При сборке и тюнинге кастомного электротранспорта вопрос выбора привода достаточно сложен и для многих непонятен. В большинстве случаев мощность и тягу проверяют уже после сборки, ориентируясь на собственные ощущения. Производители дают минимум характеристик, а порой врут и преувеличивают. Разнообразие моторов тоже вводит в ступор: они бывают в виде мотор-колёс, с редукторами, с ременным и цепным приводом. Как в этом разобраться и понять, какой вариант оптимален?
В данной статье я расскажу, как оценить номинальную мощность двигателя в составе электротранспорта. Дам необходимый минимум теории для понимания физических процессов, происходящих в двигателе. Расскажу, как и какие измерения необходимо провести для оценки мощности.
Оценка номинальной мощности позволит вам использовать двигатель в разумных пределах для его длительной эксплуатации без перегрева. Это также позволит сравнить два двигателя и выбрать из них тот, у которого больше потенциал.
Теория
В первую очередь мощность двигателя ограничена его нагревом и тепловыми потерями. Основные потери в электродвигателе складываются из потерь на перемагничивание сердечника статора и потерь в обмотке.
Потери на перемагничивание
Потери на перемагничивание пропорциональны скорости вращения двигателя; они одинаковы на холостом ходу и при работе под нагрузкой. Данный тип теплопотерь важен для обеспечения максимального КПД привода и эффективности электротранспорта, но мы будем делать упрощённую оценку, и эти потери измерять и учитывать не будем.
Потери в обмотках
Потери в обмотке (Pw) пропорциональны квадрату тока и сопротивлению обмотки: Pw = I² ⋅ R. При этом ток также пропорционален моменту и, как следствие, мощности на валу двигателя. Исходя из этого, можно сделать вывод, что мощнее будет тот мотор, который создаёт больший момент на единицу тока и имеет меньшее сопротивление обмотки.
За эффективность преобразования электрической энергии в механическую отвечает параметр Kv — константа скорости мотора.
Константа скорости
Параметр Kv [об.мин/В] — это константа скорости мотора. Данный параметр задаёт связь между напряжением и максимальными оборотами двигателя без нагрузки. Для его расчёта нужно дать полный газ на холостом ходу, замерить обороты и разделить их на напряжение батареи. Если у двух двигателей будет равное сопротивление обмотки, то двигатель с меньшим Kv будет мощнее.
Добавим к мотору понижающий редуктор и посчитаем Kv на его выходном валу — он уменьшится. Значит ли это, что мотор с редуктором станет мощнее? Да (в разумных пределах), так как мощность пропорциональна моменту и оборотам (P ~ M ⋅ RPM). При добавлении редуктора обороты двигателя повысятся, что приведёт к росту мощности при сохранении момента на валу двигателя. Ток двигателя и потери в обмотках пропорциональны моменту и также останутся неизменными. Получается, мы получим больше мощности при тех же теплопотерях в обмотках.
На электротранспорте моторы бывают прямого привода, редукторные мотор-колёса, с приводом через цепь и т.д. Чтобы не запутаться в редукции и типе привода, я предлагаю перейти от оборотов непосредственно к скорости транспорта и от Kv [об.мин/В] перейти к KV [(км/ч)/В].
Скоростная или тяговая обмотка
Существует заблуждение, что мотор можно сделать тяговым или скоростным, поменяв обмотку. При увеличении числа витков мы действительно получим больший момент при меньшем токе, но при этом возрастёт и сопротивление обмотки. В результате предельный по теплопотерям момент мотора на «тяговой» и «скоростной» обмотке окажется одинаковым.
Изменяя обмотку, мы лишь меняем соотношение между напряжением и током, что позволяет скорректировать неудачный выбор напряжения батареи или тока контроллера. Однако таким способом невозможно изменить предельные характеристики мотора по мощности и моменту.
Оценка мощности
Для сравнения двух двигателей рассчитывается константа — постоянная двигателя. Эта величина является инвариантом: она не связана с числом витков обмотки и со встроенной в мотор редукцией. Постоянная двигателя показывает, какой двигатель даст больше мощности при одинаковых теплопотерях в обмотке.
Я записал постоянную двигателя в более удобном для нас виде и добавил эмпирический коэффициент, чтобы при расчёте получалась величина, близкая к номинальной мощности двигателя в ваттах. На самом деле постоянная двигателя имеет размерность [Н·м/√Вт].
