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?

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.

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.

Крупнейшими, да и, по сути, единственными массовыми производителями центральных моторов на сегодняшний день являются Bafang и Tongsheng.

На велосипедах с задним амортизатором (так называемых двухподвесах) использование мощных центральных моторов может привести к изгибанию велосипеда.

Это происходит из-за того, что при работе двигателя передняя звезда, установленная на моторе, как бы притягивает к себе кассету, то есть велосипед стремится сложиться вправо.

Данный эффект заметен настолько сильно, насколько надёжно и точно изготовлены подшипники перьев. Чем больше люфт и чем выше мощность, тем больше велосипед будет скручивать.

На хардтейлах (велосипедах без заднего амортизатора) перья приварены к раме, поэтому эффект скручивания практически отсутствует.

В соответствии со своим названием, мотор-колесо представляет собой колесо с мотором, заспицованным на место втулки, и теперь давайте рассмотрим виды двигателей, которые заспицовываются в мотор-колёса.

Это самый тяжёлый двигатель из тех, что устанавливаются в мотор-колёсах. Я сразу сделал акцент на вес потому, что чем он больше, тем сильнее мы смещаемся от понятия велосипед к понятию мотоцикл.

Двигатель прямого привода не имеет редуктора, следовательно, частота вращения колеса совпадает с частотой вращения ротора. И здесь скрыты как свои преимущества, так и свои недостатки данной реализации.

Отсутствие редуктора, с одной стороны, говорит нам о повышенной надёжности, поскольку нет лишних шестерёнок, которые могут выйти из строя при перегреве и неправильной эксплуатации.

С другой стороны, это означает пониженный момент на старте двигателя при той же мощности. Иными словами, для того, чтобы получить приемлемое ускорение на старте, нам нужно больше мощности, чем в случае с редукторным мотором.

Вес мотор-колеса с двигателем прямого привода достигает 10 кг и более, из-за чего требуется применение более толстых спиц и более крепкого обода. А далее, по цепочке, более крепкой рамы, более мощной батареи, более надёжных тормозов и так далее.

Просто представьте, что в центре заднего колеса велосипеда разместилась 10-килограммовая гиря, которая увеличивает инерционность всего велосипеда в целом. При эксплуатации это серьёзно скажется на манёвренности.

Случается, что значительный вес, в комплексе с неквалифицированной установкой, приводит к поломке оси мотора прямого привода. Для изготовления новой оси придётся найти качественного токаря с доступом к качественным материалам. А затем заново протягивать кабель внутри новой оси.

Одним из основных преимуществ моторов прямого привода считается возможность использования рекуперации, то есть обратного преобразования кинетической энергии движения в электрическую.

Основное её применение - торможение без использования тормозных колодок. Но не стоит отказываться от колодок совсем - при возникновении неисправности электропроводки велосипед невозможно будет остановить.

Второе назначение рекуперации - заряд батареи при торможении. Многие скажут, что это более важная функция, чем рекуперативное торможение, и её следует поставить на первое место.

Но дело в том, что заряд батареи при торможении актуален исключительно в горной местности, так как невысокий КПД не позволит сколь-нибудь ощутимо зарядить батарею на относительно коротких спусках.

В противовес двигателям прямого привода, в качестве мотор-колеса на электровелосипеды устанавливаются редукторные моторы, у которых один оборот колеса соответствует определённому количеству оборотов ротора, в соответствии с коэффициентом редукции.

Чаще всего на Aliexpress встречаются моторы с одноступенчатым редуктором, реже - с двухступенчатым. Цена вторых, соответственно, выше. Количество ступеней редукции лучше сразу уточнить у продавца при заказе.

Очевидно, что у мотора с 2-ступенчатым редуктором момент на старте будет выше, поскольку для выполнения одного оборота колеса потребуется больше оборотов ротора, а значит вращать ротор будет легче.

Кроме высокого момента на старте, редукторные моторы имеют ещё одно преимущество перед моторами прямого привода - они весят в разы меньше (около 2 кг). Соответственно, ниже нагрузка на спицы, на обод, ниже вес готового электровелосипеда, выше манёвренность.

Конечно, редукторные моторы также не лишены недостатков, основной из которых - срезание зубьев шестерней. Обычно это происходит в результате перегрева мотора в сочетании с неправильной эксплуатацией.

Для того, чтобы не перегреть мотор, придётся либо постоянно следить за его температурой, либо просто использовать контроллер с термозащитой, как это реализовано, например, у electronbikes.

Второй недостаток редукторного мотора - невозможность использования рекуперации. Это обусловлено, собственно, наличием редуктора. Но давайте разберёмся - так ли уж важна рекуперация?

Если мы рассматриваем тяжёлое средство передвижения, такое, как, например, троллейбус, трамвай, электровоз, электромобиль или тяжёлый электровелосипед (скорее даже электромотоцикл), то да, это экономия тормозных колодок и подзарядка батареи.

Но если речь идёт об электровелосипеде общим весом около 20 килограмм, с лёгким редукторным мотором, то смысл в рекуперации отпадает. Этому есть несколько причин.

Во-первых, гораздо эффективнее экономить энергию батареи путём использования ассистентного режима (помощь при педалировании), поскольку степень помощи (а следовательно, и расход батареи) определяет сам велосипедист.

