Самодельное моторколесо часть 1
Решил начать постройку миниелектробайка.
Покупать готовое моторколесо нет желания, потому принято решение срастить 2 моторколеса от гиробордов по 350ват.
Получим на выходе моторколесо номиналом 36в 700ват.
Если перекомутировать обмотки с звезды в треугольник, получим выше максимальную скорость.
Если работать на 48 вольтах, то по расчетам с 8ми дюймовым колесом(36см диаметр наружный) получим скорость под 60км в час))) что вполне отлично.
Ранее был куплен контроллер 48-60v 1200wat. С ним вообще будет ураган валить)))
И так. На просторах инета было куплено одно мотор колесо новое за 600грн и второе б.у. нерабочее за 300грн( оторвана плата датчиков холла и перетертые провода, обмотки целые)
С обеих сняты покрышки.
У токаря заказал соединительную втулку для сращивания обеих валов. Это дешевле и проще изготовления одного вала и перепрессовки железа с обмотками.
Все стало ровненько.
Дальше этап токарных работ по алюминиевой части. Потом половинки будут сварены и обточены до одного диаметра и буду думать как прикрепить обод.
Обмотки планирую паралельно соединить. Что бы не ставить 2 контроллера. Ибо оба мотора будут жестко связаны.
Самодельное асинхронное мотор-колесо для велосипеда как задел для стартапа
Асинхронный мотор хорош тем, что имеет простую конструкцию, низкую стоимость, но более сложную систему управления. Отсюда возникает соблазн спроектировать и собрать собственную модель, да еще поиграть с ее конструкцией и характеристиками. Еще интереснее, когда для мотора сразу находится применение — скажем, в качестве двигателя для электровелосипеда.
Далее рассказ о том, как парни из Оренбургского университета создали собственную модель мотор-колеса. Если дело дойдет до серийного производства, себестоимость будет в разы ниже, чем у нынешних китайских аналогов.
Изначально проект развивали в формате совместного хобби в рамках одной из кафедр института энергетики, электроники и связи Оренбургского ГУ. По сути, это попытка адаптации к индивидуальному электротранспорту конструкции асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. После сборки первого прототипа стало понятно, что его можно доработать и попробовать запустить в серию. Так он оказался в числе участников акселератора Архипелаг 2022, где я его обнаружила и, вытянув контакты, немного пообщалась с разработчиками.
Почему именно асинхронный двигатель?
Привычный городскому обывателю индивидуальный электротранспорт, как правило, перемещается за счет двигателей постоянного тока с внешним ротором. Это логичный вариант, позволяющий не задумываться о преобразовании постоянного тока в переменный. Однако в его конструкции задействованы дорогостоящие магниты, которые влияют на стоимость электрической машины.
Отталкиваясь от идеи минимизации цены, в том числе за счет отказа от дорогостоящих комплектующих, за основу решили взять конструкцию асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Такую конструкцию разработали около 130 лет назад и до сих пор активно используют в промышленности. В серийном производстве асинхронные двигатели стоят намного дешевле, чем двигатели на постоянных магнитах.
Однако особенности эксплуатации электротранспорта не позволили взять готовый промышленный двигатель и установить его на велосипед. Был ряд несостыковок.
В первую очередь пришлось поработать над системой управления. Асинхронные двигатели в общепромышленном исполнении рассчитаны на напряжение питания 220 или 380 В и частоту сети 50 Гц.
С электротранспортом ситуация другая: частота тока должна изменяться от нуля до той, что обеспечит максимальную скорость велосипеда — 25 или 50 Гц в зависимости от конструкции.
Кроме того, важен формфактор. Двигатель необходимо встроить в колесо, т. е. длина электродвигателя по оси не может превышать ширину вилки.
Основное требование — мотор-колесо должен уместиться в стандартной велосипедной вилке
Подробнее о конструкции
На схеме ниже — первая версия мотора, которая получилась довольно тяжелой и не оптимальной по характеристикам. Зато на ней опробовали подходы и методы производства.
Схема асинхронного мотор-колеса с короткозамкнутым внешним ротором для электровелосипеда
Итоговый вес прототипа — 14 кг. Треть приходится на корпусные детали. Поскольку своей производственной базы у университета нет, детали пришлось заказывать по чертежам в индивидуальном порядке.
