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.

Велосипед Hot Wolf для сборки электровелосипеда

Собирать электровелосипед будем не из самых дешёвых компонентов, но и не из дорогих, так скажем золотая середина.

И так как практически все производится в Китае то и заказывать будем из Поднебесной, но, впрочем, и по месту можно заказать все компоненты, но это будет на 30, а то и на 50% дороже нежели если закажем с Китая, и для этого надо набраться немного терпения и подождать доставки, благо празднование Китайского нового года закончилось, и они работают в обычном режиме.

Правила безопасности

Собрать аккумулятор для электровелосипеда несложно, но нужно ответственно относиться к процессу сборки и четко соблюдать правила безопасности. Элементы питания и собранную из них батарею нельзя ронять, ударять, нагревать, деформировать и подвергать другим воздействиям. Недопустимо использовать ячейки сомнительного качества или имеющие явные повреждения.

Необходимо беречь аккумуляторы от смены полярности, перезарядки, глубокого разряда, короткого замыкания, прямого воздействия солнечных лучей. Если используете паяльник, его воздействие на ячейки должно быть коротким – до 2 секунд, чтобы не допустить перегрева. Лучше использовать легкоплавкий припой и достаточно мощный паяльник с тепловой стабилизацией, чтобы быстро прогреть место пайки. Еще лучше – применять контактную сварку.

Порядок или этапы сборки электровелосипеда

Почему выгоднее собрать самому, а не купить готовый?

Во-первых – покупать готовый электровелосипед будет дороже, а на ту сумму, которую вы потратите на самостоятельную сборку электровелосипеда можно конечно купить готовый, но по характеристикам он будет значительно уступать, и вы поедете на нем медленнее чем хотелось бы, на расстояние короче, чем вам надо и компоненты будут зачастую не высокого качества.

Что нужно уметь что бы самому собрать электровелосипед?

Если вы умеете снимать колесо с велосипеда считайте, что половина умения у вас есть, но также надо уметь немного паять, и понимать, что и для чего вы это делаете, особенно внимательно надо отнестись к самостоятельной сборке аккумуляторной батареи и если у вас нет начальных навыков, то лучше купить готовый АКБ для электровелосипеда, а с остальным вы уже легче лёгкого справитесь.

Какие инструменты понадобятся при сборке?

Самые обычные рожковые ключи, можно небольшой разводной ключ, так же потребуется ключ для спиц – стоит он совсем недорого.

Паяльник – желательно помощнее это если будете сами собирать АКБ он понадобится для лужения и припайки силовых проводов, а сам аккумулятор будем сваривать на никелевой ленте при помощи недорогой сварки так же с Китая и также потребуется автомобильный аккумулятор.

Сколько нужно денег что бы собрать электровелосипед?

От 35 до 40 ка тысяч рублей это с покупкой самого велосипеда, если он у вас уже есть, то на 12 тысяч меньше

Какие характеристики будут у электровелосипеда при таких затратах?

Ожидаемая скорость 25-30 км*ч, дальность хода на ручке газа ~30км, с помощью pas assistant ~60 км, аккумулятор 10S4P на 10,4 А*ч, мощность мотора 350 ватт.

Какие комплектующие и какой велосипед планируется использовать при сборке?

Велосипед HOT WOLF на 26 дюймовых колёсах на стальной раме, но достаточно лёгкий велосипед 15,5 кг – зато не надо будет ставить усилители дропаутов с этим мотором, мотор MXUS XF08C, контроллер KT 22A, дисплей панель управления KT LCD3, аккумуляторы 18650 на 2600 mah в количестве 40 штук + термоусадка + сумка под него в треугольник рамы, BMS 36 вольт 30 А, PAS ассистент, курок газа, + расходники, зарядное устройство 36 вольт 2 ампера, ручка тормозная с датчиком.

Электровелосипед своими руками за 36 000 рублей включая сам велосипед!

Что нужно заказать для реализации:

• Велосипед Hot Wolf
• Мотор MXUS XF08C
• Контроллер 36v22A + KT LCD-3 дисплей + PAS assistant
• Аккумуляторы 18650 — 2600mah коробка 40 штук
• BMS плата защиты 36v30A
• Зарядное устройство 36\42v — 2A
• Курок газа влагостойкий качественный
• Датчики на тормоза универсальные
• Сумка под аккумулятор в треугольник рамы
• Дополнительные компоненты

список с ссылками и ценами

Выводы

Для качественной сборки Li-ion батареи используйте проверенные аккумуляторы с идентичными характеристиками. Для их соединения воспользуйтесь никелевыми полосами и аппаратом точечной сварки. При использовании «банок» с резьбовыми клеммами соединение выполняется с применением перемычек и болтов. Если вы не хотите экспериментировать с самостоятельным созданием аккумуляторной батареи, поручите ее изготовление специалистам нашей компании.

