Як працюють безщіткові мотор-колеса?

Мотор-колеса, які широко використовуються для оснащення електроприводом велосипедів, мопедів, скутерів та інших видів персонального електротранспорту – це безколекторні електродвигуни постійного струму. Вони доступні і надійні, мають високий ККД і розвивають великий момент, що крутить. При їх виготовленні використовують потужні постійні магніти рідкоземельних металів. Завдяки цьому винахідникам вдалося уникнути використання щіток, поліпшити характеристики магнітної індукції, зменшити ротор і збільшити ККД електричного мотора до 95%.

Особливості щіткових двигунів

У конструкції двигунів колекторного типу є щітково-колекторний вузол. Саме він контролює позиції ротора та перемикає струм в обмотках. Щітками називають металеві контакти, які передають електроенергію, що надходить від АКБ, на обмотки електромотора. Обертання магнітного поля здійснюється механічно – із застосуванням якоря та щіток, які ковзають по колектору. Струм протікає в зоні електромагнітних кілець і циклічно змінюється зі зворотного на прямий. При зміні його напряму змінюється напрям магнітного поля. Для колекторно-щіткових вузлів характерний знос, який посилюється із зростанням потужності двигуна. Крім того, прискореному зносу щіткового електродвигуна сприяє висока температура, електрична ерозія та забруднення механізму частинками від зношених щіток. Більше того, колекторно-щітковий вузол споживає чимало енергії, через що зменшується ККД двигуна.

Плюси безщіткових електромоторів

• ККД 90-95%;
• більш вигідне поєднання потужності та маси електродвигуна;
• високі значення моменту, що крутить, зі старту;
• відмінна динаміка;
• надійність;
• здатність змінювати частоту обертання у широкому діапазоні;
• стійкість до перевантажень;
• незначне нагрівання при критичних навантаженнях;
• тиха робота;
• довговічність.

Як працюють мотор-колеса без щіток?

У безщітковому моторі обмотки та магніти поміняні місцями, а в статор вбудовано 3 датчики холу, які відстежують розташування ротора. Двигун рухається під дією струму, що подається від АКБ. У процесі обертання він генерує струм та формує зворотне електромагнітне поле, яке притягує або відштовхує магніти. Найчастіше безщіткові МК мають 3-фазну обмотку. На дві їх надходить напруга завдяки сигналам від датчиків холу.

Рухом магнітного поля управляє електроніка – спеціальний контролер. Він забезпечує, щоб вектори магнітних полів статора та ротора були перпендикулярні один одному. Для керування струмом контролер використовує широтно-імпульсну модуляцію. Мікропроцесор обробляє дані, що надходять від датчиків, про позицію ротора і генерує сигнали для управління.

Гранична швидкість обертання МК залежить від напруги та сили електромагнітного поля, що створюється. Чим сильніше поле, тим швидше рухаються магніти. Для посилення магнітного поля достатньо збільшити тривалість імпульсів, що надходять. Від частоти перемикання обмоток залежить інтенсивність обертання МК. Контролери для безщіткових електромоторів мають складніший механізм керування, ніж керуючі пристрої колекторних моделей, які просто регулюють напругу.

Де купити безщіткові мотор-колеса?

В інтернет-магазині VoltBikes представлений величезний вибір безколекторних мотор-колес різної потужності – від 250 до 5000 Вт.Це продукція надійних виробників і ви можете купити її за відмінними цінами з доставкою по всій Росії. Залежно від типу велосипеда, рельєфу місцевості та бажаного збільшення швидкості, ви можете вибрати мотор-колесо редукторного типу або прямого приводу, для встановлення на переднє або заднє колесо, заспицоване в обід потрібного розміру (від 12 до 29 дюймів) або окремо. На всі товари надається гарантія.

Як працює мотор-колесо?

Мотор-колесо – безщітковий синхронний електромотор постійного струму, інтегрований у маточину колеса. Електричні мотори даного типу не використовують допоміжні механізми передачі потужності від електродвигуна до колеса і позбавлені компонентів, схильних до тертя, крім підшипників в редукторних моделях. Електромотор, передавальний механізм та колесо об'єднані у загальний вузол, що надає йому високу експлуатаційну надійність.

