ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДА

Полезная модель относится к наземным транспортным средствам, а именно, к приводам колесных транспортных средств и может быть использована в качестве электрического привода, например, велосипеда, мопеда, инвалидных колясок и подобных транспортных средств.
Главным препятствием на пути создания эффективного электропривода для транспортных средств является отсутствие аккумуляторных батарей, обладающих достаточной емкостью при малых габаритах и приемлемой стоимости. Даже использование самых современных аккумуляторов, например, литий-ионных, пока не позволяет сконструировать электромобиль с удовлетворительным запасом хода. Разработка гибридных вариантов тоже проблематична - история с «е-мобилем» это подтвердила. Тем не менее, тема разработки электропривода является перспективной применительно к двухколесному транспорту и после нескольких месяцев проб и ошибок был изготовлен вполне жизнеспособный электропривод для самого обычного велосипеда.
Известен электропривод для велосипеда по патенту Российской Федерации №2440268, кл. B62M 6/40, 2009 г., содержащий одну или несколько магнитоэлектрических машин, находящихся на одном валу или сцепленных через муфты, каждая из которых имеет кольцевой статор с постоянным магнитом, выполненным в виде отрезка полого тора со щелью П или С-образной формы в поперечном сечении, направленной в сторону изгиба, аксиально намагниченного и прикрепленного к внутренней поверхности статора, выполненного в виде полого цилиндра, закрытого основаниями и соединенного с валом через подшипники, ротор в виде массивного диска, жестко связанного с валом, на периферии которого на кронштейнах, свободно проходящих через щель постоянного магнита в его полость, крепятся один или два диаметрально противоположных электромагнита, концы обмоток которых соединяются через токоведущие кольца и коллекторы, находящиеся на плоскости ротора, и щетки, размещенные на основании статора, с источником питания, при этом длина дуги электромагнита равна длине дуги постоянного магнита, при которой электромагнит или оба электромагнита могли бы размещаться вне полости постоянного магнита, причем на соседних магнитоэлектрических машинах статоры с постоянными магнитами и роторы с электромагнитами должны быть сдвинуты на некоторый угол относительно друг друга.
Данный электропривод сам по себе имеет очень сложную конструкцию, а также размещение его на раме велосипеда трудоемко и создает значительные неудобства при эксплуатации велосипеда.
Известен электропривод для велосипеда, описанный в патенте Российской Федерации №110360, кл. B62M 6/55, 2011 г., принятый заявителем за прототип.
Он содержит электродвигатель, блок управления и аккумулятор, электродвигатель закреплен внутри подседельной трубы рамы и имеет на выходном валу коническую зубчатую шестерню, ось мускульного привода имеет в средней части коническую зубчатую шестерню, входящую в зацепление с конической зубчатой шестерней выходного вала электродвигателя, ось мускульного привода закреплена с возможностью вращения внутри трубы мускульного привода перпендикулярно продольной оси подседельной трубы.
Однако, такой привод трудоемок в изготовлении и монтаже на велосипеде. А основной недостаток заключается в том, что этот привод работает совместно с мускульным приводом, не разделен с ним, что создает большие неудобства при эксплуатации.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание электропривода для велосипеда достаточно компактного, надежного, удобного для монтажа на велосипеде и работающего как независимо от мускульного привода, так и совместно с мускульным приводом, а при отключенном электроприводе движение велосипеда только за счет мускульного привода должно осуществляться без потерь мускульной энергии на преодоление сопротивления неработающего электропривода.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении электропривод снабжен планетарным редуктором с входным валом и выходным валом, дополнительной принимающей звездочкой и дополнительной цепью с натяжителем, выходной вал электродвигателя соединен со входным валом планетарного редуктора посредством зубчато-ременной передачи, а на выходном валу планетарного редуктора последовательно установлены обгонная муфта и передающая звездочка для снятия с выходного вала планетарного редуктора крутящего момента и передачи его на дополнительную принимающую звездочку ведущего колеса велосипеда посредством дополнительной цепи, которой соединены передающая звездочка и дополнительная принимающая звездочка, причем электродвигатель, планетарный редуктор и блок управления образуют приводной блок электропривода и установлены в одном корпусе, а дополнительная цепь установлена с возможностью натяжения посредством натяжителя.
Технический результат от использования предлагаемого электропривода для велосипеда заключается в том, что он имеет возможность работать как независимо от мускульного привода, а при отключенном электроприводе движение велосипеда только за счет мускульного привода должно осуществляться без потерь мускульной энергии на преодоление сопротивления неработающего электропривода.
На фиг. 1 изображена кинематическая схема электропривода велосипеда;
на фиг. 2 - размещение электропривода на раме велосипеда.
на фиг. 3 - изображен приводной блок электропривода электровелосипеда со стороны передающей звездочки и со стороны зубчато-ременной передачи.
