Асинхронный двигатель для велосипеда своими руками

Мотор-колесо

Мото́р-колесо́ — разновидность ведущего колеса, комплексный агрегат, в котором объединены непосредственно колесо, электрический двигатель, силовая передача и тормозная система [1] [2] .

Содержание

• 1 История
• 2 Описание
• 3 Использование
• 4 Примечания
• 5 Литература
• 6 См. также

История [ править | править код ]

• Автор концепции первого мотор-колеса — Веллингтон Адамс из Сент-Луиса (патентСША 1884 года) [3] .
• В 1890 году Эдвардом Паркхерстом из Воберна, штат Массачусетс, изобретен двигатель с высоким крутящим моментом и низким числом оборотов в минуту. Двигатель был встроен в колесо [3] .
• Преимущества мотор-колеса раскрыты в 1896 году в патенте француза Чарльза Терикома [3] .
• С 1890 сразу несколькими патентами была защищена конструкция электрического привода, устанавливаемого на велосипеде. Так, патент США 1895 года Огдена Болтона описывает электровелосипед с питанием от батареи с мотор-втулкой, установленной на заднем колесе [3] .

Описание [ править | править код ]

Мотор-колесо представляет собой агрегат, объединяющий колесо и встроенные в него тяговый электродвигатель, силовую передачу и, в некоторых случаях, тормозную систему (таким образом, каждое мотор-колесо имеет индивидуальный привод). Устанавливается, как правило, в подвешенном к раме кронштейне (в случае, когда колесо не является управляемым) либо в установленном в поворотной цапфе подшипнике (в случае, когда колесо является одновременно ведущим и управляемым). Питается энергией от двигателя внутреннего сгорания через электромеханическую трансмиссию (преимущественно на автомобильной технике, главным образом тяжёлой), от контактной сети (на троллейбусах и троллейвозах) или от аккумулятора (на электромобилях и электровелосипедах, либо, в качестве дополнительного источника энергии, на автомобильной технике с двигателем внутреннего сгорания, такой как гибридные автомобили, или троллейбусах). Существует два режима работы мотор-колеса — тяговый и генераторный. В тяговом режиме вращение передаётся с вала якоря электродвигателя, работающего в двигательном режиме, через редуктор к внутреннему зубчатому венцу ведущего колеса; в генераторном режиме, используемом для электрического торможения, электродвигатель переходит в генераторный режим работы, а электроэнергия преобразуется в тепло на тормозном реостате (реостатное торможение) либо возвращается в электрическую сеть или применяется для зарядки аккумуляторов (рекуперативное торможение) [1] [2] .

Использование [ править | править код ]

Наибольшее распространение мотор-колёса получили на электровелосипедах, электросамокатах, гироскутерах, складских электрических машинах (вилочных погрузчиках, штаблерах, тележках), и на самосвалах особо большой грузоподъёмности [1] . На скоростных электровелосипедах, электроскутерах, электромотоциклах и электросамокатах используются безредукторные моторы (Direct-Drive Hub Motor). На электровелосипедах чаще используются мотор-колеса с редуктором (Geared Hub Motor) [4] .

Новая разработка мотор – колеса с совмещенными обмотками по технологии «Славянка»

В.Н. Дейнего, руководитель проекта, ООО «Новые энергетические технологии», г. Москва

Энергоэффективный город — это не только энергоэффективные дома и его теплоэлектрохозяйство, но и энергоэффективный транспорт. Растущая урбанизация наряду с ростом цен на топливо и увеличение перегруженности транспортных систем городских районов вынуждает искать альтернативные виды транспорта.

Только в США, согласно исследований Техасского института транспорта ежегодные потери из-за автомобильных пробок составляют от 87 до 100 млрд долл. США, или около 807 млн евро [1]. Это создает предпосылки к росту использования двухколесного транспорта. Электрические велосипеды (E-велосипед, E-Bike) становятся все более популярным видом транспорта. Только в Китае 170 млн чел. использует электровелосипеды каждый день. Проведенные исследования показывают, что в 2023 г. ожидаемый объем продаж E-Bike составит 40 млн шт. [2]. По данным Техасского Института транспорта рынок для электровелосипедов по всему миру имеет следующие показатели:

• ежегодные мировые темпы роста на 2,7% (при консервативном сценарии);
• в Северной Америке — 6,8%;
• в Западной Европе — 12,3%;
• в Латинской Америке — 9,5%.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЕЛОСИПЕД представляет собой велосипед с электрическим приводом, который частично или полностью обеспечивает его движение.
В общем случае электровелосипед отличается от обычного велосипеда наличием трех дополнительных компонентов: электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера. В отличие от электроскутера или же мотоцикла, электровелосипед может приводиться в движение педалями, а его эксплуатация и обслуживание немногим сложней обращения с обычным велосипедом.

