Асинхронное мотор колесо для велосипеда

Мотор-колесо Дуюнова

Дмитрий Дуюнов – российский изобретатель асинхронного мотор-колеса, в котором вместо пояса сильных редкоземельных магнитов, как в классических электродвигателях, используется широкое кольцо из медной обмотки. Мощность уже имеющегося прототипа около 2,5 кВт при крутящем моменте в 200Нм.

В этом моторе реализован гениальный и простой принцип инженерии — принцип комбинированного или совместного воздействия. Используются две взаимозависимые совмещенные обмотки, одна из которых собрана в «звезду», а вторая в «треугольник».

Данная идея была возможна и ранее, но только в теории, на практике же всё упиралось в необходимость дополнительных, в том числе и эмпирических расчетов, что Дмитрию, как видим успешно удалось. Мотор также управляется внешним контроллером, как и классический тип, и питается от литиевой батареи.

Видео про разработку Дмитрия Дуюнова от канала АвтоВести.

Преимущества мотор-колеса Дуюнова

Все существующие на сегодняшний день электромоторы любого назначения это, либо коллекторные моторы, где контакт происходит с помощью графитовых стержней «щеток», либо моторы, использующие внешний пояс из редкоземельных магнитов.

Коллекторные электромоторы имеют недостаток в виде трущихся деталей, а соответственно вытекающих из этого недостаточной надежности, долговечности и шумности.

Бесщеточные моторы на постоянных магнитах такого недостатка лишены, но они требуют промышленную добычу этих самых магнитов, их обработку и установку, что требует высокопрофессионального производства. К тому же, запасы данных магнитов на нашей планете не безграничны и рано или поздно придется искать им замену или обращаться к другим принципам самого электромотора.

Мотор, представленный Дмитрием, не требует установки магнитов, их место занимает значительного размера обмотка из простой медной проволоки. Данная конструкция в том числе позволила значительно увеличить крутящий момент мотора. Для сравнения, обычное мотор-колесо выдает около 40-60 Нм, против 200 Нм у рассматриваемого прототипа Дуюнова.

Также как и бесщеточные моторы на магнитах, мотор Дмитрия имеет малую неподрессоренную массу, что позволяет рассматривать его использование в том числе в автомобиле в качестве основного движителя. Тем более это возможно благодаря значительному росту мощности мотор-колеса при увеличении размеров внешней обмотки.

Со слов изобретателя — ограничиваясь внутренними габаритами классического автомобильного колеса – возможно расположить в нем мотор 20 и даже более киловатт при частоте вращения 1000 об/мин, что при установке в каждое колесо даст более 80 кВт а это уже более 100 л.с. — чего достаточно для современного городского автомобиля. Вес данной конструкции составит около 18 кг, что не так уж и много, если учесть что данная конструкция будет лишена ступичного узла и приводных валов используемых в классической компоновке автомобиля.

Увеличение мощности в таком моторе, помимо остального, в первую очередь достигается за счет увеличения толщины слоя внешней обмотки мотора – для представленной мощности в 2,5 кВт требуется около 3,5 см слоя обмотки, в то время как для 20 кВт потребуется слой, увеличенный всего до 7 см.

Данное изобретение Дмитрий естественно запатентовал, что не позволяет другим интересующимся организациям по всему миру «украсть» данную идею, хотя постоянные попытки обойти патент не прекращаются – что ожидаемо для изобретения такого уровня.

В ближайшее время данный мотор будет передан в Германию в немецкую независимую лабораторию для получения точных паспортных характеристик и сертификата.

Мотор-колесо (полный обзор)

Что такое мотор-колесо? Чем различаются различные типы моторзколес? 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). Изобретено оно в конце XIX века.
В электровелосипедостроении оно постепенно вытесняется кареточными моторами, зато для электросамокатов – это пока лучший тип привода.

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

* МК дешевле кареточных моторов и их легче ремонтировать из-за более простой конструкции.
* МК не нагружают трансмиссию, поэтому цепь и звездочки изнашиваются медленно.
* Выключенное редукторное МК не создает сопротивления педалированию (если не учитывать большой вес колеса с мотором).
* МК располагаются на велосипеде выше кареточных моторов, соответственно их труднее утопить проезжая по глубоким лужам.
* С МК прямого привода можно собирать электробайки развивающие скорость от 50 км/ч.

