Асинхронный мотор хорош тем, что имеет простую конструкцию, низкую стоимость, но более сложную систему управления. Отсюда возникает соблазн спроектировать и собрать собственную модель, да еще поиграть с ее конструкцией и характеристиками. Еще интереснее, когда для мотора сразу находится применение — скажем, в качестве двигателя для электровелосипеда.
Далее рассказ о том, как парни из Оренбургского университета создали собственную модель мотор-колеса. Если дело дойдет до серийного производства, себестоимость будет в разы ниже, чем у нынешних китайских аналогов.
Изначально проект развивали в формате совместного хобби в рамках одной из кафедр института энергетики, электроники и связи Оренбургского ГУ. По сути, это попытка адаптации к индивидуальному электротранспорту конструкции асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. После сборки первого прототипа стало понятно, что его можно доработать и попробовать запустить в серию. Так он оказался в числе участников акселератора Архипелаг 2022, где я его обнаружила и, вытянув контакты, немного пообщалась с разработчиками.
Почему именно асинхронный двигатель?
Привычный городскому обывателю индивидуальный электротранспорт, как правило, перемещается за счет двигателей постоянного тока с внешним ротором. Это логичный вариант, позволяющий не задумываться о преобразовании постоянного тока в переменный. Однако в его конструкции задействованы дорогостоящие магниты, которые влияют на стоимость электрической машины.
Отталкиваясь от идеи минимизации цены, в том числе за счет отказа от дорогостоящих комплектующих, за основу решили взять конструкцию асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Такую конструкцию разработали около 130 лет назад и до сих пор активно используют в промышленности. В серийном производстве асинхронные двигатели стоят намного дешевле, чем двигатели на постоянных магнитах.
Однако особенности эксплуатации электротранспорта не позволили взять готовый промышленный двигатель и установить его на велосипед. Был ряд несостыковок.
В первую очередь пришлось поработать над системой управления. Асинхронные двигатели в общепромышленном исполнении рассчитаны на напряжение питания 220 или 380 В и частоту сети 50 Гц.
С электротранспортом ситуация другая: частота тока должна изменяться от нуля до той, что обеспечит максимальную скорость велосипеда — 25 или 50 Гц в зависимости от конструкции.
Кроме того, важен формфактор. Двигатель необходимо встроить в колесо, т. е. длина электродвигателя по оси не может превышать ширину вилки.
Подробнее о конструкции
На схеме ниже — первая версия мотора, которая получилась довольно тяжелой и не оптимальной по характеристикам. Зато на ней опробовали подходы и методы производства.
Итоговый вес прототипа — 14 кг. Треть приходится на корпусные детали. Поскольку своей производственной базы у университета нет, детали пришлось заказывать по чертежам в индивидуальном порядке.
Мощность асинхронного электродвигателя пропорциональна длине его магнитной системы и квадрату диаметра магнитопровода. Однако между вилками рамы велосипеда не так много места.
Если бы использовали стандартную конструкцию, в которой лобовые части обмоток двух фаз накладываются друг на друга, с учетом ширины подшипникового щита и необходимого воздушного зазора, длина магнитной системы получалась бы не более двух сантиметров. Поэтому пришлось использовать оригинальную конструкцию статора и его обмоток.
Чтобы максимально увеличить длину активной части (магнитопровода), обмотки разместили в пазах статора на разном расстоянии от оси. Внутренний ряд катушек — одна фаза, внешний — другая.
Изменив внешний вид статора, удалось увеличить общую длину магнитной системы до четырех сантиметров — тем самым мощность двигателя повысили почти в два раза. Лобовые части обмоток в текущей конструкции забирают всего два сантиметра, вдобавок такое расположение помогает уменьшить потоки рассеяния в этих частях.
Сам статор шихтуют из 80 листов электротехнической стали 0,5 мм толщиной каждый, собранных в пакет.
Самым сложным при производстве двигателя было как раз изготовление листов статора. В серийном производстве для этого используют штамповку, которая может вырезать чуть ли не тысячу листов в минуту. Стоимость каждого листа при этом ничтожна — фактически на уровне стоимости материала. При штучном производстве штамп изготавливать слишком дорого — это затраты порядка миллиона рублей. Остаются разные варианты резки — электроэрозионная, лазерная, струйно-абразивная, фрезерная.
