Мотор-колесо было изготовлено практически одновременно с изобретением электродвигателя. Этот тип двигателя характерен тем, что ось колеса выполняет одновременно и функцию оси статора электродвигателя. Подобные двигатели находят самое широкое применение от электровелосипедов и легковых автомобилей, до тяжелых грузовых машин работающих на открытых карьерных разработках. Высокий кпд, надежность, небольшая стоимость, отличная удельная мощность и экологичность – это основные эксплуатационные характеристики элетродвигателя двигателя типа мотор колесо.
Новый толчок развитию и применению этому двигателю для электровелосипедов дало изобретение аккумуляторов литиевой группы, имеющих удельную мощность более 100 Вт/час/кг, способных выдерживать большое количество циклов перезарядок и пиковые разрядные токи.
Двигатель мотор колеса мало отличается от безколлекторного синхронного двигателя. Единственное отличие состоит в том, что вращающееся магнитное поле создается в двигателе путем переключения его обмоток электронными ключами контроллера с регулируемой частотой. От частоты и скважности переключения зависит скорость вращения двигателя мотор колеса. Применение в двигателе сильных постоянных магнитов из сплавов с редкоземельными металлами, отсутствие щеток и любых трущихся деталей кроме подшипников на оси двигателя, позволяют поднять ресурс мотор колес до уровня применяемых подшипников и достичь кпд 90%.
На электровелосипеды устанавливаются два типа мотор-колес: - с прямым приводом и с планетарным редуктором.
В большинстве случаев, покупатели электровелосипедов не представляют себе потенциальных различий между этими типами мотор-колес и просто выбирают велосипед по мощности двигателя, не принимая во внимание величину крутящего момента, энерго экономичность и другие важные нюансы. А между тем они сильно отличаются своими эксплуатационными характеристиками.
Мотор-колеса прямого привода устроены предельно просто. Ось колеса является осью статора двигателя. Вращающий момент, возникающий при переключении обмоток статора электронными ключами, передается непосредственно на ротор, который соединен спицами с ободом колеса. Отсутствуют какие либо промежуточные механические передачи.
Достоинства:
- простота констркуции;
- максимальная скорость велосипеда – 40-70 км/час;
- могут обеспечить рекуперацию.
Недостатки:
- большой расход энергии аккумулятора в сравнении с редукторными двигателями примрно на 30% (особенно на скоростях меньше 18-20 км/час);
- большой диаметр двигателя, и из-за малой длины спиц слабая амортизация колеса;
- большой вес. Двигатель мощностью 500 Вт весит около 6 кг;
- малый удельный вращающий момент. Поэтому двигатели прямого привода для электровелосипеда имеют мощность от 500 Вт и выше;
- повышенные требования к аккумулятору электровелосипеда. Мощному двигателю требуется аккумулятор способный выдерживать большой разрядный ток и пиковые нагрузки. Необходим дорогой аккумулятор большой емкости;
- жесткие требования к контроллеру из-за больших пиковых токов;
- плохой накат. Из-за сильных магнитных полей внутри двигателя и большого диаметра, вращение колеса тормозится, даже при отключенном двигателе. Ехать на таком велосипеде с отключенным двигателем довольно тяжело;
- довольно большой совокупный вес двигателя и аккумулятора. Велосипед уже можно отнести к разряду скутеров.
Редукторные двигатели с планетарным редуктором для мотор колеса электровелосипеда имеют примерно в 2 раза меньшей габарит и веса, чем их без прямоприводные сородичи. Планетарный редуктор двигателя, как правило, имеет передаточное отношение 4,5:1, и позволяет обеспечить высокий вращающий момент.
В настоящее время существуют двухскоростные редукторные двигатели для электровелосипедов, с автоматическим и ручным переключением передач. Причем габариты, вес и КПД новых двигателей мотор колеса не отличается от обычных односкоростных двигателей. Применение нового типа двигателей для оснащения электровелосипедов позволяет иметь ряд существенных эксплуатационных преимуществ за счет наличия переключаемого редуктора. Редукция на первой передаче составляет 1:8, а на второй передаче 1:4,4. Поэтому крутящий момент двухскоростного мотор-колеса с номинальной мощностью 250 Вт на первой передаче больше чем у обычного односкоростного двигателя мощностью 500 Вт.
Наличие первой передачи с коэффициентом редукции 1:8 позволяет:
- иметь высокую приемистость - т.е. очень быстро разгоняться с места до скорости 17-20 км/час в режиме скутера;
- преодолевать крутые подъемы - до 27 градусов;
- легко преодолевать песчаные и грунтовые дороги, а также бездорожье;
- тяжелым велосипедистам нет необходимости ставить мощные двигатели;
На второй скорости максимальная скорость в режиме помощи составляет 45 км/час вместо 32 км/час для обычного двигателя.
Достоинства редукторных двигателей мотор колесо электровелосипеда:
- большой вращающий момент на низких оборотах. Быстрый старт с места, подъем в гору, движение по проселку и бездорожью, быстрый разгон с места;
- обгонная муфта внутри двигателя обеспечивает отличный накат велосипеда с отключенным двигателем;
- хорошая амортизация мотор колеса за счет большой длины спиц;
- достаточно небольшие пиковые токи повышают ресурс работы самого двигателя, аккумулятора и контроллера электро велосипеда;
- малый собственный вес. При мощности 250-350 Вт – около 3 кг;
- КПД около 87 %.
- редукторный двигатель на 30% экономнее расходует энергию аккумулятора в сравнении с двигателем прямого привода, а это существенно больший пробег электровелосипеда на одной зарядке литиевого аккумулятора;
- надежность находится на уровне мотор колес прямого привода.
Недостатки:
- легкий шум при работе связанный с наличием планетарного редуктора, но этот шум не больше шума колес велосипеда по асфальту;
- скорость мотор колеса ограничена 33 – 55 км/час.
Конструкция мотор-колеса с планетарным редуктором:
Статор двигателя мотор колеса с фазными обмотками закреплен на оси колеса электровелосипеда. Ротор колеса, с закрепленными на нем постоянными магнитами и спицами удерживающими обод колеса, вращается при переключении фазных обмоток статора. Вращение ротора, через центральную шестерню, передается на корпус двигателя через планетарный редуктор, и дальше на обод колеса. Три шестерни редуктора установлены на закрытые подшипники, оси которых закреплены на обгонной муфте. Передаточное отношение планетарного редуктора мотор колеса примерно 4,5:1. Обгонная муфта обеспечивает неподвижность трансмиссии двигателя при педалировании и отключенном двигателе. Благодаря наличию обгонной муфты обеспечивается легкий ход электровелосипеда при отключенном двигателе.
Мотор колесо с планетарным редуктором можно рекомендовать во всех случаях где не требуются скорости электровелосипеда выше 30–50 км/час и необходимо обеспечить максимальный пробег на одной зарядке аккумулятора. Редукторное мотор колесо оптимально по соображениям стоимости, экономичности, веса, вращающего момента и легкости хода электровелосипеда. Кроме того эти двигатели не требуют никакого тех обслуживания в течение всего срока эксплуатации.
