Як зробити електровелосипед зі звичайного велосипеда?

Привіт, друзі!

На цій сторінці я розповім Вам про те, як своїми руками переробити звичайний велосипед в електровелосипед, забезпечений електромотором і рухається не тільки за рахунок мускульної сили наїзника, але і на електротязі.

Все почалося з того, що одного разу я розібрав стару пральну машину "Indesit" і витягнув з неї багато корисних запчастин, в тому числі електромотор і деталі пасової передачі. Крім того у мене був велосипед, вже трохи доопрацьований (сидіння трохи зміщене назад за допомогою вставки в раму, щоб сидіти було зручніше), але в іншому самий звичайний:

Спершу треба було придумати, як передати крутний момент від електромотора на колесо від велосипеда. Оскільки вал електродвигуна вже мав шків для пасової передачі, а від пральної машинки залишився хороший ремінь, вирішено було використовувати саме таку передачу - ремінну. Тепер необхідно придумати, як закріпити шків пасової передачі на колесі велосипеда (очевидно, на задньому).

Втулка алюмінієва - зварюванням НЕ приварити, тому вирішено було закріпити шків до втулки колеса за допомогою декількох гвинтів. Зверніть увагу на нові отвори у втулці між спиць (на фото нижче). Отворів всього 9 шт., В них нарізане різьблення М3:

Тепер необхідно виготовити сам шків. Взагалі кажучи, ремінь від пральної машинки - поліклиновий, але т. К. Шків, який ми збираємося виготовити, значно більше за діаметром, ніж шків на валу електромотора, нарізати канавки на великому шківі немає необхідності - ремінь і так по ньому ковзати не повинен. Тому, шків для колеса у нас буде гладкий.

Для його виготовлення я вирізав коло з листової сталі товщиною 2 мм, в якому, крім інших, вирізав великі отвори для зниження ваги. Діаметр шківа в моєму випадку обмежувався наявними у мене токарним верстатом (заготовку більшого діаметра в верстат просто не вставиш) і склав приблизно 220мм.

До в зовнішній стороні отриманого диска була приварена сталева смуга (стандартний прокат), перетином 20 х 4 мм. Деталь по центру майбутнього шківа (на фото нижче), прикручена болтами, необхідна тільки для закріплення шківа на токарному верстаті при обробці (це якась деталь від трансмісії автомобіля "Нива").

Після зварювання шків був обточити на токарному верстаті. Зовнішня поверхня стала гладкою.

Далі забарвлення, сушка і установка на колесі велосипеда. При остаточній установці всі деталі (втулка колеса, центральне розмір отвору нашого шківа і дев'ять гвинтів М3) були змащені епоксидним клеєм "Poxipol" - щоб трималося надійніше і при експлуатації не розбовтуватися:

При спробі встановити колесо зі шківом в раму велосипеда, виявилося, що новий шків трохи заважає і впирається в трубу рами. Раму вирішено було трохи підігнути:

Тепер необхідно було якось закріпити електродвигун. Оскільки велосипед забезпечений заднім амортизатором, кріпити електромотор необхідно було саме до тієї невеликої частини рами, яка жорстко з'єднана з колесом (щоб забезпечити сталість натягу ременя). Крім того, необхідно передбачити механізм натягу нашого ременя.

Щоб зрозуміти, який стан двигуна найбільш оптимально, спочатку він був зафіксований в потрібному місці щодо велосипеда за допомогою дощок і мотузок, після чого була проведена прокрутка колеса, щоб переконатися, що ремінь не прагнути з'їхати з нашого саморобного шківа (адже наш шків не має ні канавок, ні будь-яких бортиків):

Потім розміри були виміряні, вирізані деталі з тонкостінних сталевих трубок і прямо в такому вигляді (поки велосипед і мотор пов'язані один з одним) були приварені (схоплені) до рами велосипеда. Після цього мотор був відв'язано, дошки прибрані, а деталі приварені остаточно:

Знову забарвлення, сушка ...