Несколько лет назад в коммерческих компаниях, оказывающих подобные услуги, вырезать необходимые 80 листов стоило около 100 тыс. рублей. В итоге сделали «по знакомству». Использовали лазерную резку и потом последовательно подгоняли качество итоговых деталей: было слишком много наплывов и заусенцев.
Короткозамкнутый ротор также создавали вручную. А чтобы сделать конструкцию технологичнее, предусмотрели в нем пазы прямоугольной формы, купили полосовую медь, нарезали ее и впаяли каждый стержень при помощи паяльника и горелки.
Подшипниковый щит вырезали на токарном станке из листа стали 20 мм толщиной. В серийном производстве такие детали чаще изготавливают литьем, но для этого нужна дорогостоящая литьевая форма (около 100 тыс. рублей). При большой серии ее цена «размывается» по тиражу, а в случае штучного производства она не окупится. Токарный станок не позволяет экономить материал, но зато при таком способе производства подшипниковый щит обошелся всего в пару тысяч рублей.
Несмотря на кустарный подход, точность изготовления электродвигателя получилась довольно высокой. Зазор между статором и ротором по проекту составляет менее 0,5 мм, его практически не видно на просвет. При этом статор и ротор свободно вращаются друг относительно друга, ни за что не задевая и не создавая лишнего сопротивления. А вот характеристики двигателя — в первую очередь крутящий момент — получились несколько хуже, чем предсказывал расчет. Это может быть связано с плохим контактом медных стержней, припаянных к короткозамкнутому ротору — их 50 штук с одной стороны и 50 с другой. Учитывая ручное производство, проконтролировать качество контакта было сложно. В следующей версии это планируют исправить.
Управление движением
В плане управления асинхронный мотор имеет некоторые особенности в сравнении с моторами постоянного тока. Крутящий момент, который он развивает, зависит от магнитного потока, создаваемого обмотками статора, а также от частоты питающего напряжения. В данном случае частота меняется от 0 до 25 Гц в зависимости от требуемой скорости (0 Гц — электродвигатель стоит, 25 Гц — максимальная скорость).
Момент регулируют за счет подстройки амплитуды напряжения — по сути, за счет регулировки возбуждения двигателя. При движении в гору амплитуду необходимо увеличивать — момент вырастет, но при этом слегка просядет КПД из-за роста потерь в сердечнике. На горизонтальных участках дороги амплитуду напряжения можно снизить, соответственно, сократится момент и потери.
Задача платы управления двигателем — подбирать режим работы с максимально возможным КПД при данных условиях.
Плату управления режимами работы асинхронного электродвигателя разрабатывали с нуля. Она преобразует постоянное напряжение от аккумулятора в переменное с нужной частотой, а также выполняет регулировку режимов работы мотор-колеса, в том числе переключением на режим генератора (рекуперации энергии) во время торможения.
Блок управления мотор-колесом в первичном варианте собран, по сути, из подручных деталей. В нем предусмотрена возможность регулировки характеристик в большом диапазоне. Необходимо было реализовать фактически подвижную лабораторию, которая позволит не только ездить на собранном электровелосипеде, но и протестировать разработанный мотор-колесо в самых разных, в том числе нештатных, режимах работы. Соответственно, задачи минимизации размеров платы не стояло.
Сейчас плата управления выглядит довольно громоздкой и занимает почти все место внутри рамы велосипеда. Но если убрать возможность настройки рабочих токов и частот в широком диапазоне, использовать транзисторы меньшей мощности, а также оптимизировать размещение компонент, плату можно будет сократить по габаритам в пять раз. В таком варианте она будет соизмерима с существующими китайскими платами управления для привычных мотор-колес постоянного тока.
Первая проверка
Готовый мотор встроили в переднее колесо среднестатистического велосипеда весом около 15 кг. К этому необходимо добавить вес мотора с платой управления — еще около 17 кг, а также аккумулятора — около 3 кг.