Типи мотор-колес

1. Редукторні – з вбудованим планетарним редуктором. Такі моделі компактні та легковагні, не створюють опір при їзді з відключеним мотором, мають відмінні тягові якості та забезпечують впевнене подолання підйомів. Але вони виробляються невеликої потужності – 250–500 Вт, тому високі швидкості не дозволяють розвинути.
2. Прямого приводу – безредукторні. Виробляються потужністю від 500 до декількох кіловат і дозволяють отримати швидкість аж до 100 км/год і більше. Але прямопривідні мотори поступаються редукторним моделям за тяговими характеристиками, а у відключеному стані чинять опір при накаті. Для комфортних поїздок горбистою місцевістю потужність МК прямого приводу повинна становити не менше 1500 Вт.

Відмінності у пристрої мотор-колес

За наявності планетарного редуктора зростає момент, що крутить, мотор-колеса, але обмежуються його швидкісні можливості. При використанні редукторного МК ви зможете легко долати підйоми, але при їзді прямолінійних ділянках швидкість буде помірною – в середньому до 30–35 км/год.

У прямопривідних моделей все навпаки – доступні вищі швидкості, але момент, що крутить, нижче, тобто. тягові характеристики у редукторного МК на 350 Вт та прямопривідного МК на 1500 Вт приблизно однакові. За надійністю редукторні моделі трохи поступаються прямопривідним, т.к. у конструкції редуктора є планетарна передача з 3 шестернями із пластику. Їхній приблизний ресурс – 6000–9000 км пробігу. Проте редукторні моделі забезпечують кращий накат і дозволяють легше крутити педалі при відключеному моторі.

Прямопривідні моделі мають гранично просту і надійну конструкцію без шестірня, вищий ККД і здатність до рекуперації енергії. Усередині такого пристрою знаходяться статор та ротор – жорстко зафіксована вісь колеса з обмотками та втулка із потужними постійними магнітами. Це традиційна схема 3-фазного двигуна змінного струму.

Як працює мотор-колесо?

Незалежно від того, як влаштовано електроколесо - з редуктором або без нього, принцип роботи однаковий. У статорі у вигляді багатопроменевої зірки з електротехнічної сталі утворюється магнітне поле. При взаємодії із постійними магнітами воно ініціює обертання ротора. На променях статора є обмотки, і коли ними йде струм, промені перетворюються на електромагніти. Вони притягують постійні магніти на роторі та ініціюють обертання ротора.

Для отримання потрібної потужності та рівномірного обертання колеса статор має кілька десятків обмоток.Але в результаті вони з'єднуються в 3 і чергуються по колу: 1-2-3-1-2-3. На протилежному боці на роторі є магніти з рідкісноземельних матеріалів. Коли на обмотки надходять імпульси напруги, відбувається активізація їх магнітних якостей, взаємодія з магнітами та обертання ротора.

Імпульси надходять на обмотки почергово та чітко у потрібні моменти часу. Визначають ці моменти датчики Холла, що знаходяться на статорі. Вони відстежують взаємне розташування ротора та статора, відгукуються на магнітне поле та відправляють сигнали на контролер. З отриманих відомостей контролер своєчасно подає на обмотки статора імпульси напруги. Обмотки перетворюються на електромагніти, вступають у взаємодію Космосу з постійними магнітами ротора і змушують його обертатися. Наочно принцип роботи безколекторного електродвигуна представлений на зображенні.

Елементи керування мотор-колесом

Інтенсивність обертання ступичного електродвигуна регулюється важелем газу. При зміні положення змінюється число імпульсів напруги, що подаються в одиницю часу на обмотки. В результаті змінюється швидкість їзди. У ручки гальма також вбудовані датчики, які у свою чергу відключають подачу живлення на електричний двигун при гальмуванні.

У попередній статті блога VoltBikes розповідається про те, яку напругу краще вибрати для електровелосипеда.