Далі збірка і випробування (прокрутка), на цей раз, за ​​допомогою електромотора, щоб переконатися, що ремінь точно нікуди не сповзає зі шківа:

Механізм натягу ременя був виконаний з деталей від штуки для натягу тросів (т. Зв. "Талреп"). У даній штуці є два гвинти - один з "лівою" різьбою, інший з "правої", а також спеціальна центральна частина - гайка з аналогічними різьбами з двох сторін. Ця центральна частина була розрізана болгаркою, і її кінці з різьбленням були уварені по торцях тонкостінної трубки потрібної довжини. Самі гвинти були приварені з одного боку - до шпильці кріплення мотора, з іншого боку - до спеціальному майданчику з отвором, що надівається на вісь заднього колеса велосипеда. В результаті вийшов механізм з трубкою (червоного кольору на фото нижче), при обертанні якої двигун може підніматися або опускатися, що призводить або до натягнення, або до ослаблення ременя. Дли фіксації трубки в потрібному положенні знизу вона законтрена контргайкой:

Тепер необхідно було вибрати тип і кількість акумуляторів. Оскільки наш електродвигун від пральної машинки, яка живиться від мережі змінного струму 220В, значить і сам мотор розрахований на роботу від напруги максимум 220В (змінного). Максимум, тому що в пральній машинці швидкість мотора регулюється в широких межах шляхом зміни напруги на електродвигуні, і максимальні режими мотор розвиває тільки в кінці віджиму.

Але акумулятори дають струм постійний, а не змінний. Однак, це нам на руку, т. К. Колекторні мотори змінного струму відмінно працюють і на постійному струмі. Більш того, на постійному струмі такі двигуни працюють навіть краще, т. К. Індуктивні опору мотора перестають грати роль. В результаті, я зупинився на напрузі 96В (8 двенадцатівольтових акумуляторів), а подивившись, що було доступно в магазині, вибрав акумулятори ємністю 5А · год:

Щоб закріпити ці акумулятори на велосипеді, я вирішив виготовити окремий ящик, в якому передбачалося розмістити акумулятори та необхідну електроніку:

Коли ящик був готовий, виявилося, що для нього ... немає місця! Планувалося розмітити його на рамі, в тому місці, де знаходиться бензобак у мотоциклів, але стало очевидним, що сісти на сідло велосипеда при цьому буде неможливо (ноги нікуди дівати):

Тому, я став шукати можливість приладнати цей ящик в інше місце, наприклад ззаду, але ззаду виявилося ні до чого його кріпити (за мотор не можна, т. К. Важелезний ящик буде «не підресорені", а закріпити за стійку сідла неможливо - заважає мотор ):

А ось спереду начебто і місце є, і кріпити є до чого:

Тому, саме туди я його і приварив:

Знову забарвлення, сушка, установка акумуляторів, їх послідовне з'єднання між собою і закріплення:

... і ось він, довгоочікуваний момент - перші випробування, поки без всякої електроніки, двигун підключається до акумуляторів безпосередньо, за допомогою автомата в ящику і вимикача (тумблера) на кермі. Для вимірювання робочого струму до велосипеда був приладнаний мультиметр:

Випробування показали, що "по двигуну" конструкція цілком працездатна, але важкий ящик попереду велосипеда робить його дуже важким в управлінні (погано слухається керма), про те, щоб заїхати на скільки-небудь мало-який бордюр не злазити з велосипеда не йдеться взагалі, щоб затягнути його в ліфт (в моєму будинку вантажного ліфта немає) потрібно багато шаманських дій, супроводжуваних неперекладними висловами, а тимчасовий вимикач на кермі взагалі згорів через загоряння і тривалого горіння в ньому електричної дуги при його виключенні (ра поневірянь).

Стало очевидно, що від важкого ящика попереду велосипеда треба позбавлятися. Тому він був відрізаний, а акумулятори розміщені на рамі рівномірно, кожен окремо. Крім цього, були передбачені автомобільні клаксони (бібікалкі), а також кріплення для кнопок управління цими клаксонами на кермі. Зважаючи на численні точок зварювання для кріплення майданчиків під акумулятори, раму довелося перефарбувати майже цілком.