Суммарно это не намного больше, чем вес готовых электровелосипедов, доступных в магазинах. Конечно, у текущей конструкции вес распределен неравномерно — 14 кг мотора сосредоточены в районе переднего колеса. Это несколько ухудшает эксплуатационные характеристики. Однако первый опытный образец вполне работоспособен. В лабораторных условиях максимальный КПД двигателя — 75%, а развиваемый момент варьируется в диапазоне 10–15 Нм.
Запас хода с этим мотор-колесом зависит от установленного аккумулятора. Батареи 36 В емкостью 10–15 ампер-часов должно хватить на 50 км пробега по городу без сильных перепадов высоты (с учетом заложенной в проект рекуперации энергии при торможении) — это, условно, день езды на персональном электротранспорте.
А что дальше?
Уже есть планы, как сделать следующую версию легче и эффективнее.
Во-первых, переработают корпус
От части деталей планируют отказаться, другую доработать, в том числе через изменение технологии производства.
Полностью можно отказаться от тяжелого трехкилограммового внешнего обода. Он не участвует в работе двигателя и в первой версии используется только для скрепления спиц и активной части мотор-колеса. В следующей версии электродвигателя планируют крепить спицы непосредственно к магнитопроводу внешнего короткозамкнутого ротора. При такой компоновке магнитопровод будет эффективнее охлаждаться, что, вероятно, позволит еще немного увеличить мощность мотор-колеса.
Дальше в планах — оптимизировать подшипниковые щиты, перейдя на технологию литья сплава алюминия в песчаные формы, что также сильно уменьшит вес. В теории форму для литья можно изготовить собственными силами. Впоследствии отлитую деталь можно доработать на токарном станке — снять лишние наплывы.
Работа с песчаными формами пока не обкатана, но ее планируют опробовать уже к весне. Если группа освоит технологию литья алюминия, тем же способом можно будет произвести и короткозамкнутую обмотку. Для экономии веса предполагают крепить подшипниковые щиты непосредственно к короткозамыкающему кольцу ротора. Таким образом, короткозамыкающее кольцо (часть обмотки ротора) станет еще и частью корпуса — а значит, будет охлаждаться внешним потоком воздуха.
Во-вторых, проработают альтернативную версию мотора
В новом моторе планируют использовать статор с большим числом полюсов, соответственно, с более высокой максимальной частотой — 100–200 Гц вместо существующих 25 Гц. Это отразится на массогабаритных и рабочих характеристиках электродвигателя. Например, увеличится скорость вращения.
Возможно, проект доберется до стадии серийного производства. Предложенная конструкция, благодаря отсутствию дорогостоящих магнитов и в целом простой компоновке, обещает очень низкую стоимость при массовом производстве. В варианте наиболее востребованной выходной мощности в 500 Вт — на уровне 2–3 тыс. рублей. Это будет намного дешевле китайских комплектов мотор-колесо плюс контроллер, цена на которые начинается от 15 тыс. руб. и доходит до 50 тыс.
Кроме того, китайские мотор-колеса в некотором смысле непредсказуемы. Они продаются с этикеткой 1000 Вт, но никто не знает, что это за ватты — это пиковая (кратковременная), полезная или потребляемая мощность? Энтузиасты покупают эти комплекты и тестируют их самостоятельно, получая разные результаты, не соответствующие заявленным характеристикам. А кроме того, в двигателях постоянного тока используются магниты, качество которых может быть разным. В попытках сэкономить производитель может поставить дешевые магниты, которые размагнитятся уже через пару лет. В этом плане переход на асинхронные двигатели хоть и усложняет управление, зато избавляет от неопределенности.
Комментарии (48)
atrost
12.12.2022 16:24+2После установки моторколеса теряется накат, даже в выключенном состоянии. Как с вашим двигателем обстоит дело?
saege5b
12.12.2022 18:47+6При обесточивании двигателя, не будет магнитного взаимодействия, всё будет зависеть от качества подшипников, с оглядкой на большую массу колеса.
У двигателей с магнитом, накат убивается из-за паразитной генерации.atrost
12.12.2022 19:39Спасибо, тогда и правда проект имеет право на существование, как неплохая альтернатива движкам с постоянными магнитами.
Javian
13.12.2022 09:08+2У асинхронного не должно возникать токов Фуко, которые тормозят "обычный" с постоянными магнитами.
