Как работает мотор колесо на велосипед

Как устроены мотор-колеса

Мотор-колеса, используемые в моем проекте — это то, что дает целую массу предположений окружающих о трансмиссии машинки: а какой привод? а где кардан или цепь? а это что за шланги — тормоза что-ли? 🙂
Действительно, мотор-колеса полностью сидят внутри ступицы и внешне похожи на тормозные барабаны. Единственное, что их выдает — толстый провод (а точнее куча проводов в оболочке), выходящей из полой оси.
Принцип мотор-колеса аналогичен обычному мотору, но если в обычном моторе статор зафиксирован, а ротор — вращается внутри, то здесь — наоборот: статор зафиксирован вместе с осью, а ротор вращается вокруг него, и является корпусом мотора. На него и садится ступица колеса.

Моторы в моем проекте — BLDC (Brushless Direct Current Motor), на постоянных магнитах. Для управления такими моторами обязательно нужен контроллер. В моторе стоят три датчика холла, по сигналам с которых контроллер определяет положение оси и подает сигналы уже на фазы мотора (их тоже три). Контроллеры бывают меандровыми и синусными (по форме сигнала). Считается что меандровые отдают большую мощность, но в момент трогания издают характерный негромкий рокот (запишу видео как-нибудь), а синусные — совершенно бесшумные, даже при трогании.

Так как моторчика два — то и контроллера два. Один контроллер принципиально не может управлять двумя моторами. "Педалька газа", режимы движения, реверс и т.д. — запараллелены: с одного контроллера снимается слаботочный сигнал и параллелится на оба контроллера.

Данные моторы сделаны очень добротно. Ниже на фотках это можно увидеть. Крышки из какого-то сплава, похожего на чугун. Статор — тоже. Ротор сидит на оси на четырех (!) подшипниках, стоящих парами: на внешней стороне мотор колеса и на внутренней. Номинальная мощность моторов — 2 КВт и ток 40А (при таких параметрах мотор может работать очень долго), кратковременная мощность — до 3Квт и 60А. Но эти моторы могут держать пиковые токи — до 80А (конечно же не очень долго и нужно контролировать температуру двигателя — это основной критерий).

Еще эти моторы могут работать в режиме генераторов. Если в контроллере включить режим "рекупирации", то можно будет тормозить двигателем, при этом батарея будет подзаряжаться. Если рекупирация отключена — то накат вполне такой естественный, как на обычном автомобиле. Рекупирацию планирую включить в ближайшее время, разобраться с ней и настроить. Хочу сделать так: при нажатии на педаль тормоза сначала плавно включается рекупиративный тормоз, а если давить педальку дальше — уже гидравлика (например, для экстренного торможения).

Основной минус мотор-колес — вес. Каждый мотор — 14,5 кг. И это влияет на не подрессоренную массу. Но я в проекте сознательно на это шел, так как высокие скорости и супер-чуткое управление мне ненужны. Зато плюсов — множество и самый главный из них — отсутствие трансмиссии.

Вот так выглядят моторы, установленные в колеса:

А это — уже на машинке:

А это — то, что внутри:

Видео испытаний. Один из моторчиков немного более резкий (еще не настроены контроллеры).

Как работает мотор-колесо?

Мотор-колесо – бесщеточный синхронный электромотор постоянного тока, интегрированный в ступицу колеса. Электрические моторы данного типа не используют вспомогательных механизмов для передачи мощности от электродвигателя к колесу и лишены компонентов, подверженных трению, кроме подшипников в редукторных моделях. Электромотор, передаточный механизм и колесо объединены в общий узел, что придает ему высокую эксплуатационную надежность.

