Подбор электромотора QS Motor под электромотоцикл: мощность, Kv, охлаждение

Цель руководства

Техническое руководство по выбору электродвигателя QS Motor для электромотоцикла: как подобрать мощность, Kv, оценить тепловой режим и совместимость с контроллером. Практичные формулы и чек‑лист для инженера/мастера.

Ключевые параметры мотора и базовые формулы

• Kv (rpm/V) — скорость без нагрузки: обороты в минуту на 1 вольт. Чем выше Kv, тем меньше крутящий момент на ампер (ниже Kt).
• Kt (Nm/A) — крутящий момент на ампер: Kt = 9.5493 / Kv (если Kv в rpm/V). Используйте Kt для расчёта тока по требуемому моменту.
• Мощность: P(W) = T(Nm) * ω(rad/s) = T * (2π * rpm / 60).
• Электрический ток для требуемого момента: I = T / Kt.

Важно разделять постоянную/континуационную и пиковую мощность/ток. Контроллер и батарея должны выдерживать непрерывный ток; кратковременные пики допустимы, но с учётом термала мотора и контроллера.

Как выбрать Kv и рабочее напряжение

• Определите целевую максимальную скорость и максимальные обороты колеса: rpm_wheel = (скорость м/с) / (2π * R).
• Подберите передаточное отношение редуктора/колеса: rpm_motor = rpm_wheel * gear_ratio.
• Напряжение батареи влияет на rpm: rpm_motor ≈ Kv * V_bus (в приближении без нагрузки). Выберите Kv так, чтобы при рабочем V_bus мотор выходил на требуемые rpm без превышения допустимого напряжения инвертора.

Пример: колесо диаметром 0.6 м (R≈0.3 m), целевая скорость 30 m/s (~108 km/h):

• rpm_wheel = 30 / (2π * 0.3) ≈ 15.9* ≈ 955 rpm
• Если gear_ratio = 4:1, rpm_motor ≈ 3820 rpm
• При V_bus = 72 V Kv ≈ rpm_motor / V ≈ 53 rpm/V

Вывод: для высоких скоростей выбирают низкий Kv и высокое напряжение или редукцию.

Расчёт требуемого момента и тока (практический)

Шаги:

1. Оцените силы на колесе: сопротивление качению, аэродинамика, уклон и требуемое ускорение.

2. Посчитайте момент на колесе: T_wheel = F_total * R_wheel.

3. Пересчитайте на вал мотора: T_motor = T_wheel / gear_ratio.

4. Ток мотора: I = T_motor / Kt.

Пример ускорения: требуется разгон 0–100 км/ч за 6 с для массы 200 кг (вкл. батарею и водителя):

• Ускорение a = Δv / t = 27.78 / 6 ≈ 4.63 m/s²
• Force for accel F_acc = m * a = 200 * 4.63 ≈ 926 N
• Допустим F_resist ≈ 200 N (аэрод., трение) => F_total ≈ 1126 N
• Колесный радиус 0.3 m => T_wheel ≈ 338 Nm
• Gear ratio 4:1 => T_motor ≈ 84.5 Nm
• Если выбрали Kv = 60 rpm/V => Kt = 9.5493/60 ≈ 0.159 Nm/A => I ≈ 84.5 / 0.159 ≈ 531 A

Значит, мотор и инвертор должны выдерживать ~530 A пик при этом профиле. Для непрерывной работы используйте коэффициент длительности (например 20% duty для пиков). Оцените тепловую способность мотора и контроллера.

Оценка теплового режима и варианты охлаждения

• Потери в обмотках: P_cu = I_rms^2 * R_phase. При больших I важна низкая фазная сопротивляемость.
• Магнитные потери и потери на инверторе также важны.
• Варианты охлаждения:
• Воздушное (пассивное/принудительное) — подходит для низкой/короткой непрерывной мощности.
• Жидкостное (водяное) — радиатор с водяной рубашкой: эффективно при высокой постоянной мощности.
• Масляное/сливное охлаждение статора — используется в тяжёлых применениях, обеспечивает равномерный теплоотвод.
• Проверяйте термокомплекс мотора: максимальная допустимая температура статора/магнитов, наличие датчика температуры (NTC/PTC). Задайте пороги в контроллере для ограничения тока по температуре.

Реальный выбор: для постоянной мощности свыше ~10–15 кВт рекомендуется жидкостное или масляное охлаждение.

Датчики и управление: Холл vs энкодер, FOC

• Холл-датчики: простая коммутируемая схема, пригодна для стартерных режимов и базовой работы. Необходимы для низких оборотов при бездатчиковом режиме.
• Энкодер (абсолютный/инкрементный): обязателен при точном FOC, рекуперации с контролем положения, при высоких нагрузках и динамике.
• FOC (Field-Oriented Control): требует точных данных о положении ротора (энкодер или качественная схема с холлами для векторной оценки). Обеспечивает максимальную эффективность и контролируемую регенерацию.

Контроллеры: Votol, Fardriver, Kelly и др. — проверяйте поддержку FOC, максимальный постоянный/пиковый ток, рабочее напряжение и интерфейсы (CAN, UART).

Совместимость и настройка контроллеров

Что задавать в контроллере при подключении QS Motor:

• Полюсные пары (pole pairs)
• Kv (информативно) и/или максимальные rpm
• Фазное сопротивление и индуктивность (для корректной работы FOC)
• Порядок фаз и последовательность холлов/энкодера
• Ограничения по току: continuous и peak
• Порог температуры мотора и инвертора
• Настройки регенерации и торможения

Подключение коммуникации: используйте CAN для телеметрии и BMS-интеграции; UART — для конфигурации и прошивки. Убедитесь, что BMS допускает заряд/разряд в заданном токе и синхронизирован с контроллером по CAN.

Практический чек‑лист при выборе мотора QS Motor

• Определите профиль: трек/спортивный, городской, туристический.
• Рассчитайте требуемую непрерывную и пик‑мощность.
• Выберите подходящий Kv под напряжение батареи и передаточное отношение.
• Проверьте Kt и рассчитайте ожидаемый ток при типичных нагрузках.
• Оцените систему охлаждения: воздушная/жидкостная/масляная.
• Подберите контроллер с поддержкой FOC, нужным током и интерфейсами (CAN, UART).
• Убедитесь в наличии датчиков (холлы/энкодер) и датчика температуры.
• Проверьте механическое крепление, вал, шпонку и совместимость с редуктором/ступицей.
• Рассчитайте проводку, предохранители, измерительные шунты и разъёмы.
• План тестов на стенде: холостой ход, динамическая нагрузка, длительная нагрузка для теплотеста.

Монтаж, безопасность и верификация

• Надёжно фиксируйте мотор и применяйте торцевые фиксаторы против осевого смещения.
• Применяйте соответствующие кабели (медь, сечением под рассчитанный ток) и качественные клеммы.
• Используйте измерение температуры статора и подшипников в процессе испытаний.
• При настройке контроллера постепенно увеличивайте ток, фиксируйте I_rms и температуру.
• Проводите проверку: крутящий момент на валу, КПД по нагрузочной характеристике, максимальная скорость при полном заряде.

Заключение

Выбор мотора QS Motor — баланс между Kv, Kt, рабочим напряжением и возможностью теплоотвода. Основные шаги: задать требования по скорости и ускорению, подобрать Kv и передаточное отношение, рассчитать ток и убедиться в способности системы отводить тепло. Обязательны корректная настройка контроллера (pole pairs, датчики, ограничения тока) и тестирование на стенде.