PS вообще в сети как-то мало литературы по асинхронным двигателям, написанных понятным языком. Если кому-то интересно почитать и понять, что это такое, то на торрент-трекерах есть две понятных книги: В.Ю.Ломоносов Электротехника (1990), В.С.Попов Электротехника (1952)
Dmitry27
13.12.2022 10:45Ну его же можно сделать подключаемым, тормозить-рекуперация, какое-то сопротивление будет...
Rsa97
12.12.2022 16:30+8Вот только не надо называть электромопед велосипедом.
«Велосипед» — транспортное средство, кроме инвалидных колясок, которое имеет по крайней мере два колеса и приводится в движение как правило мускульной энергией лиц, находящихся на этом транспортном средстве, в частности при помощи педалей или рукояток, и может также иметь электродвигатель номинальной максимальной мощностью в режиме длительной нагрузки, не превышающей 0,25 кВт, автоматически отключающийся на скорости более 25 км/ч.
agalakhov
12.12.2022 17:51+2И аналогичные правила действуют в Европе. В Германии транспортное средство с таким мотором будет считаться мопедом и должно иметь номера. Ему запрещается движение по многим велосипедным дорожкам.
unwrecker
12.12.2022 18:02+2Пара вопросов:
Почему мотор на переднем колесе? Вилка всяко слабее чем рама. Нагружено переднее колесо меньше - будут прокруты. А в повороте на включённом моторе возможен снос (что опаснее заноса заднего колеса).
Почему безредукторное мотор-колесо? Это ведь бо́льшая масса, и отсутствие свободного хода. Обычно ещё и меньшее КПД на частичной мощности, но с этим вы, видимо, справились.
И, наконец, можно ли сделать электровелосипед красивым? :) Все эти мотор-колёса выглядят на мой взгляд неэстетично. Чисто теоретически, нельзя ли встроить ротор в обод колеса, а статор разместить на раме, получив что-то типа линейного двигателя?
bbs12
12.12.2022 19:45+6Почему мотор на переднем колесе? Вилка всяко слабее чем рама.
У меня есть вел с передним колесом на 1 киловатт, а раньше на этом же веле стоял задний двигатель, тоже на 1 квт, так что отвечу. У горных велов вилка достаточно прочная, на них прыгать можно, а тяга у электродвигателя очень эластичная, прочности вилки там с запасом. При очень большой мощности может и будут проблемы.
Нагружено переднее колесо меньше - будут прокруты.
Прокрутов даже близко нет, не хватает мощности и момента. Только если встать ногами на землю и дать газу - тогда начинает дрифтить.
А в повороте на включённом моторе возможен снос (что опаснее заноса заднего колеса).
И здесь тоже мощности не хватает, сноса нет.
А вот с задним колесом были проблемы: у меня большая батарея на багажнике, из-за этого с двигателем сзади центр масс настолько смещается назад, что переднее колесо при резком разгоне почти отрывается от земли. Из-за этого страдает сцепление с грунтом и управление.
SGordon123
13.12.2022 15:39тут же батарея в раме, не должно дрифтить, а чем шире моторчик тем меньше можно сделать диаметр , как я понимаю?
V1RuS
13.12.2022 00:34+2Почему мотор на переднем колесе?
Потому что в заднее поставить сложнее, звездочку еще цеплять, обгонную муфту, центр тяжести опять же сильно назад уедет.
unwrecker
13.12.2022 00:38+1Насчёт сложнее не соглашусь - в переднее надо провод тянуть, а звёздочка и обгонная муфта - это типовое решение, достаточно спроектировать корпус с местом под них. Центр же тяжести сместится вперёд за счёт аккумуляторов на раме, скомпенсировав колесо сзади.
barmaley81
13.12.2022 17:16Ответ на всё вопросы: это прототип и переднее колесо проще и быстрее собирать/разбирать
gmk1
12.12.2022 18:19+4Вообще асинхронные двигатели с внешним ротором давно существуют, ими являются гироскопы,
Как увидел картинке, то сразу вспомнил. В детстве их много разобрал, на свалке они часто попадались, все они были устроены одинаково. Но экзотической формы пластин не было. Питание на них 36 вольт 400 гц.
microwave
12.12.2022 19:34+15Теперь наверное предстоит судебно-патентный бой с мистером Дуюновым. - Он уже как много лет "изобретает" асинхронное мотор-колесо, попутно выковыривая деньги из дурачков-"инвесторов".