Знову випробування, на цей раз, незрівнянно більш вдалі. Керованість знову стала хорошою, а затягувати велосипед в ліфт (з підйомом переднього колеса) стало набагато легше. Оскільки ніякої електроніки ще не було, стартувати на електротязі з місця я навіть не пробував - боявся спалити двигун або порвати ремінь. Включав автомат харчування, тільки розігнавшись на педалях до швидкості хоча б 10 ... 15км / год. При цьому через двигун починав йти струм порядку 10А, який знижувався до 3 ... 4А в міру розгону.

Спочатку я хотів зробити електронний блок, який повинен був забезпечувати не тільки роботу двигуна від акумуляторів, але також заряд акумуляторів від двигуна в режимі гальмування. Крім того, повинен бути досить потужний перетворювач на 12В для живлення клаксонів (бібікалок), а також, бажано, зарядний пристрій, щоб можна було заряджати акумулятори в будь-якому місці, не піклуючись про те, щоб не забути взяти з собою "зарядку".

Однак плани планами, але на практиці в такому вигляді цей велосипед простояв у мене більше півроку - все ніяк "руки не доходили".

Потім я все ж зважився зробити до нього електроніку для управління, але в самому простому варіанті - тільки регулятор потужності двигуна, без будь-якої рекуперації енергії при гальмуванні, без вбудованого зарядного пристрою і навіть без 12В на клаксони - вони були просто зняті.

Завдання такого блоку електроніки полягає в тому, щоб передати на двигун необхідну потужність, пропорційну положенню "ручки газу". Крім того, щоб струм не міг перевищити граничних значень при рушанні з місця на "повному газі", при досягненні струмом цього граничного значення потужність обмежується і подальше зростання струму не відбувається. У міру розгону ток падає, а обмеження з потужності знімається - вона стає такою, яка задана "ручкою газу".

Також, в завдання блоку входить стеження за ступенем розрядженого акумулятора і запобігання їх глибокого розряду (падіння напруги менше 9В на акумулятор (менш 72В на всіх). Т. е., При падінні напруги на всіх акумуляторах до 72В електродвигун буде вимкнений - далі доведеться їхати на педалях.

Регулятор двигуна виконаний у вигляді імпульсного понижуючого перетворювача, що працює на частоті перетворення 32.5кГц. Ось його схема (натисніть для збільшення):

Керуючий сигнал "генерується" "ручкою газу", виконаної у вигляді звичайного змінного резистора біля правої рукоятки керма:

Цей сигнал надходить на вхід АЦП мікроконтролера ATtiny26 фірми Atmel . На інший вхід АЦП даного мікроконтролера надходить напруга з токового шунта (вимірювального резистора), виконаного у вигляді друкованого провідника на платі, через який проходить повний струм тягового електродвигуна (трохи лівіше центру плати на фото нижче):

Зміна потужності двигуна досягається зміною коефіцієнта заповнення ШІМ-сигналу (Широтно-імпульсної модульованої сигналу), що надходить на затвори силових польових транзисторів IRFB33N15D через мікросхему-драйвер IR2127S. Виробником цих силових транзисторів і мікросхем-драйверів до них є фірма International Rectifier . Всього силових транзисторів IRFB33N15D три штуки, включені вони паралельно - для зменшення падіння напруги на них і підвищення ККД перетворювача.