Перед проектированием и реализацией проекта был проведен анализ имеющихся конструкций электровелосипедов, их преимуществ и недостатков. На основании этого были сформулированы требования к электровелосипеду с электроприводом, а именно:
- максимальная скорость движения должна соответствовать 25-35 км/час;
- запас хода должен быть 25-40 км;
- должна быть возможность мускульного привода «помогать» электроприводу;
- не должно быть дополнительной нагрузки при движении только при помощи мускульного привода, то есть необходимо осуществлять независимую работу электрического привода велосипеда и мускульного привода;
- комплектование электропривода должно осуществляться легко доступными стандартными деталями.
Электропривод для велосипеда состоит из аккумулятора 1, приводного блока 2 с электродвигателем 3, планетарным редуктором 4 и блоком управления 5, дополнительной принимающей звездочки 6 и дополнительной цепи 7 с натяжителем 8. Электродвигатель 3, планетарный редуктор 4 и блок управления 5, которые образуют приводной блок 2, установлены в одном корпусе.
Электродвигатель 3 выполнен с выходным валом 9, а планетарный редуктор 4 - со входным валом 10 и выходным валом 11.
Выходной вал 9 электродвигателя 3 соединен со входным валом 10 планетарного редуктора 4 посредством зубчато-ременной передачи 12. А на выходном валу 11 планетарного редуктора 4 последовательно установлены обгонная муфта 13 и передающая звездочка 14 для снятия с выходного вала 11 планетарного редуктора 4 крутящего момента и передачи его на дополнительную принимающую звездочку 6 ведущего колеса 15 велосипеда посредством дополнительной цепи 7. Дополнительная цепь 7 установлена с возможностью натяжения посредством натяжителя 8, который установлен на корпусе приводного блока 2.
Приводной блок 2 электропривода представляет собой двухступенчатый редуктор, который позволяет получить требуемое передаточное число при сохранении приемлемого КПД трансмиссии.
Первая ступень двухступенчатого редуктора представлена в виде понижающей зубчато-ременной передачи 12, а вторая ступень представлена в виде планетарного редуктора 4.
Применение в качестве первой ступени двухступенчатого редуктора зубчато-ременной передачи 12 позволяет использовать в электроприводе высокооборотный двигатель и одновременно снижать обороты, габариты и массу электропривода по сравнению с использованием низкооборотного двигателя. Кроме того, применение зубчато-ременной передачи 12 снижает обороты входного вала 10 второй ступени, выполненной на основе планетарного редуктора 4. При этом снижение оборотов входного вала 10 второй ступени позволяет снизить шум планетарной передачи.
Дополнительная цепь 7, соединяющая передающую звездочку 14 планетарного редуктора 4 с дополнительной принимающей звездочкой 6 ведущего колеса 15, также дополнительно снижает частоту вращения ведущего колеса 15 по сравнению с выходным валом 11 планетарного редуктора 4. А натяжитель 8 исключает провисание дополнительной цепи 7 при вытягивании и позволяет при установке не применять дополнительных механизмов регулирования натяжения.
Электропривод для велосипеда работает следующим образом.
При включении электропривода первым в работу включается электродвигатель 3, выходной вал 9 которого, вращаясь, приводит в движение зубчато-ременную передачу 12. Зубчато-ременная передача 12, в свою очередь, вращает входной вал 10 планетарного редуктора 4. Посредством этого вращение передается на выходной вал 11 планетарного редуктора 4 и на установленные на нем обгонную муфту 13 и передающую звездочку 14. При работающем электродвигателе 3 обгонная муфта 13 выключена, то есть находится в зацеплении с передающей звездочкой 14. Передающая звездочка 14 посредством установленной на ней дополнительной цепи 7 передает крутящий момент на дополнительную принимающую звездочку 6 ведущего колеса 15. Велосипед движется как электрический, при этом велосипедисту нет надобности крутить педали, то есть электропривод работает независимо от мускульного привода. А в определенных ситуациях, например, при движении велосипеда в гору, при работающем электроприводе, использование мускульного привода облегчает работу электропривода и снижает его нагрузки.
При отключении электрического привода электровелосипед работает как обычный, только от мускульного привода без потерь мускульной энергии на преодоление сопротивления неработающего привода за счет использования обгонной муфты 13 в приводе.
Первый опыт проведенных испытаний показал максимальный крутящий момент на ведущем колесе, который составил 24 Н. м, а максимальная частота его вращения - 133 об/мин при напряжении питания 12 В. Это соответствует 16 км/час, что значительно ниже требуемого значения
Для увеличения частоты вращения электродвигателя было решено использовать повышенное напряжение питания - 24 В. Такое решение позволяет поднять частоту вращения и, соответственно, скорость электровелосипеда до 32 км/ч, но при этом пусковой и рабочий токи могут превышать предельно допустимые значения для данного электродвигателя. Для решения этой проблемы был разработан контроллер обеспечивающий стабилизацию тока электродвигателя на допустимом уровне. Также контроллер обеспечивает дополнительные функции - регулировку скорости пользователем, отслеживание текущего напряжения аккумулятора, его защиту от критического разряда, индикацию режимов работы и др.