Ни одного реального мотор-колеса, правда, толком не сделал. Но нагадить какими-нибудь "патентами" наверняка сможет.
SlapUp
12.12.2022 22:06+1В качестве причины использования асинхронника была указана дороговизна магнитов в двигателях постоянного тока.
Далее фигурирует сумма в 2к-3к за 500вт. Это сумма за двигатель и котроллер (с частотником)? При массовом производстве ваших роторов из листовой стали, большая часть листа уйдет в оберзки, действительно ли Ваш ротор получается дешевле пригорошни неодимовых магнитов?
TimID
13.12.2022 00:14Дело в том, что BLDC ведь это тот же асинхронник почти, но только с наклеенными магнитами. И контроллер практически такой же. Только прошивка другая.
Так что в сравнении асинхронный мотор дешевле. Иное дело, что в Китае можно купить готовый синхронный мотор за небольшие деньги.
TimID
13.12.2022 00:12Как большее количество полюсов увеличит скорость у асинхронника с короткозамкнутым ротором?
Doman
13.12.2022 04:03+1Как раз недавно думал об превращении обычного велосипеда в электрический, изучил плюсы и минусы передних и задних мотор-колес, и пришел к выводу, что мне лучше всего подходит мотор-каретка типа Bafang BBS02.
При схожей с колесами стоимостью, каретка имеет ряд преимуществ:
Передняя амортизационная вилка остается рабочей (важно для MTB велосипедов)
Заднее колесо с системой переключения передач также остается на месте
Снятие данных о давлении на педаль позволяет точнее подстроить режим работы, делая ощущения от езды максимально естественными
Выглядит, субъективно, намного более эстетично
В результате, от идеи конвертации в электро-байк я отказался (покупать комплект вслепую страшновато, а ближайшие сервисы в сотнях км), но при покупке электробайка буду, в первую очередь, смотреть именно на мотор-кареточные решения.
Dr_Faksov
13.12.2022 05:08+2Поправьте меня, если я не прав, но для аккумуляторных транспортных средств важнейшей характеристикой является запас хода. Который зависит, кроме всего прочего, от КПД двигателя. Который, не в последнюю очередь зависит от магнитного сцепления. А для массового проводного электротранспорта, с двигателями гораздо больших размеров и мощностей имеет значение стоимость двигателя.
Мне очень сомнительно, что КПД двигателя с короткозамкнутой обмоткой будет больше чем у двигателя с магнитами. Соответственно - пробег меньше.
С другой стороны цена такого двигателя (при прочих равных условиях) возможно будет меньше, чем двигателя с магнитами.
И возникает вопрос: если уровнять пробег двух одинаковых ТС с различными двигателями за счёт емкостей батарей, то какое ТС окажется дешевле?
И ещё вопрос - у него есть реверс?
00DVS
13.12.2022 16:43А зачем на переднем колесе мопеда реверс?
Dr_Faksov
13.12.2022 19:01Мне так кажется,что делать мотор, который можно применить вот только тут и нигде больше - так себе идея.
00DVS
15.12.2022 12:27На моём фэтбайке ставить мотор с заднего колеса на переднее бессмысленно, наоборот и вовсе анриал. Движки от электробайков интересны проектировщикам ветряков и гиропланов, но до серийного производства студентам ещё далеко.
Если парням нужны серьёзные спонсоры - придётся ориентироваться на литую медную клетку. Тесла тоже когда-то начиналась с модели асинхронного электродвигателя с медным ротором. Которая за много лет не изменилась никак.
nitro80
13.12.2022 06:09+4Это так по-нашему: ещё ничего не имея собраться подвинуть китайцев ????????
