Cały czas zadaje się nam pytanie: „Jaka jest moc znamionowa tego silnika”. Jest to pytanie zarówno wnikliwe, jak i irytujące. Powodem, dla którego nie mamy prostego poziomu mocy dla każdego silnika lub zestawu, jest to, że nie ma standardowego ani nawet spójnego sposobu zapewnienia numerycznej „mocy znamionowej w watach” dla układu silnika. Jeśli chcesz poznać odpowiedź na to pytanie, to zapraszamy do zapoznania się z poniższym pełnym opisem technicznym.
Jak podawana jest moc zmianowa silników?
Sam silnik na liście różnych dostawców podawany jest jako 250 watów, 500 watów i 1000 watów i istnieje uzasadnienie dla wszystkich tych liczb. To sprawia, że odrębna moc znamionowa dostawcy lub producenta jest dość bezsensowną wartością przy wyborze, lub porównywaniu konfiguracji. Zamiast tego podajemy zakres rzeczywisty (np. 250–500 watów, 600–1200 watów itp.), w którym silnik jest zwykle używany, oraz udostępniamy przydatne i dokładne narzędzie do symulacji silnika, które pokaże dokładną moc wyjściową dla dowolnej kombinacji silnik, sterownik i akumulator; nie tylko jako dowolną pojedynczą liczbę, ale w całym zakresie prędkości pojazdu.
Jest to znacznie bardziej cenne dla zrozumienia wydajności systemu. Możesz zobaczyć takie rzeczy, jak szczytowa moc wyjściowa, moc wyjściowa przy przewidywanej prędkości podróżnej pod dowolnym wzniesieniem lub typem pojazdu oraz to, czy silnik może być podatny na przegrzanie przy danym obciążeniu.
Jest to sprytne, ponieważ przede wszystkim konkretna moc wyjściowa silnika do roweru elektrycznego (w watach) dokładnie określa, jak e-rower będzie działał i poradzi sobie w danej sytuacji. 600 watów mocy mechanicznej sprawi, że rower będzie zachowywał się tak samo, niezależnie od tego, czy pochodzi z małego silnika z przekładnią w piaście, masywnego silnika z piastą z napędem bezpośrednim, silnika z napędem środkowym, czy też z gigantycznego podmuchu tylnego wiatru. Jeśli potrzebujesz 600 watów mocy, aby wjechać na określone wzniesienie z określoną prędkością, ale twój silnik jest w stanie wytworzyć tylko 300 watów, to albo będziesz musiał uzupełnić niedobór nogami, albo twój rower będzie zwalniał, bo potrzebne jest tylko 300 watów.
Rzeczywisty wat to wat mocy, niezależnie od tego, skąd pochodzi.
Czy więcej watów zawsze oznacza większą moc?
Kuszące jest myślenie, że jeśli Twój przypadek użycia wymaga 600 watów mocy mechanicznej, to powinieneś kupić silnik o mocy co najmniej 600 watów, proste, prawda, wat to wat? A jeśli jedna firma sprzedaje zestaw o mocy 750 watów, będzie on mocniejszy niż inny zestaw o mocy 500 watów, prawda? Ale jest problem i to właśnie wtedy nasze wysiłki w wyjaśnianiu ludziom rzeczy stają się irytujące.
Chociaż rzeczywisty wat to rzeczywisty wat, NIE ma czegoś takiego jak „wat znamionowy” ani żadna standardowa metoda oceny mocy silnika ebike. To prawda, niezależnie od tego, co sugerują inne firmy. W przypadku większości urządzeń elektrycznych termin moc znamionowa ma bardzo jasne znaczenie. Podobnie jak 60-watowa żarówka, można policzyć, że po włączeniu pobiera 60 watów mocy. Grzejnik o mocy 1500 W wytworzy 1500 W ciepła, niezależnie od marki i modelu, którego używasz.
Silniki elektryczne nie wytwarzają stałej mocy po włączeniu. Jeśli uruchomisz silnik z kołem nad ziemią, będzie on obracał się z pełną prędkością i nie będzie wytwarzał mocy. Gdy następnie obciążysz silnik oporem, zwolni on nieco i wytworzy moment obrotowy, a im bardziej go obciążysz, tym bardziej zwolni i tym wyższy będzie moment obrotowy i moc. W pewnym momencie, gdy będziesz kontynuować ładowanie i zwalniać silnik, moc wyjściowa zacznie spadać. Mimo że moment obrotowy wciąż rośnie, niższe obroty oznaczają, że wytwarzana moc mechaniczna spada. Jeśli całkowicie zgaśniesz silnik, może on wytwarzać ogromny moment obrotowy, ale wytwarza zerową moc wyjściową.