* Установка МК требует переспицовки колеса.
* В большиснстве случаев контроллер располагается отдельно от мотора. Нужно где-то крепить его на раме и тянуть дополнительные провода.
* Безредукторные МК (директ-драйвы) создают заметное сопротивление при свободном качении.
* МК увеличивают неподрессоренную массу и ухудшают развесовку велосипеда уводя центр тяжести к заднему или переднему колесу.
* На колесах с МК нужно усиливать дропауты и использовать более мощные ободья.
* МК никак не задействует трансмиссию велосипеда. Соответственно все плюсы переключения скоростей – мимо.
* По комплексу характеристик МК проигрывают кареточным моторам при использовании в горных и холмистых районах.

Классификация мотор-колес

Прежде чем купить мотор-колесо нужно понять, какое вам нужно. Мотор-колеса бывают двух типов: редукторные (Geared Hub Motor) и прямого привода (Direct-Drive Hub Motor, директ-драйв, бесщеточный, безредукторный, ДД, DD).

Директ-драйв

Английское название: Direct-Drive Hub Motor (DD). Русские названия различаются: директ-драйв, прямоприводный мотор, мотор с прямым приводом, безредукторный, ДД. Моторы с прямым приводом – самые простые двигатели. В них не подвержено износу ничего, кроме подшипников. Вал двигателя является осью. Поскольку вал зафиксирован на месте, электромотор вращается вокруг вала вращая колесо и продвигая вас вперед.

Мотор-колесо с прямым приводом от компании Golden Motor в разборе.
Это оно в 3D такое симпатичное, в реале попроще, как на фотографии ниже.

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 покупают 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.

Директ-драйв в разборе

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).

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, электросамокатах 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.

Редукторное мотор-колесо в разборе

Копенгагенский веломотор

Так называемый копенгагенский веломотор – это силовая установка в которой 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).

Различия по типу крепления тормоза

Мотор-колеса отличаются по типу крепления тормоза.

У мотор-колес Bafang понять под какой тормоз мотор довольно легко: дисковый (буква “D” в конце названия мотора), роллерный (буква “R” в конце названия мотора) и вибрейк (“V”). У мотор колес MXUS читайте описания конкретных моделей, там все указано.

Разный диаметр оси

Диаметр оси у мотор-колеса может быть разный, у легких редукторных моторов – 12 мм (QQ, Bafang), у тяжёлых редукторных и “директ-драйвов” – 14 мм (MAC), у некоторых диаметр оси 16 мм. Не смотря на разный размер оси практически все мотор-колеса предназначенные для установки на электровелосипед имеют “проточку” с двух сторон под стандартные велосипедные дропауты в 10 мм.

Задние мотор-колеса под трещетку или кассету

Задние мотор-колеса выпускаются под трещетку и под кассету. Чем отличаются трещетка от кассеты можно ознакомиться по ссылке. В техническом описании мотора нормальные компании-производители это указывают.

Различия мотор-колес по ширине

Мотор-колеса производят для электросамокатов, электрификации велосипедов, фэтбайков и электроскутеров. Основные стандарты для обычных велосипедов: 90-93, 100-105, 135, 145 мм. Чаще 135 мм. Для фэтбайков: 175 мм и 190 мм.

Выбор мотор-колеса

Достаточно знать только одно: какой вам нужен электровелосипед? Городской, пригородный, туристический, грузовой или горный?

Далее выбираете мотор соответствующего назначения из обзоров мотор-колес Bafang, MXUS, Keyde, Xiongda, Shengyi или обширного ассортимента директ-драйвов QS Motor. Если у вас нет денег на моторы известных производителей, то покупаете “ноунейм” или мотор малоизвестной китайской фирмы. Они далеко не всегда хуже.

Мотор-колеса для городских электровелосипедов разработаны для спокойных поездок по равнинной местности. Они дешевы и надежны, если их использовать по назначению.

Моторы для пригородных электровелосипедов, как правило имеют чуть лучшие тягловые характеристики и хорошо справляются с умеренными подъемами.