МОТОР-КОЛЕСО — самый распространенный вариант велосипедного электропривода на основе бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. Двигатель вмонтирован в колесо вместо ступицы. Устанавливается как на переднее, так и на заднее колесо. Использование мотор-колеса позволяет с минимальными затратами переоборудовать практически любой распространенный городской велосипед под электропривод, причем его дизайн почти не нарушается. Мотор-колесом может быть любое из колес или оба одновременно. Часто мотор-колесо продается в уже собранном (заспицованном) виде. Диапазон мощности у серийно выпускаемых мотор-колес, приводящих в движение электровелосипеды, как правило колеблется в пределах от 200 до 1000 Ватт.

Рынок Западной Европы является вторым по величине. В Китае рынок электровелосипедов вырос примерно 1,2 млн продаж (в 2014 г.) и в 2023 г. ожидаемый объем продаж составляет 3,3 млн шт. в год. Северная Америка превзошла Ближний Восток в качестве третьего по силе рынка в мире.

Показатели рынка электровелосипедов в Германии и Европе:

• более 4400 моделей:
• 200 брендов и более 160 поставщиков:
• в Европе в период с 2009 по 2014 гг. ожидаемый рост продаж E-велосипедов составит от 0,5 млн до 1,4 млн шт.;
• в 2014 в Германии продано 2,1 млн электровелосипедов [3, 4].

В связи с таким ростом увеличился и спрос на мотор-колеса для электротранспортных средств. Это расширяет финансовые горизонты для проекта по созданию мотор-колес на новых принципах.

Проект по применению совмещенных обмоток по технологии «Славянка» при ремонте асинхронных двигателей стал народным и набирает силу. И как говорится в русской народной сказке «Колобок» — «Я от дедушки ушел, а от тебя медведь и подавно уйду». Этот проект покидает просторы России и распространяется по просторам Европы, Индии и Бразилии. Высокие перегрузочные характеристики, большие моменты при малых пусковых токах асинхронных двигателей с совмещенными обмотками привели авторов (создателей технологии «Славянка») к идеи по созданию асинхронного мотор-колеса для городских двухколесных транспортных средств для замены мотор-колеса с постоянными магнитами. Тем более наша страна не обладает запасами редкоземельных металлов для создания эффективных постоянных магнитов. Мировые запасы их находятся в Китае, и он диктует мировые цены на эти металлы.

Учитывая эти факторы и мировые тенденции специалисты ООО «АС и ПП» в очередной раз «поскребли по сусекам» своих «патентных амбаров», дополнив статор с совмещенными обмотками новой конструкцией ротора и учитывая надежность конструкции колеса мотоцикла «Урал» представили мировому сообществу асинхронное мотор-колесо, которое проектируется под брендом «Колобок E-Bike».

Рис. 1. Общий вид электрического велосипеда «Колобок E-Bike».

Общий вид электрического велосипеда «Колобок E-Bike» приведен на рис. 1 а общий вид асинхронного мотор-колеса с совмещенными обмотками на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид асинхронного мотор-колеса
с совмещенными обмотками.E-Bike».

В настоящее время Е-велосипед «Колобок E-Bike» проходит комплексную отладку с контроллером и ходовые испытания на улицах города Зеленограда [5]. Ожидается, что в ближайшее время, согласно русской народной сказке, «Колобок E-Bike» покинет дедушку и уйдет от медведя. Он отправится на стендовые испытания в Германию, так как в России таких стендов нет, а у чиновников нет желания осваивать эту малобюджетную инновационную технологию электрических машин с совмещенными обмотками, которая имеет большой потенциал энергосбережения и огромный рынок спроса [6].

Выводы

1. Перспективный рынок для применения асинхронного мотор-колеса огромен и становится межнациональным.
2. Бренд асинхронный двигатель с совмещенными обмотками по технологии «Славянка» покидает просторы России и становится межнациональным.
3. Е-велосипед «Колобок E-Bike» после стендовых испытаний и подтверждения заявленных высоких характеристик станет достоянием мирового сообщества Е-велосипедистов.

Электровелосипед своими руками: двигатель

В прошлой статье про контроллеры мы уже отмечали, что для электровелосипедов используются трёхфазные асинхронные двигатели, и частично затронули их разновидности.

Напомним: двигатели для электровелосипедов, за редким исключением, бывают двух типов: центральные (кареточные) моторы и мотор-колёса.

Первые устанавливаются в кареточный узел и имеют встроенный контроллер, вторые заспицовываются в обод на место втулки и устанавливаются на место заднего (реже переднего) колеса.

В чём же основные эксплуатационные отличия данных двигателей и в каких случаях стоит выбрать тот или иной вариант?

Центральный мотор

Как я уже сказал, он устанавливается в кареточный узел, то есть вместо каретки. Технически процесс установки выглядит следующим образом: снимаются шатуны с педалями, выкручивается каретка, вставляется двигатель, закручиваются фиксирующие гайки, подключается проводка.

На первый взгляд, ничего сложного, и нужно просто найти съёмник шатунов и ключ для каретки. Но на самом деле при установке центрального мотора стоит учесть несколько важных факторов.

Подводные камни при установке

Очевидно, что производители рам для велосипедов не рассчитывают на то, что на раму будет устанавливаться мотор. В связи с этим, установке мотора на место могут помешать сварные швы, перья и даже просто гидролинии, проложенные под нижней трубой.