Gdy silnik jest obciążony w ten sposób w celu wytworzenia energii, pobiera on również więcej prądu elektrycznego przez uzwojenia silnika. Prąd ten odpowiada za większość ciepła wytwarzanego wewnątrz silnika, ponieważ miedziane uzwojenia mają opór elektryczny. Jeśli podwoisz prąd płynący przez uzwojenia, aby uzyskać dwukrotnie większy moment obrotowy i moc silnika, wówczas ilość generowanego ciepła miedzi zwiększy się czterokrotnie (zależność I2R).
Przykład gotowanego stojana silnika piasty
Ciepło to oczywiście powoduje nagrzewanie się silnika. Silniki to duże, ciężkie kawałki metalu, więc mogą być narażone na krótkotrwałe nagrzewanie się i nie zwiększać zbytnio temperatury. Jeśli jednak ciepło w uzwojeniach silnika będzie nadal gromadzić się szybciej, niż może zostać odprowadzone do powietrza na zewnątrz, istnieje ryzyko, że silnik nagrzeje się do tego stopnia, że izolacja spali miedzianą emalię, nylonowe przekładnie zmiękną i zetrą się lub magnesy zaczną się rozmagnesowywać. W tym momencie „spaliłeś” lub „ugotowałeś” silnik. To, czy tak się stanie, zależy nie tylko od natężenia prądu przepływającego przez silnik, ale także od czasu, przez jaki wysokie prądy silnika utrzymują się.
Różnica między mocą a momentem obrotowym
Należy pamiętać, że to nie moc wyjściowa, ale wyjściowy moment obrotowy silnika powoduje jego nagrzewanie się i ostatecznie awarię. Jeśli nie pamiętasz lekcji fizyki w szkole średniej, moment obrotowy jest rotacyjną miarą siły, tj. jak mocno coś jest przekręcone. Mierzy się ją jako iloczyn siły razy długość ramienia dźwigni.
Moc natomiast jest miarą szybkości wykonywania pracy. Aby siła skręcająca zadziałała, musi coś kręcić, a im szybciej się obraca przy danym momencie obrotowym, tym więcej pracy wykona. Moc jest iloczynem momentu obrotowego razy prędkość wirowania, a w jednostkach SI, gdzie mierzy się moment obrotowy w Newtonometrach i prędkość obrotową w Rad/s, to jest proste:
Moc w watach = moment obrotowy
Jeśli mierzysz prędkość w obr./min, moc wyjściowa wynosi
Moc w watach = moment obrotowy * obr./min. * 2Pi/60 ~ moment obrotowy * obr./min. * 0,104
Przykład – silnik wytwarzający moment obrotowy 20 Nm i obracający się przy 100 obr./min generuje moc 209 watów. Ten sam silnik wytwarzający moment obrotowy 20 Nm przy 300 obr./min wytwarza 628 watów. Załóżmy, że 20 Nm to maksymalny moment obrotowy, jaki ten silnik może wytworzyć bez ryzyka przegrzania. Czy teraz nazywacie go silnikiem o mocy 200 W? czy silnik o mocy 600 W?
Dlaczego moc znamionowa silnika to nie wszystko?
Jest to jeden z powodów, dla których znamionowe moce silników mogą występować na całej mapie. Ostatecznie to moment obrotowy, a nie moc, powoduje przegrzanie silnika. Aby przeliczyć maksymalny moment obrotowy na moc znamionową, należy również określić prędkość obrotową, przy której wybrano tę wartość znamionową. Jednak izolowane silniki elektryczne z magnesami trwałymi z natury nie mają prędkości obrotowej, przy której się obracają, będą miały stałą uzwojenia RPM/V. To połączenie tej stałej uzwojenia i napięcia akumulatora określa, jak szybko silnik będzie mógł się obracać w danej konfiguracji.
Jeśli więc określisz zarówno silnik, jak i napięcie, możesz ubiegać się o znamionową prędkość obrotową. Ale jeśli mówisz tylko o samym silniku, nie ma on wewnętrznej prędkości obrotowej, ten sam silnik może pracować szybko lub wolno, zmieniając przyłożone napięcie, i bez żadnych domniemanych obrotów, przy których uruchamiasz silnik, nie ma sposobu, aby rozmawiać ile energii może wytworzyć.
Zamiast mówić o mocy maksymalnej, zamiast tego porównujesz moc ciągłą, którą silnik może generować w nieskończoność bez przegrzania. Wtedy ludzie nie mogliby po prostu umieścić wysokoprądowego sterownika silnika i akumulatora wysokiego napięcia na dowolnym silniku i nazwać go zestawem o mocy 3 kW.
