnoga jest szybsza?
Zwiększa maksymalną prędkość, ale wymaga większego natężenia prądu, aby osiągnąć ten sam moment obrotowy. Jeśli bateria lub kontroler nie są w stanie dostarczyć wystarczającego prądu, urządzenie będzie wolniejsze podczas przyspieszania i może się wyłączyć. Zysk jest realny tylko wtedy, gdy wszystkie elementy systemu są odpowiednio dobrane.
Dlaczego silniki z koła mają tak dużą liczbę biegunów?
Ponieważ napędzają bezpośrednio koło, bez przekładni. Duża liczba biegunów zapewnia wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach w silniku o płaskiej konstrukcji i dużej średnicy, co jest idealne do zastosowania w kołach.