00DVS
15.12.2022 13:01Парни приобрели опыт строительства движка с нуля, это больше чем ничего. Гироплан кто-то тоже однажды назвал недоделанным квадрокоптером, но у них разные ниши. Первый это конкурент STOL, второй - транспорт видеокамеры
SergeyMax
13.12.2022 12:22перемещается за счет двигателей постоянного тока с внешним ротором. Это логичный вариант, позволяющий не задумываться о преобразовании постоянного тока в переменный
В смысле? Вы думаете, что двигатель на постоянных магнитах в транспорте питается от постоянного тока?
00DVS
13.12.2022 16:34Если так называть обмотки ротора в коллектором движке)) Удобно регулировать работу огромного козлового крана, в домосфетные времена это было самое распространенное решение
antivoland
13.12.2022 12:47Напишите когда и где будет по 2-3к руб. стоить - интересно будет почитать фантастический рассказ.
andrey_ssh
13.12.2022 12:50А вот характеристики двигателя — в первую очередь крутящий момент — получились несколько хуже, чем предсказывал расчет.
Сдаётся мне, что проблема в припое, которым спаян ротор. У него сопротивление очень высокое. Нужно или паять чистым серебром, или менять способ соединения стержней.
И, кажется, я вижу разрыв в медной оболочке (кольце?) ротора. Если он там действительно есть, предлагаю заварить.
Странно, что в статье ничего не сказано про изоляцию пластин.
pilot1946
13.12.2022 13:09+1Статья вызывает больше вопросов, чем даёт ответов. Изначально пытаться снизить стоимость приводов для маломощного электротранспорта за счёт применения электромоторов с заведомо более низкой эффективностью и сложным реверсированием (рекуперацией), - похоже на идею ради самой идеи. Ни в коем случае не хочу убить энтузиазм разработчиков, но нужно чётче понимать конечные цели.
Когда пытаешься сделать что-то, у чего нет аналогов в мире, всегда нужно сильно задуматься, почему таких аналогов нет. Отсутствие магнитов и, соответственно, проблем с чувствительностью к их перегреву - идея очень полезная, но не снижением стоимости производства. Сложность намотки таких статоров тоже надо учитывать при расчёте себестоимости. Кроме того, для транспорта имеет смысл поднимать частоту напряжения для уменьшения габаритов и массы "железа", как это делается для авиации.
Расположение мотора на переднем колесе велосипеда - самое худшее из возможных. Рулевая стойка вообще не предназначена для таких нагрузок и управляемость становится просто ужасной и, зачастую, опасной. Оптимально - центральное расположение мотора, приемлемо - в заднем колесе.
andrey_ssh
13.12.2022 13:13В рекуперации асинхронным двигателем ничего сложного нет. На преобразователе выставляется частота меньшая чем частота вращения двигателя и вся конструкция превращается в генератор.
pilot1946
14.12.2022 11:39я не совсем правильно выразился, сложного, дествительно, ничего нет, а вот эффективность асинхронника в качестве генератора оставляет желать лучшего. Повторюсь - мне очень нравится сама идея, но мне непонятна направленность применения в маломощном транспорте, где экономическая целесообразность должна быть очень весомой для успеха проекта.
SvoboniiLogin
13.12.2022 13:55Всегда было интересно - так ли велик эффект от рекуперации по сравнению с затратами на ее реализацию в виде доп. электроники и в виде наценки если она мне не нужна ?
YMA
13.12.2022 14:18+2Для мелкого транспорта - сама по себе рекуперация не окупается, прикидывал по выгрузке мониторинга - возвращается не более 5% энергии. Но она полезна для снижения износа тормозов, которые стоят дороже, и требуют обслуживания.
Dr_Faksov
14.12.2022 07:03Вы не поверите, на огромных "Боингах" реверс двигателя при посадке тоже даёт всего процентов 5 от общего тормозного усилия. При достаточно сложной механике этого самого реверса. Но да, всё равно сокращает пробег и экономит тормоза.
andrey408
13.12.2022 17:17Я вот тоже про Дуюнова подумал- но там по-моему реального выхлопа особенно нет, а у вас- готовый прототип. Всячески желаю удачи- дело правильное. Спасибо за подробное описание.
YMA
Только сразу предусматривайте рычаги для защиты от проворота - велосипедные вилки не рассчитаны на такое использование. А то при провороте может и коротнуть, будет некрасивенько...