Мощность асинхронного электродвигателя пропорциональна длине его магнитной системы и квадрату диаметра магнитопровода. Однако между вилками рамы велосипеда не так много места.
Если бы использовали стандартную конструкцию, в которой лобовые части обмоток двух фаз накладываются друг на друга, с учетом ширины подшипникового щита и необходимого воздушного зазора, длина магнитной системы получалась бы не более двух сантиметров. Поэтому пришлось использовать оригинальную конструкцию статора и его обмоток.
Схема с основными габаритами мотора
Чтобы максимально увеличить длину активной части (магнитопровода), обмотки разместили в пазах статора на разном расстоянии от оси. Внутренний ряд катушек — одна фаза, внешний — другая.
Мотор без защитной крышки
Изменив внешний вид статора, удалось увеличить общую длину магнитной системы до четырех сантиметров — тем самым мощность двигателя повысили почти в два раза. Лобовые части обмоток в текущей конструкции забирают всего два сантиметра, вдобавок такое расположение помогает уменьшить потоки рассеяния в этих частях.
Статор с обмотками
Сам статор шихтуют из 80 листов электротехнической стали 0,5 мм толщиной каждый, собранных в пакет.
Самым сложным при производстве двигателя было как раз изготовление листов статора. В серийном производстве для этого используют штамповку, которая может вырезать чуть ли не тысячу листов в минуту. Стоимость каждого листа при этом ничтожна — фактически на уровне стоимости материала. При штучном производстве штамп изготавливать слишком дорого — это затраты порядка миллиона рублей. Остаются разные варианты резки — электроэрозионная, лазерная, струйно-абразивная, фрезерная.
Несколько лет назад в коммерческих компаниях, оказывающих подобные услуги, вырезать необходимые 80 листов стоило около 100 тыс. рублей. В итоге сделали «по знакомству». Использовали лазерную резку и потом последовательно подгоняли качество итоговых деталей: было слишком много наплывов и заусенцев.
Короткозамкнутый ротор также создавали вручную. А чтобы сделать конструкцию технологичнее, предусмотрели в нем пазы прямоугольной формы, купили полосовую медь, нарезали ее и впаяли каждый стержень при помощи паяльника и горелки.
Ротор мотор-колеса
Подшипниковый щит вырезали на токарном станке из листа стали 20 мм толщиной. В серийном производстве такие детали чаще изготавливают литьем, но для этого нужна дорогостоящая литьевая форма (около 100 тыс. рублей). При большой серии ее цена «размывается» по тиражу, а в случае штучного производства она не окупится. Токарный станок не позволяет экономить материал, но зато при таком способе производства подшипниковый щит обошелся всего в пару тысяч рублей.
Несмотря на кустарный подход, точность изготовления электродвигателя получилась довольно высокой. Зазор между статором и ротором по проекту составляет менее 0,5 мм, его практически не видно на просвет. При этом статор и ротор свободно вращаются друг относительно друга, ни за что не задевая и не создавая лишнего сопротивления. А вот характеристики двигателя — в первую очередь крутящий момент — получились несколько хуже, чем предсказывал расчет. Это может быть связано с плохим контактом медных стержней, припаянных к короткозамкнутому ротору — их 50 штук с одной стороны и 50 с другой. Учитывая ручное производство, проконтролировать качество контакта было сложно. В следующей версии это планируют исправить.
Управление движением
В плане управления асинхронный мотор имеет некоторые особенности в сравнении с моторами постоянного тока. Крутящий момент, который он развивает, зависит от магнитного потока, создаваемого обмотками статора, а также от частоты питающего напряжения. В данном случае частота меняется от 0 до 25 Гц в зависимости от требуемой скорости (0 Гц — электродвигатель стоит, 25 Гц — максимальная скорость).
Момент регулируют за счет подстройки амплитуды напряжения — по сути, за счет регулировки возбуждения двигателя. При движении в гору амплитуду необходимо увеличивать — момент вырастет, но при этом слегка просядет КПД из-за роста потерь в сердечнике. На горизонтальных участках дороги амплитуду напряжения можно снизить, соответственно, сократится момент и потери.
