Всем привет! На связи команда проекта Watt & Newton! Мы, энтузиасты с многолетним опытом, запускаем амбициозный проект по развитию культуры персонального электротранспорта. Говоря о нас и наших планах: открыли магазин запчастей и тюнинга для электробайков, готовим к выпуску собственную продукцию, и, наконец, информационный ресурс на темы электротранспорта - инфраструктура и правила, обзоры и технические особенности, дискуссии о спорных решениях, новости рынка и освещение наших проектов
В общем, подписывайтесь, будет увлекательно и полезно!
О чем статья
В первой статье мы положим начало большому обсуждению темы электродвигателей и связанного с ними. В этой теме рассмотрим и сравним типы устройства моторов, трансмиссии, контроллеров, но главное - целостно объясним принципы эффективности силовых установок. После всего этого вы станете логически понимать разумность технических решений, будь то при сборке кастом - электровелосипеда, при выборе готового варианта, или просто интересуясь новинками. И наконец поймете - стоящих решений на рынке, так скажем, немного.
Конкретно эта статья станет сборником тем, которые будут раскрываться подробнее в последующих публикациях
Что ж, начинаем!
Что на самом деле определяет мощность. Номинальная VS максимальная мощности
Перед тем. как погрузиться в конструкцию двигателей и думать об их выборе, важно понять один момент: то, насколько мощный у вас велосипед, напрямую зависит вовсе не от самого двигателя, а от контроллера.
Предположим, у вашего байка батарея с номинальным напряжением 48в, редукторный мотор, заявленный производителем как 750Вт, и контроллер на 30а. Так вот, чтобы узнать пиковую (максимальную) электрическую мощность мы перемножаем ток контроллера на номинальное (это важно!) напряжение батареи. В нашем случае это 48x30=1440Вт.
Тогда что значат эти 750вт? Это номинальная мощность - при которой мотор будет работать бесконечно долго не перегреваясь, и именно её имеют ввиду производители при указании параметров.
Форсирование мотора сверх его номинала - нормально и допустимо, но оно предполагает, что ток выше номинала будет идти в мотор не постоянно - а лишь ограниченное время. В противном случае мы рискуем спалить мотор.
2х2: Категории электродвигателей
Далее мы рассмотрим электродвигатели в контексте вело и мото техники. И правильно это сделать в двух плоскостях: расположение, и принцип работы.
Сейчас не будем углубляться в устройство каждого из видов, а лишь упомянем основные моменты и сразу перейдем к особенностям
По компоновке
Означает место расположения электродвигателя. Глобально можно разделить на две категории.
- Центральный мотор (mid-drive): расположен по середине байка. Может крепиться на раме или на маятнике, быть отделенным от каретки или совмещенным с ней (при ее наличии разумеется). Последние также называют кареточными
- Мотор-колесо: встроено непосредственно в колесо, причем может быть как в переднем, так и в заднем. Спойлер - переднее размещение моторов ОЧЕНЬ спорное решение.
Достоинства и недостатки этих видов двигателей вырастают друг из друга. То есть, то, что является плюсом для миддрайва является недостатком мотор-колеса и наоборот. Опишем их тезисно.
Плюсы мотор-колеса / минусы мид-драйва:
- Трансмиссия
Поскольку мотор-колесо вращает колесо напрямую - ему в принципе не нужны ни цепь, ни звезды ⇒ простое обслуживание и дополнительная экономия на расходниках. + мотор-колеса практически бесшумны.
Мид-драйв же передает тягу аналогично ДВС (то есть через систему звездочек и цепи байка) - значит трансмиссия в этом случае необходима, и к ее выбору нужно подойти крайне ответственно. И тут проблема - обычная велотрансмиссия с кассетой и переключателями, тонкой многоскоростной цепью - банально не рассчитана под электротягу. Максимум что можно позволить - 250вт. продолжительной нагрузки и 500вт. пиковой, и ТОЛЬКО при условии высокого качества компонентов (такое сочетание знакомо по дорогим европейским велосипедам с моторами Bosch и их аналогами). С большей же мощностью цепь будет очень быстро тянуться, а звезды “слизываться” - трансмиссия станет расходником.
Решений для именно велосипеда немного и они нестандартны, да и обойдутся недешево. Но они всё же есть.
- Стоимость
Даже не считая расходов на трансмиссию, центральный мотор сам по себе дороже, и это тоже стоит учитывать. Впрочем, нетрудно догадаться почему так - центральные моторы более сложны, нежели классическое BLDC мотор-колесо.
Плюсы мид-драйва / минусы мотор-колеса
- Интеграция трансмиссии. С одной стороны, необходимость в трансмиссии это дополнительная сложность и удорожание.
Но вот с другой - именно с правильной её организацией вы значительно повысите одновременно и производительность и экономичность байка.
Про КПП мы напишем отдельно, и недооценивать эту тему явно не стоит. Спойлер: из-за отсутствия передач электротранспорт не реализует солидную долю своего потенциала.
- Неподресоренная масса.
По простому - это масса всего, что связано с корпусом не напрямую, а через подвеску, и как следствие - нагрузка на эти элементы ей не поглощается: колеса, тормоза, маятник и тп.