Працює все це в такий спосіб. У той момент, коли від мікроконтролера через драйвер IR2127S на затвори транзисторів IRFB33N15D надходить керуючий імпульс, вони відкриваються, і електродвигун підключається до акумуляторної батареї. Однак, оскільки сам двигун має індуктивний опором, струм через нього не може стрибкоподібно підвищиться до позамежних значень - він починає "повільно" рости. Через деякий час керуючий імпульс від мікроконтролера зникає і транзистори закриваються. Однак, завдяки ЕРС самоіндукції, струм через двигун при цьому не припиняється стрибкоподібно - він знаходить собі шлях через три паралельно включених діода 10CTQ150 тієї ж фірми International Rectifier і "повільно" зменшується. Оскільки керуючі імпульси від мікроконтролера йдуть досить часто (з частотою 32500 раз в сек), струм через мотор за час імпульсу або паузи між імпульсами не встигає скільки-небудь значно змінитися, і підтримується на рівні деякого середнього значення. Чим ширше імпульси і вже паузи між ними - тим більший середній струм йде через двигун, тим сильніше велосипед "рветься в дорогу". У свою чергу, ширина імпульсів підтримується програмою мікроконтролера пропорційної положенню "ручки газу", але при цьому програма також стежить за тим, щоб струм через двигун (напруга на струмовому шунт) не перевищив граничного значення (7А).

Харчування мікроконтролера здійснюється від напруги 5В, виробленого з напруги акумуляторної батареї "зарядкою" від мобільного телефону Sony Ericsson K750i. В результаті експерименту з'ясувалося, що дана "зарядка" може працювати в дуже широкому діапазоні вхідних напруг - не тільки від мережі 220В, а й починаючи вже від 12В (!) Постійного струму і вище. У нашій же системі напруга на акумуляторах варіюється в діапазоні 70 ... 120В, що цілком підходить для цієї "зарядки".

Однак, в нашій схемі є ще драйвер IR2127S, якому необхідно харчування 12 ... 16В. Це харчування проводиться з напруги 5В шляхом його потроєння ділянкою схеми в лівому нижньому кутку (див. схему ). На затвори транзисторів IRLMS ... подаються імпульси від мікроконтролера з частотою також 32.5кГц, але з постійним заповненням 50% (меандр), які викликають перемикання цих транзисторів і перезарядку конденсаторів правіше.

Сам драйвер IR2127S складається з двох частин - низьковольтної (ліві за схемою висновки) і високовольтної (праві за схемою висновки). Високовольтна частина потребує окремого джерела живлення, не пов'язаному з джерелом живлення низьковольтної частини. Таке джерело живлення виконаний у вигляді готового модульного DC-DC перетворювача з гальванічною розв'язкою P6AU-1215ELF.

Крім того, драйвер IR2127S несе в собі також захисні функції - він стежить за миттєвим струмом через силові транзистори IRFB33N15D, і в разі його підвищення до аварійних значень (набагато більше, ніж 7А) (наприклад, при короткому замиканні в двигуні) негайно відключить силові транзистори , запобігаючи пошкодження схеми.

Ще на один вхід АЦП мікроконтролера подається напруга з акумуляторної батареї. У програмі мікроконтролера передбачено п'ять порогів напруги на батареї, починаючи від "батарея повністю заряджена" і закінчуючи "батарея зовсім розряджена". Ці стани индицируются за допомогою двох світлодіодів червоного і зеленого кольору. Коли напруга на акумуляторах зменшується до 72В (9В на акумулятор), мікроконтролер переходить до стану "батарея зовсім розряджена", і керуючий сигнал на затвори силових транзисторів більше не подається - потужність на двигун не передається - далі доведеться їхати на педалях.

Конструктивно електронний блок змонтований на двох друкованих платах - силовий і слаботочной:

Плати розміщені в напівгерметичними пластмасовому корпусі, силові транзистори і діоди виведені на радіатор знизу корпусу. При наступних "домашніх" випробуваннях, а потім і при тривалих поїздках на повному "газі", хоч трохи помітний нагрів цього радіатора (на дотик) відзначений не був - можливо, що можна було обійтися і без нього.