И если гидролинии можно пустить в другом месте, то стачивать сварные швы рамы крайне нежелательно. По-первых, это скажется на её прочности, во-вторых — приведёт к потере гарантии.

С перьями ещё интереснее: если звезда мотора упирается в перо, можно поступить двумя способами, каждый из которых не лучшим образом скажется на качестве готового результата.

Первый — изготовить проставочное кольцо на кареточную ось. Однако следует учесть, что если оно будет достаточно широким, может не хватить резьбы для крепления двигателя с обратной стороны.

Также в этом случае, скорее всего, исказится линия цепи (Chainline). Дело в том, что линия, проведённая от звезды мотора к центру кассеты, должна быть перпендикулярна задней оси. Если это правило нарушить, цепь будет перекошена, и при работе двигателя или кручении педалей станет перескакивать по кассете. В результате, кроме неудобств при эксплуатации, значительно возрастёт износ цепи и кассеты.

Второй способ — изготовить новую звезду мотора, меньшего диаметра. Задача творческая и достаточно серьёзная. Нужно подобрать правильный металл, рассчитать размеры и проконтролировать качество. Но очевидно, что уменьшение звезды приведёт к снижению максимальной скорости.

Есть ещё пара важных обстоятельств, которые необходимо учесть, если вы выбрали центральный мотор.

При старте мотор будет стараться провернуться и упереться в нижнюю трубу рамы, независимо от того, насколько сильно затянуты гайки. Поэтому необходимо предусмотреть проставочный элемент между мотором и рамой.

Если его не изготовить, каждый раз при старте двигатель будет выполнять микроудары по нижней трубе, что приведёт к повреждению лакокрасочного покрытия и деформациям.

Часто случается, что при переключении передач цепь соскакивает со звезды мотора. Для решения этой проблемы необходимо, во-первых, установить датчик переключения, чтобы двигатель отключался в момент переключения передач.

И во-вторых, организовать уловитель цепи — либо заблокировав в нужном положении передний переключатель, либо изготовить отдельный уловитель цепи самостоятельно.

Мотор колесо Дуюнова

Краткое описание и введение.
В чем отличие обычного китайского bldc двигателя и асинхронного двигателя? Всё дело в разности конструкций. В асинхронном двигатели не используются постоянные магниты. Магнитное поле там генерируют сами обмотки, когда на них подаётся ток. И когда поле поворачивается, колесо начинает крутиться. Поворотом поля и прочими функциями управляет контроллер.

Главные плюсы новой технологии.
Ни для кого не секрет, что асинхронные двигатели придуманы давно. Первооткрывателями технологии является Доливо Добровольский. В 1889 г. задокументированы первые наброски этой технологии. И до 1995 года эти двигатели имели огромный вес и габариты. Но были энергоэффективней обычный bldc двигателей на магнитах и имели ряд других преимуществ. Например меньший пусковой ток.
И так было до 1995 года, когда Дмитрий Александрович Дуюнов не занялся разработкой собственной обмотки.

Инновационная обмотка Славянка.
В 1995 году была создана новая обмотка славянка. Разработкой занималось ООО АС и ПП во главе с Дмитрием Александровичем Дуюновым и Евгением Дуюновым. Была создана совмещенная обмотка для асинхронных двигателей, которая позволила не только увеличить срок службы двигателей, а так же снизить нагрузки на обмотки, уменьшить температуру обмоток. И увеличить энергоэффективность двигателя почти на 30%. А пусковой ток снизить еще на 15%!

Применение технологии.
И так с 1995 года технология начала активно применяться. Стали перематываться двигатели на заводах, в котельных, генераторных. И прочих местах, где применяются асинхронные двигатели. Стали появляться лицензированные обмотчики, которые получив лицензию на перемотку, стали перематывать двигатели по всей России. На текущий момент двигателей, которые работают на новой технологии совмещенных обмоток, более 100.000 штук!

Смысл и цели.
Технология совмещенных обмоток дала следующие плюсы. Моторы перестали греться. А следовательно срок службы их значительно увеличился. Вместе с этим увеличилась и их мощность. А так же Это дало возможность уменьшить габариты двигателей! А следовательно бОльшую мощность теперь можно получить с меньшего двигателя. При этом он будет потреблять меньше электроэнергии. Что позволит снизить энергозатраты в среднем на 30%. И это реальная цифра.

Асинхронное мотор-колесо Дуюнова.
Как только стало понятно, что размеры асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой Славянка, можно сильно уменьшить (не потеряв в производительности), было принято решение создать небольшое мотор-колесо по этой же технологии. Которое можно будет применять в электротранспорте. Электровелосипеды, электроскутеры, электромобили, электрокары, инвалидные электро коляски, электро рикши и многое многое другое. В электротранспорте большое значение имеет пусковой ток, а так же потребление в движении. Мощности, с которой получилось мотор колесо Дуюнова, может позавидовать самый навороченный китайский двигатель. В пике МК Дуюнова выдаёт до 20кВт, а умещается в маятник обычного велосипеда. А теперь представьте, что у вас больше ширина статора. И это, как минимум уже 40кВт. Поставьте такое колесо на автомобиль, умножте на 4 и получите спорткар почти с мощностью, Tesla