Электромоторы для трекинговых велосипедов разработаны с учетом их будущего использования на длинных маршрутах, в том числе в холмистой местности.

Мотор-колеса для горных велосипедов (e-MTB) не производятся, поскольку в этой области применения они не могут конкурировать с кареточными моторами. Но некоторые производители указывают этот тип применения в рекламных целях. Как правило это моторы с хорошими тягловыми характеристиками разработанные для использования в условиях пересеченной местности.

Если вы здравомыслящий человек и не собираетесь гонять на электовелосипеде со скоростью выше 25–30 км/ч, то вам подойдет редукторный мотор мощностью 250–350 W. Если же хочется летать с велика на скоростях 40–45 км/ч, выбирайте мотор от 500 W и защитную экипировку.

Людям мнительным, сомневающимся, испытывающим трудности в принятии решений, а также электровелодрочерам при выборе мотор-колеса рекомендуется воспользоваться симулятором.

Задавать вопросы на специализированных форумах довольно бессмысленно. Людям разбирающимся в электровелосипедах давно надоело бесплатно отвечать на бесконечно повторяющиеся и дурацкие с их точки зрения вопросы, поэтому вероятнее всего вы получите ответ от какого-то некомпетентного персонажа оттачивающего свои амбиции.

С выбором батареи для вашего мотор-колеса вам может помочь статья про аккумуляторные батареи.

Конечно же лучше покупать комплект: мотор-колесо + контроллер + провода + тормозные ручки с датчиками тормоза + дисплей с пультом управления. В этом случае вам не придется ломать голову над вопросами совместимости отдельных элементов системы.

Датчики

В мотор-колесах, как правило есть датчики скорости, или датчики частоты вращения педалей (speed sensor), которые сообщают контроллеру, как дозировать помощь мотора в зависимости от частоты вращения педалей.

Датчики крутящего момента (torque sensor) реагируют не на частоту, а на усилие, которое велосипедист прикладывает к педалям, что создает ощущения более похожие на использование обычного (не электрического) велосипеда. Датчики крутящего момента используются в основном в кареточных моторах на горных электровелосипедах.

Усилители дропаутов

После установки мотор-колеса вы можете столкнуться с тем, что места крепления колеса к раме (так называемые дропауты) из-за увеличившейся нагрузки попросту разрушатся со всеми вытекающими для вашего здоровья последствиями. Что бы этой проблемы избежать используются усилители дропаутов (по английски: torque arm).

Усилители дропаутов имеют различные конструкции. От относительно легких (для маломощных моторов), до весьма увесистых конструкций для мощных и тяжелых директ-драйвов. Лучше их установить и далее не думать о возможных проблемах.

Полноприводный электровелосипед

Вы можете установить и переднее и заднее мотор-колесо, получив таким образом полноприводный электровелосипед. У него есть, как плюсы, так и минусы. Минусов больше.

Сколько стоят мотор-колеса?

Проще всего проанализировать ассортимент Aliexpress. Самое дешевый мотор (250 W, незаспицованный и от совершенно неизвестного производителя) для велосипеда мне удалось найти за 5981 руб.

Если смотреть популярные моторы, то цены начинаются от 8 000 руб. Например 350 W мотор Shengyi для заднего колеса стоит 9 550 руб. Хорошо зарекомендовавший себя задний редукторный мотор для электрофэтбайка от Bafang: 14700 руб. Директ-драйв 1500 W – 12 600 руб. И так далее…

Где купить?

Можно купить мотор-колесо или комплект (мотор+контроллер+ручка газа+дисплей+батарея) у российских продавцов.

Но чаще наиболее выгодное предложение можно найти на Aliexpress, или других китайских интернет-площадках.

Некоторые интернет-магазины представленные на Aliexpress:

Обслуживание мотор-колеса

Это самая короткая глава. Мотор-колесо не нужно обслуживать, если вы его не утопили, по крайней мере до достижения пробега более 10 000 км.
Для смазки подвижных частей мотора можно использовать различные масла. Почитайте статью про обслуживание кареточных электромоторов, там описана эта довольно мутная тема.

Текст: Дмитрий Константинов
Фотографии: Википедия и компании производителей веломоторов

Источник