Задача платы управления двигателем — подбирать режим работы с максимально возможным КПД при данных условиях.
Плата управления — существующая версия
Плату управления режимами работы асинхронного электродвигателя разрабатывали с нуля. Она преобразует постоянное напряжение от аккумулятора в переменное с нужной частотой, а также выполняет регулировку режимов работы мотор-колеса, в том числе переключением на режим генератора (рекуперации энергии) во время торможения.
Блок управления мотор-колесом в первичном варианте собран, по сути, из подручных деталей. В нем предусмотрена возможность регулировки характеристик в большом диапазоне. Необходимо было реализовать фактически подвижную лабораторию, которая позволит не только ездить на собранном электровелосипеде, но и протестировать разработанный мотор-колесо в самых разных, в том числе нештатных, режимах работы. Соответственно, задачи минимизации размеров платы не стояло.
Трехмерная модель велосипеда с установленным мотор-колесом и платой управления в корпусе вместе с аккумулятором внутри рамы
Сейчас плата управления выглядит довольно громоздкой и занимает почти все место внутри рамы велосипеда. Но если убрать возможность настройки рабочих токов и частот в широком диапазоне, использовать транзисторы меньшей мощности, а также оптимизировать размещение компонент, плату можно будет сократить по габаритам в пять раз. В таком варианте она будет соизмерима с существующими китайскими платами управления для привычных мотор-колес постоянного тока.
Первая проверка
Готовый мотор встроили в переднее колесо среднестатистического велосипеда весом около 15 кг. К этому необходимо добавить вес мотора с платой управления — еще около 17 кг, а также аккумулятора — около 3 кг.
Суммарно это не намного больше, чем вес готовых электровелосипедов, доступных в магазинах. Конечно, у текущей конструкции вес распределен неравномерно — 14 кг мотора сосредоточены в районе переднего колеса. Это несколько ухудшает эксплуатационные характеристики. Однако первый опытный образец вполне работоспособен. В лабораторных условиях максимальный КПД двигателя — 75%, а развиваемый момент варьируется в диапазоне 10–15 Нм.
Одно из первых испытаний
Запас хода с этим мотор-колесом зависит от установленного аккумулятора. Батареи 36 В емкостью 10–15 ампер-часов должно хватить на 50 км пробега по городу без сильных перепадов высоты (с учетом заложенной в проект рекуперации энергии при торможении) — это, условно, день езды на персональном электротранспорте.
А что дальше?
Уже есть планы, как сделать следующую версию легче и эффективнее.
Во-первых, переработают корпус
От части деталей планируют отказаться, другую доработать, в том числе через изменение технологии производства.
Полностью можно отказаться от тяжелого трехкилограммового внешнего обода. Он не участвует в работе двигателя и в первой версии используется только для скрепления спиц и активной части мотор-колеса. В следующей версии электродвигателя планируют крепить спицы непосредственно к магнитопроводу внешнего короткозамкнутого ротора. При такой компоновке магнитопровод будет эффективнее охлаждаться, что, вероятно, позволит еще немного увеличить мощность мотор-колеса.
Дальше в планах — оптимизировать подшипниковые щиты, перейдя на технологию литья сплава алюминия в песчаные формы, что также сильно уменьшит вес. В теории форму для литья можно изготовить собственными силами. Впоследствии отлитую деталь можно доработать на токарном станке — снять лишние наплывы.
Работа с песчаными формами пока не обкатана, но ее планируют опробовать уже к весне. Если группа освоит технологию литья алюминия, тем же способом можно будет произвести и короткозамкнутую обмотку. Для экономии веса предполагают крепить подшипниковые щиты непосредственно к короткозамыкающему кольцу ротора. Таким образом, короткозамыкающее кольцо (часть обмотки ротора) станет еще и частью корпуса — а значит, будет охлаждаться внешним потоком воздуха.
Во-вторых, проработают альтернативную версию мотора
В новом моторе планируют использовать статор с большим числом полюсов, соответственно, с более высокой максимальной частотой — 100–200 Гц вместо существующих 25 Гц. Это отразится на массогабаритных и рабочих характеристиках электродвигателя. Например, увеличится скорость вращения.