Що таке мотор-колесо

Мотор-колеса широко використовують для оснащення електричним приводом велосипедів, скутерів, самокатів, гіроскутерів, мопедів, складських машин, автоботів, візків, тачок та інших видів техніки. Використання моторизованих коліс дозволяє модернізувати конструкцію та покращити її експлуатаційні характеристики.Наприклад, зробити апгрейд звичайного велосипеда і перетворити його на швидкий і тяжкий e-bike. Або отримати на базі ручного візка функціональну самохідну модель, яка значно спростить перевезення вантажів. У цій статті ми розглянемо, що таке мотор-колесо, як воно влаштоване і в чому секрет його популярності.

Двигун-колесо, що це?

Так називають колесо із вбудованим електромотором у міцному вологозахищеному корпусі. Це цілісний вузол, при використанні якого потужність електродвигуна передається безпосередньо на колісну вісь, без застосування допоміжних механізмів. Ось що означає тип двигуна "мотор-колесо", званий також втулковим, ступичним електромотором або Hub Motor.

В основі його конструкції – 3-фазний безщітковий електродвигун постійного струму, що обертається завдяки перемиканню обмоток. Це вентильний синхронний електродвигун із англійською абревіатурою BLDC або PMSM. Якір у нього виступає одночасно колісною віссю та кріпиться на корпусі за допомогою підшипників. При роботі Hub Motor виконується частотне регулювання із самосинхронізацією: вектор магнітного поля статора управляється з урахуванням положення ротора. За перемикання та регулювання струму на обмотках відповідає контролер, який отримує відповідні сигнали від датчиків положення.

За електрифікації техніки за допомогою МК замість звичайних коліс встановлюють моторизовані. Іноді ступичні електромотори продають окремо, наприклад, для велосипеда можна купити не заспицированный мотор і самостійно спіцювати його в подвійний посилений обід. Але простіше вбудовувати МК у зборі.Встановити його можна на будь-яку вісь, наприклад замість переднього або заднього колеса двоколісного транспорту, на одну або дві осі візка, автобота-ровера або іншої техніки.

З чого складається мотор-колесо та як воно працює?

До складу такої конструкції входять:

• колесо;
• електромотор - найчастіше це безколекторний (безщітковий) двигун постійного струму (БДПТ);
• передавальний пристрій.

Сполучені в єдиний вузол, вони забезпечують його злагоджену роботу та високу надійність, т.к. в конструкції немає деталей, що швидко зношуються. Статор ступичного електромотора є зіркою з безліччю променів з електротехнічної сталі. У роторі знаходяться постійні магніти з рідкісноземельних матеріалів, а на численних променях статора по колу розміщені десятки котушок з паралельною мідною обмоткою за принципом А-В-С-А-В-С. При подачі на неї постійного струму промені набувають властивостей електромагнітів. Робота БДПТ базується на взаємодії магнітних полів, що утворюються.

Під дією напруги котушки забезпечують тяжіння протилежних полів ротора та статора. Так, коли ротор наближається до котушки А, подається напруга на котушку У. Коли він наближається до котушки У – напруга подається на котушку З, але в А змінюється полярність. Процес циклічно повторюється з усіма котушками і відбувається обертання ротора.

Для коректної подачі напруги певні котушки в конкретні моменти часу застосовується електронний контролер. Зазвичай у МК використовують датчики Холла. Вони знаходяться на статорі і забезпечують 3-фазну роботу обмотки: контролюють взаєморозташування ротора і статора, реагують на магнітне поле, що виникає, і передають сигнали контролеру.Він же вчасно подає імпульси напруги на обмотки, перетворюючи їх на електромагніти, що взаємодіють із постійними магнітами ротора. Так забезпечується плавне обертання електродвигуна втулки.