P ≈ 6000 / (Kv · √R) — оценка номинальной мощности в ваттах.
либо
P ≈ 8500 / (Kv · √Rpp) — для сопротивления фаза-фаза (2-х фаз).
Данная оценка строится на том, что двигатели лёгкого электротранспорта (250-3000 Вт) имеют примерно одинаковые габариты и условия охлаждения. Это позволяет не просто сравнить два двигателя, а сразу получить численную оценку.
В данной формуле:
Kv — константа скорости в [км/ч/В],
R — сопротивление фазы мотора в [мОм],
Rpp = 2R — сопротивление между двух фаз.
Измерения
Для расчёта нам нужно измерить константу скорости KV и сопротивление фазы двигателя R.
Измерение KV
Для измерения Kv нам нужно вывесить приводное колесо, нажать на полный газ и замерить скорость в км/ч.
Скорость можно измерить различными способами: велокомпьютером либо, используя камеру замедленной съёмки в телефоне, посчитать количество оборотов в секунду и рассчитать скорость в км/ч через диаметр колеса. Затем полученную скорость нужно разделить на текущее напряжение батареи:
KV = скорость [км/ч] / напряжение [В]
Измерение сопротивления
Сопротивление фазы двигателя электротранспорта обычно составляет десятки миллиом, и его нельзя измерить обычным мультиметром, так как реальное значение меньше погрешности прибора. Измерение можно провести четырёхточечным методом с помощью лабораторного источника питания либо специальным прибором — миллиомметром, который сейчас можно недорого приобрести на AliExpress.
Для измерения с помощью блока питания необходимо подать на две фазы мотора ток I = 1–10 А и в этот момент измерить мультиметром напряжение на фазах V [мВ]. Сопротивление фазы рассчитывается по формуле:
R [мОм] = V [мВ] / I [A] × 0.5
Пример
Для примера я оценю мощность моего велосипеда с центральным мотором и для мотор-колеса прямого привода размером 20 дюймов.
Для велосипеда я измерил скорость через экран контроллера. Получилось 75 км/ч при 77 В.
KV = 75 / 77 = 0.97 км.ч/В
Сопротивление фазы я измерил миллиомметром: R = 27 мОм.
Итог:
P ≈ 6000 / (0.97 × √27) = 1190 Вт
Для мотор-колеса я измерил частоту вращения лазерным тахометром и рассчитал скорость через радиус колеса (26 см). Получилось 21 км/ч при напряжении 30 В от настольного БП.
KV = 21 / 30 = 0.7 км.ч/В
Сопротивление фазы: R = 280 мОм.
Итог:
P ≈ 6000 / (0.7 × √280) = 511 Вт
Для моего двигателя получилось 1190 Вт при заявленных 2000 Вт, а для мотор-колеса — 511 Вт при заявленных 500 Вт. Почему в первом случае такая большая разница? Наш метод оценки не учитывает конструктивных особенностей мотора. У моего мотора теплостойкие магниты на 150 градусов и обмотка на 200 градусов, к тому же у мотор-колеса теплоотвод от статора значительно хуже.
Зная эти особенности, можно скорректировать оценку. Я подбирал коэффициент 6000 таким образом, чтобы он давал более точный результат для мотор-колёс, так как они более распространены. Даже при такой оценке видно, что мотор-колесо слабее более чем в два раза, хотя визуально оно кажется массивным и мощным.
Комментарии (14)
Erop_M
25.10.2025 04:00Добавим к мотору понижающий редуктор и посчитаем Kv на его выходном валу — он уменьшится. Значит ли это, что мотор с редуктором станет мощнее? Да (в разумных пределах), так как мощность пропорциональна моменту и оборотам (P ~ M ⋅ RPM).
Вот это поворот! Вот же он, наконец, сверхъединичный КПД! Да, а [разумные пределы] — это физическое понятие или математическое? Ну а если без сарказма..
Выходная мощность любого двигателя рассчитывается как Pвыx = τ × ω, где τ — выходной момент, а ω — угловая скорость (рад/с). Добавили понижающий редуктор — уменьшили угловую скорость и во столько же (за вычетом потерь на редукторе, разумеется) увеличили момент. Мощность упала (без вариантов) из-за потерь в редукторе. Добавление редуктора только перераспределяет скорость и момент, не более. И да, мощность связана скорее с Kt, чем с Kv двигателя..