Статор, спроектированный для двигателя следующей версии с большим количеством полюсов
Возможно, проект доберется до стадии серийного производства. Предложенная конструкция, благодаря отсутствию дорогостоящих магнитов и в целом простой компоновке, обещает очень низкую стоимость при массовом производстве. В варианте наиболее востребованной выходной мощности в 500 Вт — на уровне 2–3 тыс. рублей. Это будет намного дешевле китайских комплектов мотор-колесо плюс контроллер, цена на которые начинается от 15 тыс. руб. и доходит до 50 тыс.
Кроме того, китайские мотор-колеса в некотором смысле непредсказуемы. Они продаются с этикеткой 1000 Вт, но никто не знает, что это за ватты — это пиковая (кратковременная), полезная или потребляемая мощность? Энтузиасты покупают эти комплекты и тестируют их самостоятельно, получая разные результаты, не соответствующие заявленным характеристикам. А кроме того, в двигателях постоянного тока используются магниты, качество которых может быть разным. В попытках сэкономить производитель может поставить дешевые магниты, которые размагнитятся уже через пару лет. В этом плане переход на асинхронные двигатели хоть и усложняет управление, зато избавляет от неопределенности.
Мотор колесо своими руками
Мотор-колесо (МК) является главным компонентом электрического привода велосипеда. Оно наиболее распространено среди велосипедных электродвигателей, так как позволяет довольно быстро сделать велосипед электрическим — легко устанавливается и подключается. МК подходит для любой рамы велосипеда с эксцентриковым креплением колёс. Поэтому многих интересует вопрос как сделать мотор колесо для велосипеда своими руками.
В статье мы рассмотрим:
Что такое мотор колесо?
Устройство и принцип действия мотор-колеса
Что такое мотор колесо?
Мотор колесо представляет собой колесо, на месте втулки которого расположен мотор. Оно позволяет превратить электрическую энергию аккумулятора в энергию движения транспортного средства. Применяется как в промышленных масштабах при серийном производстве электромобилей, электромотоциклов, так и при изготовлении самодельных электровелосипедов.
Существует несколько видов мотор-колёс, которые различаются по весу, конструкции, а также по электрическим и динамическим характеристикам, таким как мощность, сопротивление обмоток, развиваемая максимальная скорость и т.д. Некоторые из них способны работать как генератор, благодаря чему аккумулятор транспортного средства может подзаряжаться во время торможения.
Разновидности мотор-колёс
Чтобы лучше представлять как сделать мотор колесо своими руками, давайте разберёмся, какие бывают велосипедные мотор-колёса и чем они отличаются:
По месту установки — задние и передние. Задние мотор-колеса используются чаще, так как при старте транспортного средства вес переносится на заднее колесо, оно лучше прижимается к дороге и обеспечивает хорошее сцепление. Передние мотор-колеса применяются как сами по себе, так и в составе полноприводных моделей.
По наличию редуктора — редукторные и безредукторные (прямого привода). Редукторные мотор-колеса имеют низкий вес (двигатель весит от 1,5 кг), обладают неплохими тяговыми характеристиками и хорошей эффективностью, особенно на низких скоростях. Электровелосипеды с редукторным МК имеют хороший накат. Двигатели мотор-колес прямого привода больше по диаметру и проще по конструкции, из-за чего считаются более надёжными. Кроме этого, они поддерживают рекуперативное торможение, за счёт которого можно подзаряжать аккумулятор. Безредукторные МК чаще применяются на скоростных электробайках, способных разгоняться более 50 км/ч, но и потребление энергии у них выше.
По наличию датчиков — с датчиками Холла и без них. Большинство мотор-колес оснащается датчиками скорости и положения ротора (датчики Холла), при этом на двигатель от контроллера идёт кабель с тремя силовыми проводами и 5-6 сигнальными (тонкими). Это можно легко увидеть если посмотреть на разъём двигателя. Кабели бездатчиковых МК содержат только три силовых провода, и для управления такими мотор-колесами необходимы соответствующие контроллеры.