Типы мотор-колес

Ступичные электродвигатели предназначаются для монтажа в переднюю или заднюю вилку велосипеда (с различными размерами дропаута оси), бывают разной мощности, с выполненной заспицовкой в обод или без нее. В зависимости от внутреннего устройства они бывают:

1. Редукторные – с интегрированным планетарным редуктором. Такие модели компактны и легковесны, не создают сопротивление при езде с отключенным мотором, имеют отличные тяговые качества и обеспечивают уверенное преодоление подъемов. Но они производятся небольшой мощности – 250–500 Вт, поэтому высокие скорости развить не позволяют.
2. Прямого привода – безредукторные. Производятся мощностью от 500 В до нескольких киловатт и позволяют получить скорость вплоть до 100 км/ч и более. Но прямоприводные моторы уступают редукторным моделям по тяговым характеристикам, а в отключенном состоянии оказывают сопротивление при накате. Для комфортных поездок по холмистой местности мощность МК прямого привода должна составлять не менее 1500 Вт.

Различия в устройстве мотор-колес

При наличии планетарного редуктора возрастает крутящий момент мотор-колеса, но ограничиваются его скоростные возможности. При использовании редукторного МК вы сможете легко преодолевать подъемы, но при езде на прямолинейных участках скорость будет умеренной – в среднем до 30–35 км/ч.

У прямоприводных моделей все наоборот – доступны более высокие скорости, но крутящий момент ниже, т.е. тяговые характеристики у редукторного МК на 350 Вт и прямоприводного МК на 1500 Вт примерно одинаковы. По надежности редукторные модели немного уступают прямоприводным, т.к. в конструкции редуктора есть планетарная передача с 3 шестернями из пластика. Их примерный ресурс – 6000–9000 км пробега. Зато редукторные модели обеспечивают лучший накат и позволяют легче крутить педали при отключенном моторе.

Прямоприводные модели имеют предельно простую и надежную конструкцию без шестеренок, более высокий КПД и способность к рекуперации энергии. Внутри такого устройства находятся статор и ротор – жестко зафиксированная ось колеса с обмотками и втулка с мощными постоянными магнитами. Это традиционная схема 3-фазного двигателя переменного тока.

Как работает мотор-колесо?

Независимо от того, как устроено электроколесо – с редуктором или без него, принцип его работы одинаков. В статоре в виде многолучевой звезды из электротехнической стали появляется магнитное поле. При взаимодействии с постоянными магнитами оно инициирует вращение ротора. На лучах статора есть обмотки, и когда по ним идет ток, лучи превращаются в электромагниты. Они притягивают постоянные магниты на роторе и инициируют вращение ротора.

Для получения нужной мощности и равномерного вращения колеса статор имеет несколько десятков обмоток. Но в результате они соединяются в 3 и чередуются по окружности: 1-2-3-1-2-3… На противоположной стороне на роторе есть магниты из редкоземельных материалов. Когда на обмотки поступают импульсы напряжения, происходит активизация их магнитных качеств, взаимодействие с магнитами и вращение ротора.

Импульсы поступают на обмотки поочередно и четко в нужные моменты времени. Определяют эти моменты находящиеся на статоре датчики Холла. Они отслеживают взаимное расположение ротора и статора, откликаются на магнитное поле и отправляют сигналы на контроллер. На основании полученных сведений контроллер своевременно подает на обмотки статора импульсы напряжения. Обмотки превращаются в электромагниты, вступают во взаимодействие с постоянными магнитами ротора и заставляют его вращаться. Наглядно принцип работы бесколлекторного электродвигателя представлен на картинке.

Элементы управления мотор-колесом

Интенсивность вращения ступичного электромотора регулируется рычагом газа. При смене его положения меняется число импульсов напряжения, подаваемых в единицу времени на обмотки. В результате меняется и скорость езды. В ручки тормоза также встроены датчики, которые в свою очередь отключают подачу питания на электрический двигатель при торможении.

В предыдущей статье блога VoltBikes рассказывается о том, какое напряжение лучше выбрать для электровелосипеда.

Мотор-колесо (полный обзор)

Что такое мотор-колесо? Чем различаются различные типы моторколес? Какое купить? Где купить? Сколько стоит? На все эти вопросы попробую ответить в данной статье.

Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Популярным типом электродвигателя для электровелосипедов и электросамокатов является мотор-колесо (МК, Hub Motor). Колесо с мотором изобретено в конце XIX века.
В электровелосипедостроении оно постепенно вытесняется кареточными моторами, зато для электросамокатов — это пока единственный тип привода.

Мотор-колесо — это колесо с встроенными бесщеточным электродвигателем, колёсным редуктором (или без оного) и тормозным механизмом (иногда). В электровелосипедах и электросамокатах оно получает электроэнергию от аккумуляторной батареи.

Директ-драйвы имеют одну неприятную особенность: при движении накатом и на педалях ощущается противодействие мотора. Зато электромоторы с прямым приводом отличаются высокой надежностью, их мощность: 500-3000 W и более. Вес от 5,3 кг.

Директ-драйвы используются для оснащения электровелосипедов и электромотоциклов, рассчитанных на скорость от 40 км/ч. По словам Лемира-Элмора из Grin Technologies, двигатели с прямым приводом, как правило, имеют больший диаметр, чем редукторные мотор-колеса, потому что это создает более высокий крутящий момент, что необходимо для обеспечения достаточной мощности на низких оборотах. Из-за скромных тягловых характеристик, для пересеченной местности эти мотор-колеса не подходят.

Также директ-драйвы используются практически во всех современных электросамокатах. Маленький диаметр колес самокатов не требует от моторов большого крутящего момента.

Электротранспорт с прямым приводом может генерировать электрическую энергию во время торможения в процессе, называемом рекуперативным торможением. Но эффективность подзарядки аккумуляторной батареи посредством рекуперации столь мала, что этот эффект может иметь какое-то практическое применение только на спуске с Эвереста (если там когда-нибудь появится дорога). Зато возможность торможения мотором сокращает расходы на замену колодок дисковых тормозов.

Редукторное мотор-колесо

Английское название: Geared Hub Motor. У редукторного мотор-колеса присутствуют редуктор и встроенная обгонная муфта, наличие которой при движении накатом и на педалях обеспечивает отсутствие торможения мотором. Редуктор снижает высокую частоту вращения электромотора и увеличивает крутящий момент.

Редукторные мотор-колеса используемые в электровелосипедах и электроскутерах отличают небольшие размеры и вес, хорошие тяговые характеристики. Мощность редукторных мотор-колес обычно не превышает 250–500 W, скорость транспортных средств с этими моторами: 30–50 км/ч. Покупка редукторного мотор-колеса оправдана, если для вас более важна проходимость электровелосипеда, а не его скорость.

Существует только одна модель редукторного мотора без обгонной муфты с рекуперативным тормозом. Называется GMAC, производится канадской компанией Grin Technologies в сотрудничестве с MAC motors.

Копенгагенский веломотор

Так называемый копенгагенский веломотор — это электроколесо в котором веломотор, контроллер и батарея находятся в одном корпусе. Такое мотор-колесо установлено в электровелосипедах Hummingbird Gen 2.0, Gogoro Eeyo и производится компаниями Keyde и Zehus.

Задние и передние мотор-колеса

Мотор-колеса бывают задние и передние (т.е. устанавливаемые на переднее или заднее колесо). Отличаются они размерами оси. С передними мотор-колесами меньше проблем. Они проще в установке, подходят для электрификации велосипедов всевозможных типов и создают иллюзию полного привода. Их недостаток: слабое сцепление с субстратом. Они могут пробуксовывать из-за более слабой нагруженности передней части электровелосипеда, что особенно ощущается на подъемах. Задние мотор-колеса обеспечивают более хорошую тягу и лучшее сцепление с дорогой.