Предыдущая статья блога Virtustec посвящена выбору аккумуляторной батареи для лодочного мотора.

Видео сборка электровелосипеда своими руками:

Этапы — электровелосипед своими руками

этап 1 список компонентов для сборки электровелосипеда

Список компонентов для сборки электровелосипеда с мотором Mxus на 350 ватт. Велосипед Hot Wolf, Мотор MXUS XF08C, Контроллер 36v22A + KT LCD-3 дисплей + PAS assistant, Аккумуляторы 18650 — 2600mah коробка 40 штук, BMS плата защиты 36v30A, Зарядное устройство 36\42v — 2A, Курок газа влагостойкий качественный, Датчики на тормоза универсальные, Сумка под аккумулятор в треугольник рамы, Дополнительные компоненты
подробнее…

Обзор доставленных деталей электровелосипеда

Почти все компоненты для сборки электровелосипеда доставлены, посмотрим, что я получил. Свой четвёртый по счёту электровелосипед проекта 2022 года, я решил собрать максимально недорогим, но в то же время, качественным и надёжным, поэтому его стоимость выйдет средней, но все же дешевле чем купить уже собранный электровелосипед на том же алиэкспресс
подробнее…

Этап 2 заспицовка мотора в обод

Этап 2 заспицовка мотора в обод — на этом этапе научимся определять необходимую длину спиц для установки мотора в обод велосипеда, и рассмотрим метод спицевания колеса в три перекрестия по этапно
подробнее…

Этап 3 сборка электровелосипеда

Этап 3 сборка электровелосипеда — теперь можно установить мотор колесо, перед установкой удобнее будет снять тормозной механизм, устанавливаю мотор колесо в раму, во втулке мотора где выходит провод есть вырез, он должен находится внизу, так что бы провод можно было загнуть вниз, это для предотвращения попадания воды в мотор. Вот так нужно изогнуть провод.
подробнее…

Этап 4 сборка аккумулятора

Самостоятельна сборка аккумуляторной батареи для электровелосипеда формата 10S4P из литий ионных аккумуляторов форм фактора 18650. Видео ролик всех этапов сварки АКБ для электротранспорта
подробнее…

Тестирование электровелосипеда

Настало время протестировать новую сборку бюджетного электровелосипеда своими руками. В первый день планируем провести тесты на скорость, тяговитость и проходимость этой сборки, на второй день будем испытывать на дальность хода в смешанном стиле, то есть при помощи пас ассистента.
подробнее…

Схема самодельного контроллера

Данная схема содержит минимальное количество компонентов в обвязках микросхем:

Основной контроллер ШИМ от 0% до 100%, что будет управлять всей мощностью в нагрузке, собран на микросхеме TL494.

При этом варианте включения компенсируется внутреннее смещение для формирования мертвого времени.

При коммутации больших токов возникают сильные помехи.

Изолированный источник питания +15 Вольт -12 Вольт с дополнительной защитой от перегрузок собран на микросхеме NE555.

Основной задаче является регулирование вторичных напряжений путём изменения частоты.

В зависимости от нагрузки он работает на частоте в диапазоне 120-480 кГц.

В случае перегрузки ширина импульса, а также частота, уменьшается.

Если же нагрузка отсутствует, на трансформаторе плюсовое плечо стремится к 25 вольтам, а минусовое напряжение уменьшается, пока не достигнет нуля.

Если на трансформаторе отсутствует нагрузка, то либо драйвер не подключён, либо холостой ход.

Для снижения помех и нагрузки на провода, отсекая реактивную энергию, следует установить обратный диод нагрузки в непосредственной близости к самой нагрузке.

В этом случае вы можете использовать проводники, чьё сечение меньше, чем у тех, что использовались при установке диода на удалении от нагрузки.