По ширине — для фэтбайков и обычных велосипедов. Мотор-колеса для фэтбайков шире, чем для обычных велосипедов, так как они имеют более широкий обод и соответствующий двигатель.
Кроме этого, мотор-колёса различаются по длине и диаметру оси, размеру обода, толщине спиц, номинальному напряжению, мощности и скорости.
Устройство и принцип действия мотор-колеса
Мотор-колесо представляет собой велосипедный мотор, заспицованый в обод. На корпусе двигателя расположено шесть отверстий для крепления тормозного ротора, а в случае заднего привода также имеется барабан для установки кассеты, из-за чего заднее мотор колесо шире переднего.
Статор электродвигателя содержит обмотки из медной проволоки, на которые поочерёдно подаётся напряжение от контроллера. Обмотки соединены по схеме “звезда” или “треугольник”, в редких случаях эти две схемы совмещаются (как в мотор колесе Дуюнова).
Под действием напряжения создаётся магнитное поле, которое воздействует на магниты ротора, вызывая его вращение. В случае редукторного двигателя вращение передаётся на корпус через редуктор, у безредукторного — напрямую. Редукторы используются как одноступенчатые, так и двухступенчатые, позволяющие добиться более высокого крутящего момента.
На редукторных электродвигателях устанавливается обгонная муфта, поэтому такие мотор колеса могут свободно вращаться, не создавая сопротивление. Этим обеспечивается хороший накат велосипедов с редукторными МК, чем не может похвастаться МК прямого привода.
Как сделать мотор колесо своими руками
Чтобы собрать мотор колесо для велосипеда своими руками, потребуются различные инструменты и навыки, а самое главное — достаточное количество свободного времени и большое желание добиться успешного результата.
Самым простым способом изготовить самодельное мотор-колесо является сборка на базе готового электродвигателя — в этом случае нужно лишь заспицевать мотор в обод.
Более трудоёмким вариантом является приобретение неисправного электродвигателя и его ремонт, который может включать следующие этапы:
замена датчиков Холла;
замена обмоток статора;
замена или ремонт ротора;
замена шестерней редуктора.
Изготовить электродвигатель для велосипеда с нуля достаточно сложно даже в условиях хорошо оборудованной мастерской, так как для этого потребуются обширные знания и опыт сразу в нескольких областях. Процесс будет выглядеть следующим образом:
Проектирование конструкции электродвигателя с моделированием, расчётом магнитных полей и электрических характеристик.
Изготовление статора, включающее нарезку и сборку пластин, установку изоляторов, формирование обмоток из медной проволоки;
Изготовление ротора (вытачивание вала, нарезка и сборка пластин, установка магнитов, нарезание резьбы на валу электродвигателя).
Изготовление редуктора (в случае редукторного двигателя).
Изготовление корпуса мотора.
Протяжка кабеля двигателя.
Распайка силовых и сигнальных проводов, подключение датчиков Холла.
Окончательная сборка двигателя.
Имея готовый двигатель, остаётся заспицевать его в обод. Для этого необходимо подобрать обод и спицы в соответствии с целями использования самодельного мотор-колеса. Размер обода должен соответствовать размеру колёс велосипеда, а его ширина подбирается в соответствии с типом байка. Для горных велосипедов подходят ободья шириной от 23 мм, а для фэтбайков — 101 мм.
Стоит учесть, что для установки бескамерных покрышек обод должен иметь зацепы. Лучше отдать предпочтение алюминиевым ободьям с двойным профилем, так как мотор весит больше втулки, и нагрузка будет выше. Мощный электродвигатель прямого привода потребует пистонированного обода с усиленными спицами.
На электрическом двигателе расположены отверстия для спиц, количество которых должно соответствовать количеству отверстий в ободе и количеству самих спиц, а длину последних можно рассчитать при помощи специализированных программ.
Спицовка колеса включает установку спиц, их натяжку, устранение “яйца”, “восьмёрки” и выведение “зонта”. Это довольно длительный и кропотливый процесс, так что торопиться не следует.
Если процесс изготовления самодельного мотор-колеса вас не привлекает, можно приобрести готовый комплект мотор-колесо и установить его на велосипедную раму, либо обратиться в специализированную мастерскую, где оперативно выполнят всю работу и предоставят на неё гарантию. Например, в наш сервисный центр .