Задние мотор-колеса обычно имеют на крышке выступ с резьбой для установки стандартной трещётки или кассеты, на передних мотор-колесах такого выступа нет. У кассеты и трещетки разные крепления, на это надо обращать внимание при выборе мотора. Большая часть моделей задних мотор-колес имеет крепление под трещётку, крепление под кассету встречается не так часто и должно быть специально указано в техническом описании электромотора или названии (в названиях мотор-колес Bafang: CST или QQ Cassete).

При желании электровелосипед можно делать полноприводным. О полноприводных электровелосипедах читайте отдельную статью.

Различия по мощности

Существует нескольку условная классификация по мощности: маломощные (250–350 W), средней мощности (500–750 W), мощные (от 1000 W). От мощности зависит скорость электровелосипеда. Что бы уяснить зависимость скорости от мощности разных типов моторов воспользуйтесь симулятором.

Попытка понять, как номинальная мощность влияет на ходовые качества электровелосипеда — отличный способ сойти с ума. Дело в том, что такая характеристика, как «номинальная мощность», используемая некоторыми производителями, не равна ни фактической выходной мощности, ни максимальной выходной мощности. Фактическая выходная мощность двигателя зависит от того, насколько сильно он нагружен в какой-то конкретной ситуации.

Некоторые производители мотор-колес указывают пиковую мощность, но насколько она продолжительна? 1, 5, 100 секунд? Хз…

Мощные моторы маскируют обманными стикерами. Но нужно понимать, что если вы гоняете по дорогам на высоких скоростях без прав и вас ловят, стикер может не помочь избежать ответственности. В большинстве стран законы таковы, что без прав можно ездить только на электровелосипедах с моторами не мощнее 250W.

Незаспицованные и заспицованные мотор-колеса

Мотор-колеса продаются уже заспицованные в обод колеса или незаспицованные (просто моторчик). Первый вариант конечно же проще в установке. Но если вы хотите использовать уже имеющийся у вас обод, или какой-то супер-прочный, то покупайте электромотор без обода. Для самостоятельного спицевания колеса желательно купить специальный станок. Он же пригодится и для правки восьмерок.

Тяговые и скоростные мотор-колеса

Номинальный RPM (оборот в минуту) указывает на то, скоростным является электромотор или тяговым. Также можно смотреть крутящий момент (Max. Torque). Измеряется в Nm. Чем больше Nm — тем более тяговый электромотор.

Не стоит заморачиваться изучением этой характеристики. На сайтах нормальных производителей обычно указано для каких транспортных средств мотор предназначен. А если не указано, можно спросить. Врут только о использовании мотор-колес применительно к горным велосипедам. Если вам нужен электровелосипед для горной или холмистой местности, забудьте про мотор-колеса, берите кареточный электромотор.

Различия по весу

Никто конечно этой классификацией всерьез не пользуется, но поскольку все относительно, полезно представлять общую картину.
Мотор-колеса могут быть: сверхлегкие: около 1.5 кг (номинальная мощность 250-350 W), легкие: 2-3 кг (номинальная мощность 250-500 W), средние: 4-6 кг (номинальная мощность 500-1500 W), тяжёлые: 6-10 кг и больше (номинальная мощность 1000-3000 W и больше).

Как работает электровелосипед

Электрические велосипеды успешно конкурируют на рынке со своими механическими аналогами. Оба вида байков внешне мало отличаются, однако по устройству абсолютно различны. И тем, кто собирается приобрести транспортное средство с электромотором, полезно будет узнать, как работает электровелосипед, а также все нюансы данного процесса.

Электробайки предусматривают переключение с электрорежима на механический – тогда можно привычным способом крутить педали. Поэтому их ещё называют велогибридами. Но при работе от аккумулятора велосипед развивает более высокую скорость и не требует усилий при управлении. Движение электровелосипеда обеспечивает электрический привод, благодаря которому можно легко преодолевать большие расстояния, не буксуя при этом на крутых подъёмах и неровных дорогах.