HOMPAIN Автор
25.10.2025 04:00Я постарался максимально просто объяснить основные принципы с минимумом формул. Основной посыл тут в том, что добавление редуктора снижает потери в медной проволоки при той же скорости и тоже моменте на выходном валу. Естественно при этом добавляю другие потери и таже мы не можем увеличивать скорость двигателя(до редуктора до бесконечности), но конкретно в формате электровелика это не так важно. Если взять редукторное мотор колесо(с редукцией 1:4) и мотор колесо прямого привода в тех же габаритах, то разница по мощности будет колоссальна в пользу редукторного двигателя.
Kt связывает момент двигателя и фазный ток, эти величины достаточно сложно померить простому пользователю, Kv в этом плане гораздо проще. Кроме того, эти величины связаны между собой и для грубой оценки не принципиально что использовать.
Erop_M
25.10.2025 04:00Если взять редукторное мотор колесо(с редукцией 1:4) и мотор колесо прямого привода в тех же габаритах, то разница по мощности будет колоссальна в пользу редукторного двигателя.
Вы уверены, что хорошо понимаете разницу мощности и момента?
Если взять один и тот же двигатель, и измерить мощность на валу двигателя, и на валу редуктора, то (за вычетом потерь в редукторе) мощность будет одна и та же. Но поскольку не существует редукторов с КПД=1, мощность редукторного двигателя всегда немного ниже. Без вариантов. Хотя на деле, конечно, нюансы есть. Если попытаться вертеть тихоходный двигатель на высоких оборотах, или высокоскоростной — на минимальных, мощность заметно просядет. Потому что хотя зависимость по формуле там линейная, но немножечко нелинейная. Но это обусловлено конструктивным особенностями двигателя и контроллера, но никак не наличием или отсутствием редуктора..
HOMPAIN Автор
25.10.2025 04:00Вы в какие-то дебри ушли и сами запутались. По вашей логике надо прямо на ось колеса мотор ставить без всяких редукторов и будет максимальная мощность. Но при этом некоторые даже двойное понижение делают (например, на суроне).
КПД редуктора на электровелосипеде никакой роли не играет, в них потери ничтожно малы по сравнению с потерями в статоре и обмотке мотора, в первую очередь надо минимизировать их.
Erop_M
25.10.2025 04:00Просто разберитесь, что такое момент силы, а что такое мощность. Тогда вы поймёте, в чём ваша ошибка. Из Википедии:
Электродвигатель c мощностью на валу 1 кВт способен ежесекундно передавать посредством вращения 1 кДж механической энергии, что хватает для подъёма груза массой около 100 кг на высоту 1 метр за 1 секунду.
Ровно та же мощность нужна, чтобы поднимать 10кг на 10м за ту же секунду. А вот моменты силы нужны разные.
Касательно того, зачем ставят редукторы в электродвигатели. Любые двигатели наиболее эффективно работают в некотором диапазоне [оборотов]. В среднем для лёгкого электротранспорта это 500.. 5000 об/мин. Можно вертеть вал и со скоростью 10 об/м, но чтобы получить мало-мальски приличную мощность (например, тронуться с места) момент силы должен быть огромным. При увеличении момента токи (а с ними и тепловые нагрузки) пропорционально возрастают, нужны совсем другие линии питания. Поэтому проще поставить редуктор (и потерять немного мощности на нём), но крутить двигатель на 2000.. 4000об/м, чем использовать провода 20мм² (условно) и снимать с батарей сотни ампер.
Но если двигатель вращает, например, винт условного коптера, то там 5..10 тысяч может быть и маловато, там редуктор если и встретишь, то скорее повышающий. Просто потому, что там не нужна "тяга на низах". Мощность моторов больших коптеров может быть сотни и тысячи ватт, но на старте его (винт) спокойно можно удерживать рукой — потому что момент там никакой.
Извините, но на этом у меня всё. Больше заниматься ликбезом не буду — всё есть в учебниках (а теперь и в нейросеточках).
HOMPAIN Автор
25.10.2025 04:00Вы не поняли смысл статьи. Я хотел для широкого круга пользователей и самодельщиков объяснить механизм сравнения и выбора электропривода. Измерения должны максимально простыми, что бы можно было их повторить без специального оборудования.
Ваши рассуждения требуют измерения на диностенде для нахождения режима гипотетической максимальной мощности на каких-то оптимальных оборотах. При этом этот режим скорее всего не будет реализуем в трансмиссии электровелосипеда. Ещё надо потери в редукторе как-то учесть. Для конструкторского бюро это правильный подход, но для простых пользователей непригоден.