Спуск с горки

После каждого подъёма следует спуск с горки – это просто как круговорот веществ в природе. На спуске, при регенеративном торможении, электродвигателем можно зарядить аккумулятор и расширить дальность поездки на электровелосипеде. Электрический двигатель конструкции В.В. Шкондина может при генерации вернуть максимальную часть той энергии, которая была потрачена на подъём в гору.

Генерация энергии замедляет велосипед, так что установка двигателя Шкондина будет хорошей идеей, если вы хотите ограничить максимальную скорость велосипеда на спуске, естественно, без использования тормозов.

Кроме регенеративного сопротивления, каждый электродвигатель имеет внутреннее трение, так что любой привод на электрическом байке в какой-то степени снижает максимальную скорость при накате в сравнении с обычным велосипедом.

Аппаратное прерывание

И тут я понял, в чём дело: Ардуино не успевает обрабатывать показания датчиков Холла! Поэтому необходимо было использовать пины Ардуино с аппаратным прерыванием. Так как у Ардуино УНО таких пинов всего два, а под датчики нужно три пина, надо взять Ардуино Леонардо или Искра Нео, где таких пинов — четыре штуки.

Переписав программу под прерывания и подключив Искру Нео вместо УНО, я повторил испытания.

Колесо наконец-то заработало чётко, без вибраций, шумов, отлично стало набирать обороты без рассинхронизации. Прототип оказался жизнеспособным. Но это ещё не полноценный контроллер, поскольку в нём не было обвязки с защитами и обеспечением качественного ШИМ-сигнала.

Фрикционная передача

Эта разновидность электропривода, хотя и встречается в продаже, но не пользуется особой популярностью. Принцип ее – немудреный. Двигатель устанавливается прямо у ведущего колеса, передача крутящего момента происходит непосредственно с вала статора на покрышку. Казалось бы – все просто и очевидно. Но то, что, может быть, применимо для детских электрических машинок и велосипедов, малопригодно в реальном использовании транспорта.

Посудите сами:

• Нет никаких передаточных звеньев, то есть исключается возможность увеличения угловой скорости колеса за счет использования редукторов;
• Крайне низкий КПД;
• Даже незначительное падение давления в камере колеса резко уменьшит эффективность такого привода.
• Постоянное трение между фрикционом двигателя и протектором покрышки резко снижает ее долговечность.
• В условиях сырой погоды, грязной дороги, мороза коэффициент трения существенно уменьшится, фрикцион будет пробуксовывать, что снизит и без того невысокую энергоотдачу привода.

Единственным плюсом этой системы является простота ее установки, которая не потребует каких-либо глубоких переделок велосипеда.

Нет, если планировать переделку с реальными повышениями эксплуатационных качеств велосипеда, от подобной схемы лучше сразу отказаться.

Цикл работы

Чтобы привести в движение трёхфазный двигатель, нужно рассмотреть цикл его работы за электрический оборот. Итак, имеем три фазы — A, B, C. Каждая из фаз получает положительную и отрицательную полярности в определённый момент времени. Поочерёдно по шагам пропускается ток от «плюса» одной фазы к «минусу» другой фазы. В итоге получается шесть шагов = три фазы × две полярности.
A+, A–, B+, B–, C+, C–

Рассмотрим эти шесть шагов цикла. Предположим, что положение ротора установлено в точке первого шага, тогда с датчиков Холла мы получим код вида 101, где 1 — фаза А, 0 — фаза B, 1 — фаза С. Определив по коду положение вала, нужно подать ток на соответствующие фазы с заданными полярностями. В результате вал проворачивается, датчики считывают код нового положения вала — и т. д.

В таблице указаны коды датчиков и смена комбинаций фаз для большинства электродвигателей. Для обратного хода колеса (реверса) достаточно перевернуть знаки полярности фаз наоборот. Принцип работы двигателя довольно прост.

Цикл двигателя представлен в gif-анимации.

Типы электродвигателей

Электрические двигатели для велосипедов не изобилуют разнообразием конструкций. Фактически, из-за достаточно простого устройства самого байка, выделяют три типа.

Мотор-колесо

Самый популярный и самый простой в установке двигатель.

Фактически, двигатель устанавливается на колесо, или, в более дорогих вариантах – сам поставляется в виде колеса, со спицами, закреплёнными сразу на двигатель. Такая компоновка имеет несколько плюсов:

• простота устройства – минимум проводки и проблем;
• хороший внешний вид – иной раз нельзя заметить, что на велосипеде установлен двигатель;
• высокая эффективность – минимальные потери на передачу энергии;
• низкое расположение, не повышающее центр тяжести.