Электровелосипед включает следующие составляющие:

• электропривод – источник тяги;
• контроллер – блок управления транспортным средством, который отвечает за его функционирование;
• аккумулятор – специальная батарея, устанавливаемая на раме или на месте багажника;
• бортовой компьютер – собирает и выводит на дисплей данные о велосипеде и поездке;
• регулятор скорости – ручка газа, прикреплённая к рулю;
• дополнительные комплектующие – провода, предохранители, фонари и пр.

Представить, как работает электровелосипед с педалями, несложно. При переходе на педальный режим, его управление осуществляется привычными для классического велосипеда движениями. При этом устройство контролирует интенсивность вращения педалей для регулировки работы электродвигателя.

Как работает электровелосипед

Электрический двигатель приводит колёса в движение. Корректную работу мотора обеспечивает контроллер, который передаёт ему команды управления, обеспечивает подачу тока к аккумулятору и комплектующим. За счёт этого происходит движение мотор-колеса. По типу привода электрические транспортные средства классифицируются как передне- и заднеприводные, а также полноприводные. Последние наиболее приспособлены к езде по неровной местности.

Важно, чтобы все составляющие электровелосипеда были верно подобраны по техническим характеристикам: ресурсу, рабочему напряжению, мощности, силе тока. Даже минимальные отклонения в показателях способны вывести велосипед и строя, и придётся прибегать к дорогому ремонту.

Аккумуляторы для электробайков отличаются повышенной ёмкостью, благодаря чему можно преодолеть на одном заряде батареи значительное расстояние – до 50 км. Комплектуются велосипеды с электродвигателем специальными батареями: LiFePO4, Li-ion, LiPo, никель-металл-гибридными либо свинцово-кислотными. Аккумулятор подбирается под конкретную модель транспортного средства. Главный нюанс – напряжение батареи должно соответствовать характеристикам контроллера и мотор-колеса. Это необходимо для правильного и эффективного функционирования электротранспорта.

Принцип работы мотор-колеса электровелосипеда

Мотор-колесо представляет собой электродвигатель, устанавливаемый вместо обычного колеса велосипеда либо встраиваемый в ступицу. По виду конструкции такие двигатели подразделяются на:

• редукторные;
• прямоприводные (безредукторные).

Большинство современных моделей оснащены безредукторными моторами с простой конструкцией. Эти двигатели обеспечивают высокую мощность (от 1000 ватт) и большую скорость передвижения (40-45 км/ч) на электровелосипеде..

Работает мотор-колесо вне зависимости от вида одинаково. Оно приводится в действие за счёт магнитного поля, передаваемого с неподвижного статора на магниты ротора. Не вдаваясь в научные подробности, достаточно понимать, что постоянное вращение ротора обеспечивает подача импульсов напряжения с определённой частотой и последовательностью. За передачу импульсов отвечает контроллер.

Устройство контроллера электровелосипеда

Контроллер не только обеспечивает бесперебойную работу двигателя, но и отслеживает корректную регулировку скорости электровелосипеда, защищает от перегрузок, контролирует крутящий момент и управляет дополнительным оборудованием.

Включение контроллера происходит при получении сигнала от акселератора, на который воздействует ездок. Эти данные устройство обрабатывает и задаёт требуемую скорость вращения мотора. Таким же методом оборудование передаёт сведения о необходимости затормозить.

Современные приборы разрабатываются с функцией смены полярности, то есть электробайки благодаря этому могут ездить задним ходом. Контролирующее устройство – крайне важная составляющая электрического транспортного средства, поэтому оно должно обладать надёжной защитой от механических повреждений, погодных осадков.

Прошивка также имеет большое значение при необходимости изменений характеристик работы двигателя, проведения апгрейда электробайка, использования дополнительных «наворотов». Поэтому стоит внимательно подходить к выбору прошивки и сервисному центру, где производят обновление.

Понимание работы велогибрида, его устройства и технических характеристик помогает сделать оптимальный выбор. Кроме того, стоит обращать внимание на ёмкость аккумулятора, мощность мотора и возможность подключения дополнительных функций.