С добавлением каждого лишнего грамма в колесо (а мотор-колесо весит от 4 до 10+КГ!) - байк становится всё менее “сбалансирован":
- Ухудшается отработка неровностей. Может ощущаться как заторможенность работы амортизации или перекрученная компрессия в настройках. На фэтбайке “мелочь” частично компенсируется мягкими колесами и их давлением, но вот сильные и резкие удары чувствуются, и очень неприятно. А если неподрессоренная масса особо высока (скажем прямоприводный мотор весом более 10кг), не поможет даже очень дорогой амортизатор.
- Повышается нагрузка на обода, спицы, дропауты (это то место куда вставляется ось мотора в раму байка). С мотор-колесом чаще придется подтягивать спицы, а от больших экстремальных нагрузок элементы ходовой потребуют усиления. Иначе можно получить лопнувшую ось мотор-колеса или провернутые дропауты (да, именно для этого при установке мотор-колес продаются их усилители).
- Смещается центр тяжести. Это неизбежно сказывается на управляемости, особенно на высоких скоростях. На практике это означает трудность вхождения в повороты, а также эффект “козления” при резком старте в случае с задним расположением мотора (чрезмерная разгрузка переднего колеса с одновременным уменьшением пятна контакта покрышки с дорогой)
Что мы получаем
- Для быстрой езды, неважно - по дорогам или за их пределами, экстремального катания, “наваливания” по бездорожью и тем более прыжков - на бумаге выбор однозначно в сторону центрального мотора. Он подарит наилучшие ощущения и возможности. А обывательском использовании оснащенный им байк будет более комфортным и управляемым. Если, конечно, пользователь готов обслуживать трансмиссию.
- Мотор-колесо хорошо подойдут для недорогих и относительно маломощных байков (до 3-5кВт), стихия которых - город и/или легкая пересеченка. С увеличением мощности будет масштабироваться главный недостаток - неподрессоренная масса: сто раз подумайте перед приобретением или сборкой тяжелого аппарата на несколько киловатт на “блинчике”.
Если еще короче: мотор-колесо - про доступность и простоту, а центральный мотор - про производительность, комфорт и баланс.
По принципу работы
Грубо говоря означает способ, по которому двигатель и колесо соединены
- Прямого привода /”директ-драйв” (безредукторный): электромагнитная обмотка напрямую соединена с валом, который она вращает.
Редукторный: крутящий момент передается через систему из нескольких планетарных шестерней, а также механизма сцепления (муфты)
Отличия моторов и нюансы
- Простота и надежность.
У директ-драйва всё максимально просто, нет даже движущихся деталей в отличии от редукторника, и среди любителей первого есть миф: редукторник ломается и требует много внимания. Но в реале замена шестерней требуется раз в 5-10тыс.км., сам комплект стоит сущие копейки, а заменить их может даже обыватель.
- Вес
Редукторные моторы при той же мощности меньше и легче вплоть до 2 раз.Но ПОЧЕМУ? Ответ в принципе работы трансмиссии:Для иллюстрации логики идеи редукторника вспомним обычный многоскоростной велосипед: на первой передаче мы крутим педали часто, но это легко, на последней - тяжело, но едем быстрее. Так вот редукторники используют “первую” передачу, компенсируя это скоростью вращения мотора, т.е. переводит скорость в тягу. (часто коэфициент редукции 1к5 или 1к4). Мотор меньше “напрягается” и работает “налегке”. А значит чтобы переварить ту же мощность, ему требуется меньше “железа” - ширины магнитов, сечения обмотки и ее количества (вспоминаем что мощность подает контроллер).Но из этого следует, что редукторные моторы хуже подвергаются повышенным нагрузкам и труднее форсируются.
- Рекуперация
Если кратко - она НЕ экономит заряд, а скорее наоборот больше тратит: чтобы сохранять скорость вы будете вынуждены подгазовывать всегда. И вообще, рекуперация для мобильного электротранспорта это крайне спорное решение. Обязательно разберемся и с этим мифом.
- КПД
Смотря изолированно на моторы - КПД прямого привода выше: нет шестеренок и силы трения от них.
Однако для всех нас важны не показатели на стендах, а практическое использование. И в легких электровелосипедах с мощностью, не превышающей несколько киловатт (а в большинстве - и одного киловатта), редукторный мотор выигрывает в эффективности, моменте (в н.м) и стоимости у прямого привода. Оптимальное соотношение передаточных чисел, меньший вес, скромное потребление тока и (что очень важно) свободный накат, дают гораздо больше, нежели забирает потеря на трении
Так что же в итоге лучше?
Редукторное мотор-колесо был придумано именно для маломощных агрегатов (часто с прицелом на активное кручение педалей) и легкой техники, чтобы заставить их работать с большей эффективностью при меньшем весе - его преимущество проявляется именно на них. Если техника тяжелая, а скорости высокие (скажем, выше 100 км/ч), смысл редуктора отпадает, поскольку там гораздо проще подобрать передаточные числа звездами, шкивами в случае ременной передачи или параметрами обмотки двигателя в случае direct-drive.
Общий вывод
Даже пробежавшись по верхам, надеемся вы поняли: тема силовых установок непростая, имеет много нюансов и требует понимания. И очевидно - за одну статью хорошо понять ее просто невозможно, тем более принимать решения. Про каждый из видов моторов, контроллеры, трансмиссию нужно говорить отдельно, но информации одновременно комплексной и понятной для всех немного - и в ближайшее время мы это исправим
Подписывайтесь на наши ресурсы, следите за новостями и выпусками - впереди большие планы и много интересного!
