Что такое мотор-колесо

Мотор-колеса широко используют для оснащения электрическим приводом велосипедов, скутеров, самокатов, гироскутеров, мопедов, складских машин, автоботов, тележек, тачек и других видов техники. Использование моторизированных колес позволяет модернизировать конструкцию и улучшить ее эксплуатационные характеристики. Например, сделать апгрейд обычного велосипеда и превратить его в быстрый и тяговитый e-bike. Или получить на базе ручной тележки функциональную самоходную модель, которая значительно упростит перевозку грузов. В этой статье мы рассмотрим, что такое мотор-колесо, как оно устроено и в чем секрет его популярности.

Мотор-колесо, что это?

Так называют колесо со встроенным электромотором в прочном влагозащищенном корпусе. Это цельный узел, при использовании которого мощность от электродвигателя передается непосредственно на колесную ось, без применения вспомогательных механизмов. Вот что означает тип мотора «мотор-колесо», называемый также втулочным, ступичным электромотором или Hub Motor.

В основе его конструкции – 3-фазный бесщеточный электродвигатель постоянного тока, вращающийся благодаря переключению обмоток. Это вентильный синхронный электродвигатель с английской аббревиатурой BLDC или PMSM. Якорь у него выступает одновременно колесной осью и крепится на корпусе при помощи подшипников. При работе Hub Motor выполняется частотное регулирование с самосинхронизацией: вектор магнитного поля статора управляется с учетом положения ротора. За переключение и регулировку тока на обмотках отвечает контроллер, получающий соответствующие сигналы от датчиков положения.

При электрификации техники при помощи МК вместо обычных колес устанавливают моторизированные. Иногда ступичные электромоторы продают отдельно, например, для велосипеда можно купить не заспицованный мотор и самостоятельно заспицевать его в двойной усиленный обод. Но проще встраивать МК в сборе. Установить его можно на любую ось, например, вместо переднего или заднего колеса двухколесного транспорта, на одну или две оси тележки, автобота-ровера или другой техники.

Из чего состоит мотор-колесо и как оно работает?

В состав такой конструкции входят:

• колесо;
• электромотор – чаще всего это бесколлекторный (бесщеточный) двигатель постоянного тока (БДПТ);
• передаточное устройство.

Соединенные в единый узел, они обеспечивают его слаженную работу и высокую надежность, т.к. в конструкции нет быстро изнашиваемых деталей. Статор ступичного электромотора представляет собой звезду с множеством лучей из электротехнической стали. В роторе находятся постоянные магниты из редкоземельных материалов, а на многочисленных лучах статора по кругу размещены десятки катушек с параллельной медной обмоткой по принципу А–В–С–А–В–С. При подаче на нее постоянного тока лучи приобретают свойства электромагнитов. Работа БДПТ базируется на взаимодействии образующихся магнитных полей.

Под действием напряжения катушки обеспечивают притяжение противоположных полей ротора и статора. Так, когда ротор приближается к катушке А, подается напряжение на катушку В. Когда он приближается к катушке В – напряжение подается на катушку С, а на А меняется полярность. Процесс циклически повторяется со всеми катушками, и происходит вращение ротора.

Для корректной подачи напряжения на определенные катушки в конкретные моменты времени применяется электронный контроллер. Обычно в МК используют датчики Холла. Они находятся на статоре и обеспечивают 3-фазную работу обмотки: контролируют взаиморасположение ротора и статора, реагируют на возникающее магнитное поле и передают сигналы контроллеру. Он же вовремя подает импульсы напряжения на обмотки, превращая их в электромагниты, взаимодействующие с постоянными магнитами ротора. Так обеспечивается плавное вращение втулочного электромотора.

