Att växla eller inte växla

Motor utan reduktion, bra idé?

Att sätta motorn direkt på propelleraxeln har varit själva grundidén i vårt bygge. Så få delar som möjligt, ingen växel för ökad verkningsgrad och minskat oljud. Elmotorn lämnar fullt vridmoment redan vid start så detta borde bli bra. Jag har dock haft en växel med i åtanke när jag byggt grejerna så det finns både plats fysiskt ombord och mentalt - att en växel kanske behövs. Vid årets första seglingstur nyligen körde vi en del motor och under lite tuffare förhållanden, detta gav mig en tankeställare och nu passade jag på att verkligen förkovra mig i alla detaljer kring varvtal, moment, effektkurva etc. Här kommer en sammanställning över vad jag kommit fram till. Det blir både matte, mekanik och ganska ingående. 

Varvtal och vridmoment

Dessa två parametrar bestäms förenklat av motorns lindningar och diameter. För borstlösa permanentmagnetsmotorer (BLDC, vilket är en sådan vi har) brukar normalt gälla att motorer med stor diameter ger stort vridmoment men lägre varv och motorer med mindre diameter högre varv och lägre moment. Man kan lätt förställa sig att hävstångseffekt invändigt blir större med stigande diameter.

Varvtal = spänning

En motor som är lindad för 48 V går även att köra på lägre spänning, vilket då resulterar i ett lägre varvtal och därmed lägre effekt eftersom effekten (W eller Nm/s) är en produkt av vinkelhastighet och vridmoment.

Vridmoment = ström = värme

Vridmomentet i motorn bestäms av strömstyrkan. Man kan därför nå samma vridmoment oavsett spänning, genom att ändra strömstyrkan. Ökande vridmomentet och därmed strömuttag är det som gör att motorn och styrdonet blir varmt, speciellt när man överskrider motorn nominella vridmoment.

Effektkurva och växel

Även om vridmomentet för elmotorn är konstant är inte effekten det. Vår elmotor lämnar ut maximal effekt vad ungefär 3400 varv / minut, vilket betyder att för att få ut max ur motorn kan den behöva växlas ner till ett varvtal passande en propeller.

Siffror från verkligheten

I vår nuvarande konfiguration är motorn direktkopplad på utgående axel och strypt till 1500 rpm vilket då blir det samma för propellern. Under seglingsturen här om helgen körde vi i motsjö och motvind på ca 6-7 m/s. Effektuttaget var ca 4 kW exakt vad varvtalet var vet jag inte men en bra bit i från max i alla fall, låt säga 800. Vid ett annat tillfälle har jag under kortare tester noterat en upptagen effekt på strax under 10 kW och då förmodligen fullt varv 1500. 

Den som kan sin mekanik ser direkt att dessa ekvationer inte går ihop, eftersom
p =  (Md * n) / 9550. Detta gör för de två olika fallen följande:

Så var finns den återstående effekten? Vänder vi på steken finns en ledtråd: Md = (9550 * p) / n.

I båda fallen är det utmatade momentet betydligt högre än motorns nominella på 29 Nm. Vid det här laget närmar sig motorn sitt kippmoment (eng. stall torque) på 81 Nm. För att få detta höga moment krävs mycket ström vilket är samma sak som värme. Detta förklarar varför att styrdonet efter en halvtimme på 4 kW var 75º C. Värmeförlusten i det här fallet beror på sänkt verkningsgrad till följd av att motorn överlastas.

Värme

Elektronik i allmänhet och elmotorer i synnerhet mår bra av att gå kalla. När elektriskt ledande material som t.ex. koppar blir varmt minskar dess förmåga att leda ström, vilket i sin tur leder till ännu mer värme. Inuti elmotorn är det dessutom andra saker som händer när det blir varmt. Det magnetiska flödet minskar med stigande temperatur. Vid rimliga temperaturer återfår magneterna sin kraft när de svalnar men om de utsätts för höga temperaturer under en längre tid förlorar de viss magnetism. Utöver detta finns problemet med att isoleringen av lindningarna kan smälta. Nu skall det noga påpekas att motorn i sammanhanget inte blir speciellt varm alls, på sin höjd ljummen. Det är i styrdonet värmen kommer. 

I programmet som används för att programmera styrdonet finns tre tröskelvärden för motor-temperatur; 120º C, 130º C och 150º C. Där de två första innebär att styrdonet stryper strömmen och vid det sista värdet stängs motorn av helt, för att skydda den från överhettning. Hur jag än letade hittade jag ingen information om vilket temperaturområde som anses normalt för styrdonet eller om även det har liknande tröskelvärden. Jag hittade en del information på nätet om andra som gjort liknande konverteringar där styrdonet stängt av helt vid 100º C. Jag vände mig då till Tobias på VELA Solutions i Tyskland, där jag köpt motorn. Han återkopplade med vändande post att han skulle undersöka saken. Efter någon dag kom svaret "the controller temperature is a little high, control it below 65 degrees is better. It's better to install a cooling system.".

Varför växla ner?

Genom att växla ner motorn når den sitt effektivaste varvtal och propelleraxelns vridmoment ökar. Man kan också beskriva det som att det vridmoment motorn behöver alstra för att driva runt propellern minskar och därmed strömstyrkan och värmeförlusterna. Båten kommer bete sig på samma vis och nå samma hastighet eftersom effekten fortfarande är den samma men förlusterna minska. Resultatet borde bli ökad gångtid och därmed längre räckvidd.

Välja utväxling

För att kunna klura ut detta behöver man känna till optimalt varvtal för både propeller och motor.

Propellerns varvtal avgörs av vad för slags propeller det är, båtens storlek, deplacement och tänkt hastighet.

För att hitta motorns optimala varvtal behöver man titta på dess effektkurva, vilken jag plottat i den interaktiva grafen nedan. Där syns att motorn skall belastas på under 3500 1/min för att kunna leverera 10 kW, högre varv ger lägre effekt.

Med vår nuvarande propeller, en fast trebladig på 14" x 10" är 1300 1/min lagom för strax under deplacementfart, vilket ger en utväxling på 1:2,7 eller om man vill ha lite reserv uppåt, 1:2,5. Växelberäknaren nedan är interaktiv, så att ni som besökaren kan experimentera med olika varvtal.