Erop_M
25.10.2025 04:00Я совсем не против того, чтобы упрощать там, где это уместно. Я здесь тоже давал выкладки школьные, а не универские. Но я категорически не согласен с "упрощениями", которые противоречат учебнику физики за старшие классы. Поменяйте мощность на момент силы, и вопросов не будет. А лучше разберитесь сами с этими понятиями и упростите их для "обывателя" (хотя камон, это хабр, а не Пикабу), но без извращения понятий. И перлов о том, что мотор с редуктором мощнее мотора без оного..
HOMPAIN Автор
25.10.2025 04:00Момент чего? Колеса, вала редуктора, вала двигателя? А если на одном велосипеде колесо 20 диаметра, а на другом 26ого, как их сравнивать по моменту?
Мощность P=F*V (сила на скорость), она определяет характеристики транспорта независимо от конструкции и по ней можно сравнивать.
У мотора с редуктором меньше потерь в обмотке на тех же оборотах. Если пренебречь другими потерями, это не говорит о том, что мотор с редуктором мощнее?
Erop_M
25.10.2025 04:00А если на одном велосипеде колесо 20 диаметра, а на другом 26ого, как их сравнивать по моменту?
Согласен, тут без учебника физики класс эдак за девятый-десятый — никак. Если вы даже с такой задачей справиться не можете, я тут умываю руки..
Мощность P=F*V
Аллилуйя, осилили! Но это про линейную кинематику, читайте дальше, там будет про вращение, момент силы и угловую скорость. И где-то ещё через страничку вы дойдёте до той формулы, которую я указал выше (из школьного учебника, если вы не пропускали физику).
У мотора с редуктором меньше потерь в обмотке на тех же оборотах. Если пренебречь другими потерями, это не говорит о том, что мотор с редуктором мощнее?
В общем случае не говорит. Потому что на максимальных оборотах (и сверх того), потери в редукторе, в меди и на перемагничивание окажутся существенно выше, чем у такого же двигателя без редуктора. Зато по моменту наличие редуктора даёт совершенно однозначную интерпретацию.
В общем, я заканчиваю этот диалог. Хотите держаться за своё невежество (прикрываясь упрощением) — кто я такой, чтобы вам это запрещать? Всего доброго! Надеюсь, следующие ваши статьи будут лишены подобных ляпов.
HOMPAIN Автор
25.10.2025 04:00Потому что на максимальных оборотах (и сверх того), потери в редукторе, в меди и на перемагничивание окажутся существенно выше, чем у такого же двигателя без редуктора.
В статье написал, что рассматриваются только потери в обмотку, тут ещё раз указал. Опять потери в редукторе...
Хотите держаться за своё невежество (прикрываясь упрощением)
Зачем вы меня оскорбляете? Вы ничего своими сообщениями не принесли, что со своим момент собрались и зачем он тут нужен не написали.
Я написал в статье в рамках каких допущений я веду свои рассуждения и делаю выводы. Вам лень это понять, вы просто начали спорить не разобравшись в вопросе.
arthuru1
25.10.2025 04:00По моему автор прав, кпд электромтора это горб, редуктор с правильно подобранным коэффициентом позволяет перевести обороты мотора в наиболее оптимальную зону "горба"
DenisYahnovec
А можно ли данное колесо добавить в автомобиль, например когда включаешь нейтралку можно было бы поддерживать скорость авто именно за счет электро двигателя, электроколеса, которое питалось бы от аккамулятора или генератора, именно при езде на нейтралке
Хватит ли этой мощности?
Ведь например еду я с 60-100 км по трассе, по ровной или с горки, и мне нужно преодолеть только сопротивление воздуха и шин, зачем же мне жать движок бензиновый на 2000-3000 оборотов когда электро справится гораздо легче с задачей поддержания скорости , т.е. я ухожу на нейтраль и даю питание на электро колесо, которое может крутить уже непросредственно основные колеса например задние.
HOMPAIN Автор
Есть у китайцев подобные колёса для авто. Но это так себе вариант, масса большая на колесе получается и для тормозов места не остаётся.
То что вы описали это концепция автомобиля-гибрида. В них электродвигатель встраивается в коробку передач и там он уже может гораздо интересней реализовать свой потенциал для помощи ДВС.
SebastianP
есть такое понятие подрессорная масса. Или по-простому почему есть магниевые диски