В списке минусов называют высокий вес и некоторые сложности в эксплуатации (замене и подключении батарей).

Цепной электродвигатель

Это наиболее лёгкий двигатель. Он подключается к цепи как дополнительный элемент, устанавливается по центру рамы и является очень удобным в эксплуатации, но для установки потребуется точный расчёт и покупка дополнительной цепи.

Плюсы данного двигателя:

• невысокая относительная стоимость;
• малый вес;
• удобство подключения батареи и обслуживания;
• использование общего узла переключения передач.

Минусы – трудозатратная установка и повышенный шум при работе двигателя.

Фрикционный привод

Наследие «старой» механики, когда электричество на велосипеде вырабатывалось динамо-машиной о край покрышки или обод. Аналогично, подвесной фрикционный привод передаёт энергию на колесо при помощи прижимного валика. Ориентированы такие двигатели на прогулочные и детские модели, а также на непрофессиональных покупателей.

Тогда как из плюсов можно выделить только абсолютную простоту установки и использования, а также (для некоторых моделей) невысокую стоимость, минусов у фрикционных приводов много:

• очень низкий КПД;
• шум при использовании;
• громоздкий и неуместный внешний вид – обычно вместо багажника;
• износ покрышки при использовании.

Транзисторы и Н-мост

Но чтобы поочерёдно подавать ток на каждую из фаз и менять их полярность, необходимы транзисторы. Ещё нам нужна передача больших токов, высокая скорость переключения и чёткость открытия/закрытия затворов. В данном случае удобнее управлять затворами по напряжению, а не по току. Поэтому оптимальны полевые (MOSFET) транзисторы. Чаще всего их используют в контроллерах. Очень редко можно встретить комбинированный вариант транзисторов.

Для переключения фаз со сменой их полярностей используют классическую схему Н-моста (H-Bridge) из полевых транзисторов.

Он состоит из трёх пар транзисторов. Каждая из пар подключается к соответствующей фазе обмотки двигателя и обеспечивает подачу тока со значением (+ или –). Транзисторы, отвечающие за включение фазы с положительным значением, называют верхними ключами. С отрицательным — нижними. Для каждого шага открывается пара ключей: верхний одной фазы и нижний соседней фазы. В результате ток проходит от одной фазы к другой и приводит электродвигатель в движение.

Из схемы видно, что мы не можем включить одновременно верхний и нижний ключ у одной и той же фазы: произойдёт короткое замыкание

Поэтому очень важно быстрое переключение верхних и нижних ключей, чтобы в переходных процессах не появилось замыкание. И чем качественнее и быстрее мы обеспечим переключения, тем меньше у нас будет потерь и нагрева/перегрева транзисторов H-моста

Для запуска остаётся обеспечить управление затворами ключей H-моста. Для управления H-мостом нужно:

1. Считать показания датчиков Холла.
2. Определить, в каком положении какую пару ключей включать.
3. Передать сигналы на соответствующие затворы транзисторов.

Что такое электромобиль

Итог

Главное преимущество контроллера на базе MC33035 — это простота в использовании. Просто покупаете микросхему, собираете Н-мост, спаиваете всё на плату с небольшой обвязкой — и контроллер готов. Если нужно просто запустить двигатель с ШИМ-сигналом и управлять им — оптимальный вариант.

Контроллер на базе Ардуино — вариант сложнее, понадобится писать логику, обеспечивать дополнительные защиты контроллера. Но для экспериментов, прототипов, дополнительного функционала, использования различных режимов работы двигателя — подходящий вариант. Поэтому я решил пока отложить MC33035 и продолжить работу с Ардуино.

Подбор материалов

Для механической части необходимы:

• 2 шкивы от автомобильного генератора;
• ремни от него же:
• 2 звездочки по отдельности или в комплекте;
• вал с подшипниками в каретку.

Кроме этих деталей, запасаются железным уголком. Понадобится болванка, чтобы выточить промежуточный вал, если он не закуплен вместе со звездочкой. Необходимы болты, гайки, шайбы для крепления двигателя. Чтобы разместить аккумулятор, покупают специальные кассеты или делают ящик из подручных материалов, используют подходящую тару.

Для монтажа электрической части понадобится проводка, клеммы. Необходима тщательная изоляция. Дополнительно к изоленте или вместо нее пользуются термоусадочными трубками, горячим клеем.