Kluczowe czynniki wpływające na wydajność silników rowerowych
Ponownie, to nie moc silnika powoduje przegrzanie silnika, ale moment obrotowy silnika, więc aby porównać systemy w równym stopniu, nadal konieczne byłoby określenie prędkości obrotowej silnika. Jedną z opcji byłoby porównanie wszystkich silników w piaście przy prędkości roweru 26-calowego, przy dopuszczalnej na drodze dopuszczalnej prędkości 32 km/h (20 mil/h), czyli około 250 obr./min. Następnie można przeskalować tę ocenę do rzeczywistej prędkości pojazdu. Jeśli silnik ma wytwarzać 500 watów w sposób ciągły przy prędkości 30 mil na godzinę, to jeśli uruchomisz go z prędkością 30 mil na godzinę, wiesz, że będzie w stanie wytworzyć co najmniej 750 watów w sposób ciągły, a przy powolnym rowerze z prędkością 10 mil na godzinę można założyć, że będzie to 250 watów w trybie ciągłym Jeśli założysz mniejsze koło o średnicy 20 cali, to nawet przy prędkości 30 km/h będzie to 650 W, a nie 500 W ze względu na wyższe obroty koła.
Osiągnięcie przez silnik piasty równowagi temperaturowej w stanie ustalonym zajmuje DUŻO więcej czasu, niż mogłoby się wydawać większości ludzi, ponad 1-2 godziny, podczas gdy zwykle najdłuższe strome podjazdy, które faktycznie napotykasz na drodze, kończą się w czasie krótszym niż 5-10 minuty. Efektem końcowym jest to, że silniki będą miały znacznie niższą moc znamionową niż ta, jakiej zwykle poddaje się je ludzie, a byłaby to myląco niska liczba. Na przykład silniki MXUS ze stojanem o szerokości 45 mm są często sprzedawane jako silniki z piastą o mocy 5000 W. Przy 250 obr./min rdzeń ostatecznie osiągnie temperaturę 100oC przy mocy wyjściowej wynoszącej zaledwie 800 W.
Istnieje duża swoboda w zakresie określanej temperatury przegrzania silnika. W praktyce większość silników lepszej jakości ma emalię wysokotemperaturową na miedzianych uzwojeniach i może wytrzymać wahania temperatury w zakresie 150-180 oC bez uszkodzeń. Jednak niewielu sugeruje, aby znamionowa ciągła temperatura rdzenia była tak wysoka. Co więc wybierasz, 100oC? 120°C? Wybór maksymalnej temperatury będzie miał duży wpływ na znamionową moc ciągłą.
Temperatura otoczenia
Temperatura otoczenia również ma duży wpływ. Zimą możesz biegać z większą mocą, jeżdżąc na rowerze w mroźnych warunkach, w porównaniu z upalnym latem, w którym temperatura wynosi 40°C. Różnica temperatur na zewnątrz wynosząca 40oC oznacza, że zimą można utrzymać wyższy poziom momentu obrotowego i prądu niż latem. Ciągła moc znamionowa musiałaby mieć również współczynnik obniżania wartości znamionowych w temperaturze otoczenia.
Mody chłodzące
Dodanie otworów wentylacyjnych w silniku i innych technik aktywnego chłodzenia może znacznie zwiększyć ciągły wyjściowy moment obrotowy silnika, jednocześnie zapobiegając przegrzaniu rdzenia silnika. Modyfikacje te nie zmieniają jednak w żaden sposób osiągów silnika w zakresie poziomów mocy szczytowej i sprawności dla danego sterownika i napięcia akumulatora. Zatem nawet jeśli mają wyższą moc ciągłą, nie wydają się działać lepiej w sposób, w jaki większość ludzi definiuje wydajność. Dodanie otworów wentylacyjnych zwiększy ciągłą moc silnika o ~40%, ale nie przypomina to zwiększenia mocy o 40% poprzez zastosowanie o 40% szerszego rdzenia silnika i o 40% dłuższych magnesów, a mimo to oba miałyby tę samą „ciągłą” moc znamionową .
Wnioski
- Silniki nie mają ustalonej mocy znamionowej. Trwała moc wyjściowa danego silnika zależy w dużej mierze od prędkości obrotowej, z jaką się on obraca. Przy wyższych obrotach dany silnik może wytworzyć większą moc.
- Silniki mogą przez krótki czas wytrzymać znacznie większą moc, niż są w stanie utrzymać w sposób ciągły, a ta krótkotrwała moc zwykle wystarcza, aby dostać się na szczyt stromego wzgórza.
- Kiedy firmy zajmujące się rowerami elektrycznymi mówią o mocy silnika, nie ma żadnej normy określającej, czy jest to moc znamionowa ciągła, szczytowa moc wyjściowa, szczytowa moc wejściowa, czy coś wybitego na produkcie w celu zapewnienia zgodności z prawem. Kiedy Energy-bike mówi o znamionowej mocy silnika, traktujemy ją jako coś w rodzaju ogólnego rzędu wielkości.
- Z pewnością istnieją silniki o większej i mniejszej mocy, ale nie polegaj na jednej liczbie, aby uchwycić to w ustandaryzowany sposób. Najlepiej byłoby, gdyby producenci silników dostarczyli pełne dane na temat nagrzewania się silników w różnych sytuacjach obciążenia i zasugerowali ciągły i szczytowy moment wyjściowy, ale biorąc pod uwagę, jak rzadko można znaleźć nawet podstawowe specyfikacje, takie jak rezystancja uzwojenia KV.