Типы МК

Бесколлекторные мотор-колеса бывают 2 типов:

1. Редукторные – тяговитые модели со встроенным планетарным редуктором. При одинаковой мощности они более компактны, отличаются легким весом и имеют больший крутящий момент. Моторы-редукторники в выключенном состоянии не препятствуют вращению колеса, например, при использовании педального привода или качении тележки с выключенным электроприводом. Также они позволяют легко преодолевать подъемы и неровности на пути. Как правило, такие МК производятся в диапазоне мощностей от 250 до 1000 Вт. Их ориентировочный ресурс – 6000–9000 км пробега. Именно на такой срок службы рассчитаны самые изнашиваемые детали в их конструкции – пластиковые шестерни в планетарной передаче редуктора.
2. Прямого привода – надежные моторы с акцентом не на тяговые, а на скоростные характеристики. Имеют классическую конструкцию 3-фазного электродвигателя переменного тока, без шестеренок. Бывают мощностью от 500 Вт до нескольких киловатт. Часто используются для сборки скоростных электровелосипедов, электромопедов, электроскутеров. Оптимально подходят для быстрого передвижения по дорогам в равнинной местности, но при мощности более 1500 Вт подходят и для езды по холмистым ландшафтам. В выключенном состоянии прямоприводные моторы препятствуют свободному накату, т.е. крутить педали или катить технику при отключенном моторе тяжелее. Зато они поддерживают функцию рекуперации энергии при торможении и рассчитаны на пробег порядка 150 000 км.

Что нужно для мотор-колеса: питание и управление

Питание электромотора обеспечивает аккумуляторная батарея тягового типа. При зарядке от электросети она накапливает энергию, а затем отдает ее мотору. Важно, чтобы батарея без перегрева выдавала необходимые токи разряда, имела достаточный запас емкости для длительной автономной работы и при этом была достаточно легкой и компактной, чтобы не утяжелять конструкцию. Такими качествами обладают высокотоковые Li-ion батареи и модели подвида LiFePO4.

Слаженную работу электромотора и АКБ обеспечивает специальный электронный блок – контроллер управления. Для управления мощностью мотора обычно используют ручку или курок газа. При изменении их положения подается импульс на датчик Холла, и он посылает сигнал контроллеру. Именно он меняет количество импульсов напряжения, подающихся на обмотки в единицу времени, а следовательно – и скорость.

Вместо ручки газа (или в дополнение к ней) на электровелосипеды с небольшой мощностью мотора (250–500 Вт) иногда устанавливают систему помощи педалированию – PAS Assist. Она позволяет использовать велосипед в гибридном режиме «мотор + педали». В таком случае электромотор включается при педалировании и можно выбрать уровень его помощи в зависимости от текущих обстоятельств. Для корректной работы системы PAS и отключения подачи питания на мотор при торможении используют ручки тормоза с датчиками срабатывания.

Преимущества

Главными преимуществами мотор-колес выступают:

• простая надежная конструкция электромотора, в которой якорь одновременно является колесной осью;
• отсутствие «посредников» при передаче крутящего момента на ведущее колесо;
• высокий КПД – до 97%;
• менее выраженный нагрев из-за перегрузок – по сравнению с традиционными электродвигателями;
• цена – например, по сравнению с кареточными моторами той же мощности МК примерно на 30% дешевле;
• экономичность;
• несложная установка;
• экономия пространства – например, в электромобиле двигатель не занимает место внутри транспортного средства;
• отсутствие большого количества деталей, никаких коллекторов и щеток в конструкции;
• ремонтопригодность;
• долговечность;
• экологичность – важное преимущество перед ДВС.

Кстати, мотор-колеса были созданы еще в 19 веке, но в то время еще не изобрели достаточно легкие и емкие АКБ, способные эффективно работать в циклическом режиме. Зато с появлением энергоэффективных Li-ion аккумуляторов человечество смогло оценить достоинства МК на практике.

В интернет-магазине Shura-Master.ru можно приобрести различные мотор-колеса по отличным ценам, с доставкой по всей России. В частности, мы предлагаем мотор-колеса для тележек.

Читайте в предыдущей статье нашего блога о том, как работает портативная зарядная станция.