Как сделать мотор-колесо прямого привода своими руками
Для превращения велосипеда в электровелосипед чаще всего используется кареточный электродвигатель или мотор-колесо. С помощью мотор-колес можно реализовать передний, задний или полный электрический привод. В зависимости от особенностей конструкции мотор-колеса бывают редукторными и прямоприводными.
Электромотор прямого привода не имеет редуктора и обеспечивает частоту вращения колеса, совпадающую с частотой вращения ротора. По сравнению с редукторными моделями, электродвигатели прямого привода:
- более надежны, очень долговечны – из-за отсутствия трущихся деталей и шестеренок;
- позволяют использовать рекуперацию – обратное превращение кинетической энергии движения в электроэнергию и восполнение заряда батареи при торможении без применения тормозных колодок;
- производятся более мощными и тяжелыми – весом до 10 кг и более, мощностью до нескольких кВт;
- более требовательны к толщине спиц, прочности обода, вилки и рамы, мощности батареи, надежности тормозов и остальных узлов;
- при той же мощности обеспечивают на старте пониженный момент и меньшее ускорение;
- при использовании мощного и тяжелого мотора – влияют на инерционность и маневренность велосипеда.
Как сделать электромотор для велосипеда?
Конечно, проще и надежнее купить готовый электромотор и установить его на велосипед. Но если вы увлекаетесь электросамоделками, можете соорудить мотор-колесо прямого привода своими руками. Для этого подойдет инверторный двигатель от стиральной машины-автомат LG с прямым приводом. Найти его на вторичном рынке – простая задача, но гораздо сложнее адаптировать приобретенный движок под мотор-колесо.
Мощность такого двигателя зависит от вместимости стиральной машины. Компания LG производит модели с вместимостью бака от 3 до 12 кг, с мощностью электромотора от 300 до 1000 Вт. Но выбрать электрический мотор подходящей мощности – это только первый и самый простой шаг. Далее предстоит его превращение в мотор-колесо с использованием ступенчатого подшипника и крепежного диска.
Основные проблемы при изготовлении самодельного МК
При изготовлении мотор-колеса придется столкнуться с несколькими недостатками:
- Движок от стиральной машины по виду отличается от велосипедного электродвигателя. Он имеет только статор и ротор. У него нет подшипника и ступицы. Без барабанного вала, за пределами стирального узла, его проблематично установить и отцентрировать. Для использования такого двигателя на электровелосипеде понадобится ступичный подшипник и токарный станок, чтобы выточить посадочное гнездо.
- Для статора необходимо сделать крепежное кольцо. Для этого понадобится лист металла и лазерный станок, в крайнем случае – фрезерно-сверлильный станок и болгарка.
- На движке от стиралки неподходящая обмотка – алюминиевая, рассчитанная на напряжение 220 В. Нужно перемотать ее на медную и отрегулировать напряжение с учетом бортового напряжения будущего электровелосипеда.
- В моторах от стиральных машин стоят ферритовые магниты. Их желательно заменить неодимовыми магнитами, что сопряжено с дополнительными расходами. К тому же,следует усилить чашу ротора кольцом из стали и создать систему замыкания для магнитных полей.
У чаши ротора со стиральной машины не предусмотрены выступы с отверстиями для установки спиц. Об их выполнении придется позаботиться самостоятельно. Поэтому спицовка самодельного мотор-колеса потребует немного больших усилий, чем установка его заводского аналога.
Купить или сделать самому?
Купить мотор-колесо проще и надежнее. Вам не придется проявлять сверхспособности для его изготовления и гадать, будет ли оно работать после стольких потраченных часов и приложенных усилий. Сделать самому – можно, если есть необходимое оборудование и опыт работы с электроникой.
Какой вариант выгоднее – зависит от того, что вы больше цените. Если вам дорого свое время, выбирайте и заказывайте МК с нужными вам характеристиками у нас. Но если хочется поэкспериментировать и сделать мотор-колесо собственного производства, можно рискнуть.
В предыдущей статье мы поделились историей из жизни наших заказчиков – об аренде электровелосипеда для жены.