Управление электродвигателем основано на широтно-импульсном методе регулирования (ШИМ). Частота ШИМ, в данном случае, составляет 16 кГц, что, во-первых, обеспечивает режим непрерывных токов электродвигателя; во-вторых, снижает шум электропривода за счет ухода частоты коммутации за пределы слышимого диапазона. Сигнал ШИМ, формируемый контроллером, поступает на вход драйвера силового ключа, который, в свою очередь, управляет затвором силового полевого транзистора. Длительность импульса ШИМ зависит от положения регулятора газа (задается пользователем) и от текущего значения тока, протекающего через двигатель. Режим стабилизации тока электродвигателя основан на отслеживании текущего значения тока, протекающего через электродвигатель и открытый силовой транзистор (транзистор открывается периодически с частотой ШИМ). При достижении током максимального заданного значения силовой транзистор закрывается до следующего импульса ШИМ. Максимальное значение тока электродвигателя задается программно и может быть изменено в зависимости от типа применяемого электродвигателя или других факторов.
Способ стабилизации тока электродвигателя позволяет заметно снизить расход энергии, а также предотвратить перегрев электродвигателя. Такой способ способствует увеличению запаса хода при неизменной емкости аккумуляторов по сравнению с аналогами. Все вышеизложенное реализовано в виде отдельного блока электропривода, показанного на фиг. 3.
В процессе проектирования рассматривалась возможность и необходимость рекуперации энергии при спуске с горок или при торможении. Многие производители электроприводов для велосипедов рекламируют наличие такого режима, который, якобы, позволяет подзарядить батареи при спусках или даже зарядить их силой велосипедиста во время движения только при помощи педалей. В предложенной конструкции система рекуперации не предусмотрена. Такое решение обусловлено следующими расчетами.
Предположим, что для движения по прямой со скоростью 20 км/ч электропривод потребляет 4 А при напряжении питания 36 В (данные мотор-колеса). В этом режиме велосипед проедет 1 км за 3 минуты, т.е. за 180 секунд.
При этом электроприводом будет израсходовано энергии
4 А·36 В·80 с=25920 Дж.
Рассчитаем минимальную высоту горки, спуск с которой может дать такую энергию. При этом примем вес велосипеда с велосипедистом 120 кг, а КПД для упрощения равным 1.
Потенциальная энергия, которую планируется преобразовать в электрическую и сохранить в аккумуляторе, определяется произведением массы на ускорение свободного падения и на высоту горки
A=m·g·h
Требуемая для нашего примера высота горки:
На деле КПД не превышает 50%, что связано с механическими потерями генератора и электрическими потерями при заряде аккумулятора. Поэтому требуемая горка «вырастает» до 40…50 м. И это только для того, чтобы проехать 1 км по прямой. Соответственно, попытки зарядить аккумулятор с помощью педалей при езде по прямой превратятся в очень упорную тренировку. Да и такие перепады высот характерны только для горных местностей, а там уже нужно делать упор на тяговые характеристики электропривода.
При использовании рекуперативного торможения ситуация с зарядом принципиально не меняется. Для массы велосипеда с велосипедистом 120 кг и скорости, с которой началось торможение
получаем кинетическую энергию в начале торможения
.
Этого даже на 1 км пробега не хватит. Поэтому и отказались от рекуперации энергии в пользу более легкого движения только при помощи педалей, когда аккумулятор уже разряжен. Для этого в системе предусмотрена обгонная муфта, которая позволяет передавать крутящий момент только от редуктора к колесу.
На испытаниях электровелосипед развивал скорость до 33 км/ч, при весе испытателей с велосипедом от 100 до 140 кг. Использовались свинцовые гелевые аккумуляторы суммарным напряжением 24 В и емкостью 17 Ач. Пробег на полностью заряженных аккумуляторах составил 30 км.
Для увеличения пробега и снижения массы всей системы в дальнейшем планируется использовать LiFePo аккумуляторы емкостью 20 Ач. К сожалению, разрядная характеристика свинцовых аккумуляторов, используемых сейчас, не очень подходит для их применения в электротранспорте, даже в таком миниатюрном.
Использование предлагаемого технического решения позволило создать электропривод для велосипеда достаточно компактный, надежный, удобный для монтажа на велосипеде и работающий как независимо от мускульного привода, так и совместно с ним. А также удалость добиться свободного движения при неработающем электроприводе только от мускульного привода без потерь мускульной энергии за счет использования обгонной муфты в приводе, поэтому нет необходимости тратить мускульную энергию на преодоление сопротивления неработающего электропривода.