Во-вторых, для лёгкого электровелосипеда достаточно использования хороших дисковых тормозов, в отличие от тяжёлого электромотоцикла.

В-третьих, как я уже писал выше, использование рекуперации в целях подзаряда батареи целесообразно только в горной местности, с затяжными спусками.

Если центральный мотор при работе упирается в нижнюю трубу рамы, то мотор-колесо упирается осью в дропауты, и если не применить дополнительного усиления дропаутов, ось мотора провернётся даже при небольшой мощности.

Чтобы этого избежать, на всех мотор-колёсах (за исключением совсем маломощных в сочетании со стальной рамой) используются так называемые торкармы (torque arm, моментный рычаг), или усилители дропаутов.

Торкармы изготавливаются из стали, надеваются на ось мотора и крепятся к раме. Для маломощных двигателей применяют один торкарм, для мощных - два, по одному с каждой стороны мотора.

Вроде всё понятно и просто, но и здесь есть свои нюансы.

Во-первых, важное значение имеют толщина и марка стали, из которой изготавливаются торкармы. Если металл недостаточно твёрдый, а двигатель мощный, ось может провернуться.

Во-вторых, точность изготовления. Чем плотнее торкарм сидит на оси мотора, тем ниже вероятность его проворачивания, и, соответственно, выше допустимая нагрузка.

В-третьих, торкармы при установке должны быть строго перпендикулярны оси мотора. Если допущен перекос, при затягивании гайки возникнет напряжение, которое может привести либо к выскакиванию оси из дропаута, либо к её поломке.

В-четвёртых, торкарм должен быть надёжно прикручен к дропауту или перу рамы. Самый лучший вариант - использование резьбовых отверстий, предназначенных для установки багажника или крыльев.

Недостаточно жёсткое крепление торкарма (некоторые любители крепят его сантехническим хомутом) приведёт к его расшатыванию и поломке такого крепления, а как следствие - проворачиванию оси, повреждению кабеля и, скорее всего, к его замене (перепротяжке).

В связи с тем, что разные производители далеко не всегда придерживаются общего стандарта в производстве моторов, лучше всего приобретать мотор в комплекте с контроллером, так как фазировка, или цветовая схема разъёмов, может отличаться.

Также следует обратить внимание на длину кабеля, выходящего из мотора. Если мотор мощный, то излишне длинный кабель будет добавлять сопротивление к сопротивлению обмоток двигателя. Соответственно, часть энергии будет уходить на нагрев кабеля, особенно если силовые провода в нём недостаточного сечения.

Кроме этого, длинный кабель нужно будет где-то прокладывать и закреплять, а при возникновении необходимости снять колесо оно потянет за собой демонтаж этих креплений по всей длине до разъёма.

На фото мотора прямого привода, которое я привёл выше, силовые провода выведены отдельно от проводов с датчиков положения и скорости. Это неудобно, так как при монтаже и демонтаже возникает необходимость отсоединения каждого провода по отдельности.

Более того, такое соединение является негерметичным, в отличие от ситуации на фото с редукторным мотором - там все провода, включая силовые, объединены в одном герметичном разъёме. Такой вариант, очевидно, более предпочтителен. Главное, чтобы разъём был рассчитан на тот ток, который будет подаваться на мотор контроллером.

Для того, чтобы велосипедист мог при необходимости посмотреть температуру мотора на дисплее, необходимо соблюдение нескольких условий. Во-первых, очевидно, дисплей должен иметь такую функцию.

Во-вторых, в кабеле двигателя должен быть соответствующий провод (как правило, белого цвета). И, в-третьих, конечно же, в моторе должен быть установлен сам датчик температуры.

Производитель мог проложить белый провод в кабеле двигателя для измерения скорости, но не установить датчик температуры. В таком случае, это можно сделать самому, как я уже описывал в одной из своих прошлых статей.

Центральный мотор, по сути, берёт на себя функцию велосипедиста - вращение педалей, то есть момент силы передаётся на колесо через цепь, и ему, как и велосипедисту, легче работать на нижней передаче заднего переключателя и тяжелее на высокой.

Такой мотор очень удобен при прохождении трассы с крутыми подъёмами - переключил на пониженную и он тебя спокойно затягивает наверх, вышел на горизонтальный участок, переключил на повышенную - и разогнался.

Кроме этого, велосипед с центральным мотором имеет более правильную развесовку, благодаря чему обладает повышенной манёвренностью. Это сильно ощутимо при участии в соревнованиях, подобных веломарафону "Самарская лука".

Однако мотор-колесо имеет свои преимущества, благодаря которым успешно конкурирует с центральным мотором.

Во-первых, мотор-колесо проще установить, достаточно убедиться что рама имеет не осевое крепление, а QR (quick release, быстросъёмное, с эксцентриком). Хотя и для осевого крепления можно сделать переходники.

Во-вторых, на мотор-колесе можно продолжить движение даже при выходе из строя цепи или заднего переключателя. А при эксплуатации, соответственно, ниже износ данных компонентов.

В-третьих, мотор-колесо с двухступенчатым редуктором имеет достаточно высокий момент, чтобы въезжать в довольно крутые подъёмы, так что в повседневной эксплуатации практически не уступает центральному мотору.

На этом пока всё. Если понравилось, подписывайтесь на мой канал в Яндекс.Дзен, ссылка ниже.

Удачи!