Drehmoment, Leistung, Geschwindigkeit
Was bedeuten die Motor-/Controller-Parameter, wie schnell ist der Motor und welche Kraft hat er? Diese Frage ist nicht einfach zu beantworten.
Die angegebenen Leistungen bei Controller und Motor beziehen sich auf die Nenndauerleistung der Komponenten. Diese wird unter fest definierten Betriebsbedingungen gemessen:
Ein Motor mit 250 Watt Nutzleistung an der Antriebswelle bei einer vom Hersteller empfohlenen Drehzahl darf während eines 30 minütigen Tests nur so viel Abwärme produzieren, dass die Motortemperatur nicht mehr als 20°C ansteigt – ausgehend von einer längeren Vortemperierung des Motors auf 25°C. In der Praxis kann der 250W-Motor mit deutlich höheren Leistungen betrieben werden.
Die maximale Drehzahl hängt von der Zahl der Magneten, von den Wicklungen und von der Betriebsspannung ab.
Soweit ist das noch überschaubar, jedoch nun kommt das Drehmoment – die Kraft – ins Spiel:
Wird der Motor im Leerlauf betrieben, mit frei drehendem Antriebsrad, dann nimmt er kaum Strom auf und gibt keine Leistung ab. Wenn das Antriebsrad jedoch belastet wird, steigen das Drehmoment und der Strom an, da der Motor Arbeit zu verrichten hat. Das maximale Drehmoment erreicht der Motor beim blockieren des Antriebsrads. Allerdings wird dann keine Leistung abgegeben, sondern komplett in Wärme umgesetzt. Dabei besteht die Gefahr, dass der Motor überhitzt und in kurzer Zeit zerstört wird.
Die in den Datenblättern der Motoren angegebenen Werte für Drehzahl, Leistung, Drehmoment und Wirkungsgrad sind also nicht sehr nützlich. Der Hersteller wird in der Regel das höchstmögliche Drehmoment angeben, welches jedoch nutzlos ist, da der Motor in diesem Fall blockiert ist. Die höchste Drehzahl ist mit der niedrigsten Leistung verbunden und der höchste Wirkungsgrad wird auch nur unter bestimmten Randbedingungen erreicht.
Aussagekräftig sind einzig die Leistungsdiagramme der Motoren, denen die Parameter bei den gewünschten Einsatzbedingungen entnommen werden können:
Im vorstehenden Kennliniendiagramm sind 5 Betriebszustände (A-E) bei der Nennspannung von 36V markiert. Bei einem 28“-Rad ergeben sich folgende Parameter:
| Pos. | A | B | C | D | E |
| Drehzahl [rpm] |
0 | 19 | 155 | 230 | 250 |
| Drehmoment [Nm] |
39 | 43 | 29 | 5 | 0 |
| Strom [A] |
19 | 20 | 19 | 4 | 0 |
| Wirkungsgrad [%] |
0 | 11 | 68 | 84 | 0 |
| Leistung in [W] |
684 | 720 | 684 | 144 | 0 |
| Leistung out [W] |
0 | 79 | 465 | 121 | 0 |
| Verluste [W] |
684 | 641 | 219 | 13 | 0 |
| Geschwindigkeit [km/h] |
0,0 | 2,6 | 20,8 | 30,8 | 33,5 |
Das höchste Drehmoment (beim losfahren aus dem Stand) ist mit dem schlechtesten Wirkungsgrad und somit mit den höchsten Verlusten verbunden. Während mit steigender Geschwindigkeit das Drehmoment geringer wird, steigt der Wirkungsgrad an. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit, hier ca. 20 km/h, sind die Grenzen des Motors erreicht und die Stromaufnahme und Unterstützung werden geringer um schließlich gegen 0 zu gehen.
Welche Leistung brauche ich?
Rollwiderstand + Luftwiderstand + Hangabtriebskraft
Bei einem Gesamtgewicht von 100kg (Rad + Fahrer) liegt der Rollwiderstand bei ca. 6N. Der Luftwiderstand hängt stark von der Geschwindigkeit ab und bewegt sich (ohne Gegenwind) in unserem Fall bei ca. 13N für 20 km/h. Zusammen sind das 19N und bei einem 28“-Rad (Radius 0,356m) wird für 20 km/h ein Drehmoment von 6,8 Nm benötigt. Beim oben gezeigten Motor erreichen wir bei 20 km/h ein Drehmoment von 29 Nm. Es müsste also keine zusätzliche Kraft aufgewendet werden.
Bei Steigungen kommt die Hangabtriebskraft dazu:
Hangabtriebskraft [N] = 10 x Steigung [%] (bei 100kg Gesamtgewicht)
Bei 5% Steigung wären also 50N erforderlich, damit das Rad nicht runterrollt. Bei dem 28“-Rad beträgt der Radius 0,356m. Es wäre also ein Drehmoment von 17,8 Nm ( 50 * 0,356 ) erforderlich um die Steigung auszugleichen. Bei 20 km/h hatten wir in der Ebene zuvor ein Drehmoment von 6,8 Nm benötigt. Gemeinsam mit der Hangabtriebskraft benötigen wir nun 24,6 Nm. Diese Kraft erreiche ich bei dem Motor aus der oben stehenden Tabelle bei 20 kmh ebenfalls ohne Probleme.
Bei einer 10%-Steigung würde ich für die 20 km/h 42,4 Nm benötigen, müsste also 13,4 Nm Drehmoment durch Eigenleistung beisteuern.