Подивитися про те, як користуватися отриманими електровелосипедом, можна на відеоролику нижче:

Якраз в дні написання цієї статті, мені пощастило знайти ще одну пральну машинку, на цей раз "ElectroLux". При її розбиранні з'ясувалося, що мотор в ній розрахований на велику потужність, ніж використаний на електровелосипед, а значить має меншу внутрішній опір - менші втрати. А значить такий мотор дозволить їхати або швидше, або далі. В результаті, мотор на електровелосипед був замінений на знову знайдений. Оскільки у "нового" двигуна вал був довший, довелося встановити його зі зміщенням з невеликою доопрацюванням системи кріплення:

Вже з цим "новим" мотором були проведені випробування на дальність поїздки і на максимальну швидкість.

Випробування на дальність поїздки на одній зарядці акумуляторів проводилися в два етапи.

1. Майже рівномірний рух на невеликій швидкості. Умови: дорога здебільшого - грунтова, місцями асфальт, рух відбувалося по кільцю (по колу). Довжина кола - приблизно 2 км. Дорога в цілому майже горизонтальна, однак місцями були невеликі спуски і підйоми. При русі вироблялося обертання педалей без докладання особливих зусиль. Співвідношення передач (мається на увазі положення ланцюга на зірочках) - максимальне - 3 на передній зірочці і 7 на задній. На ділянках підйому зусилля на педалі прикладалася більш відчутне - на допомогу двигуну. Положення "ручки газу" - приблизно по середині, і за час випробування не змінювалося (було постійним). Середня швидкість руху - приблизно 17 км / год. Вага наїзника з урахуванням одягу (моя вага) - близько 100кг. У цих умовах однієї зарядки акумуляторів вистачило приблизно на 25 км.

2. Рух на підвіщеніх швидкости в реальній обстановці. Умови: дорога здебільшого - асфальтована, але асфальт має численні тріщини і розломи, місцями дорога ґрунтова. Є досить часті невеликі спуски і підйоми. При русі вироблялося обертання педалей з додатком середніх зусиль. Співвідношення передач - максимальне - 3 на передній зірочці і 7 на задній. Положення "ручки газу" - змінювалося від приблизно середнього до максимального, в залежності від ситуації на дорозі, проводилися численні прискорення на "повному газі", а також тривалі руху на "повному газі". Середня швидкість руху - приблизно 25 ... 30 км / год. Вага наїзника з урахуванням одягу (моя вага) - близько 100кг. У цих умовах однієї зарядки акумуляторів вистачило приблизно на 17 км.

Випробування на максимальну швидкість проводилися при наступних умовах: швидкість вимірювалася за допомогою GPS- навігатора. Дорога асфальтована, рівна, горизонтальна. Акумулятори "свіжі", обертання педалей не проводилося, "ручка газу" в положенні "повний газ", вага наїзника з урахуванням одягу (моя вага) - близько 100кг. У цих умовах швидкість усталеного руху склала 30 км / год. При тривалому русі в гору з невеликим ухилом, при рівних інших, швидкість падає до 25 км / ч.

Тут слід зазначити, що застосовуваний електродвигун - колекторний, і з'єднаний за схемою з послідовним збудженням. При такій схемі максимальний крутний момент двигун розвиває в той момент, коли він зупинений (т. Е. На старті). У міру розгону крутний момент швидко знижується, а при подальшому збільшенні швидкості прагнути до нуля. Однак, будь-якого опору руху такий двигун не робить, як б не була велика швидкість його обертання (звичайно, не беручи до уваги тертя в підшипниках і на щітках колектора) (на відміну від трифазних моторів з електронним контролером - що стоять в заводських мотор -Колеса для електровелосипедів - у них є деяка гранична швидкість обертання, при якій вони переходять у генераторний режим і перешкоджають подальшому нарощуванню швидкості). Тому, в нашому випадку, при додатковому обертанні педалей вдається досягти значно більших швидкостей, ніж тільки на електротязі. Так, при тих же умовах, що і в випробуваннях на максимальну швидкість, але з додатком максимальних зусиль на педалі, з ланцюговим механізмом, встановленим на максимальну передачу 3/7 - вдалося досягти швидкості 42км / год.

Спасибі за те, що відвідали цю сторінку!