Типи МК

Безколекторні мотор-колеса бувають 2 типів:

1. Редукторні – тягові моделі з вбудованим планетарним редуктором. При однаковій потужності вони компактніші, відрізняються легкою вагою і мають більший крутний момент. Мотори-редукторники у вимкненому стані не перешкоджають обертанню колеса, наприклад, при використанні педального приводу або кочення візка з вимкненим електроприводом. Також вони дозволяють легко долати підйоми та нерівності на шляху. Як правило, такі МК виробляються у діапазоні потужностей від 250 до 1000 Вт. Їхній орієнтовний ресурс - 6000-9000 км пробігу. Саме на такий термін служби розраховані деталі, що зношуються, в їх конструкції – пластикові шестерні в планетарній передачі редуктора.
2. Прямого приводу – надійні двигуни з акцентом не на тягові, а на швидкісні характеристики. Мають класичну конструкцію 3-фазного електродвигуна змінного струму, без шестерні. Бувають потужністю від 500 Вт до кількох кіловат. Часто використовуються для збирання швидкісних електровелосипедів, електромопедів, електроскутерів. Оптимально підходять для швидкого пересування дорогами в рівнинній місцевості, але при потужності понад 1500 Вт підходять і для їзди горбистими ландшафтами. У вимкненому стані прямопривідні двигуни перешкоджають вільному накату, тобто. крутити педалі або котити техніку при відключеному двигуні важче. Натомість вони підтримують функцію рекуперації енергії при гальмуванні та розраховані на пробіг близько 150 000 км.

Що потрібно для мотор-колеса: харчування та керування

Живлення електродвигуна забезпечує акумуляторна батарея тягового типу. При зарядці електромережі вона накопичує енергію, а потім віддає її мотору. Важливо, щоб батарея без перегріву видавала необхідні струми розряду, мала достатній запас ємності для тривалої автономної роботи і була досить легкою і компактною, щоб не обтяжувати конструкцію. Такими якостями володіють високострумові Li-ion батареї та моделі підвиду LiFePO4.

Злагоджену роботу електромотора та АКБ забезпечує спеціальний електронний блок – контролер керування. Для управління потужністю двигуна зазвичай використовують ручку або курок газу. При зміні положення подається імпульс на датчик Холла, і він посилає сигнал контролеру. Саме він змінює кількість імпульсів напруги, що подаються на обмотки в одиницю часу, а отже – і швидкість.

Замість ручки газу (або на додаток до неї) на електровелосипеди з невеликою потужністю двигуна (250-500 Вт) іноді встановлюють систему допомоги педалюванню - PAS Assist. Вона дозволяє використовувати велосипед у гібридному режимі "мотор + педалі". У такому випадку електромотор вмикається під час педалювання і можна вибрати рівень його допомоги залежно від поточних обставин. Для коректної роботи системи PAS та відключення подачі живлення на двигун при гальмуванні використовують ручки гальма з датчиками спрацьовування.

Переваги

Головними перевагами мотор-колес виступають:

• проста надійна конструкція електромотора, в якій якір одночасно є колісною віссю;
• відсутність «посередників» під час передачі крутного моменту на провідне колесо;
• високий ККД – до 97%;
• менш виражене нагрівання через перевантаження – порівняно з традиційними електродвигунами;
• ціна - наприклад, порівняно з каретковими моторами тієї ж потужності МК приблизно на 30% дешевше;
• економічність;
• нескладна установка;
• економія простору - наприклад, в електромобілі двигун не займає місце усередині транспортного засобу;
• відсутність великої кількості деталей, жодних колекторів та щіток у конструкції;
• ремонтопридатність;
• довговічність;
• екологічність – важлива перевага перед ДВЗ.

До речі, мотор-колеса були створені ще в 19 столітті, але в той час ще не винайшли досить легких і ємних АКБ, здатних ефективно працювати в циклічному режимі. Проте з появою енергоефективних Li-ion акумуляторів людство змогло оцінити переваги МК на практиці.

В інтернет-магазині Shura-Master.ru можна придбати різні мотор-колеса за відмінними цінами з доставкою по всій Росії. Зокрема, ми пропонуємо мотор-колеса для візків.

Читайте у попередній статті нашого блогу про те, як працює портативна зарядна станція.