E-bike – jaki silnik do roweru, jaka moc, zakup

silnik-miniaturkaWitam w pierwszym wpisie z serii dotyczącej rowerów elektrycznych. Najpierw będzie trochę teorii gdzie opiszę pokrótce podział silników rowerowych, ich wady oraz zalety, jak dobrać silnik do potrzeb, gdzie kupić i jaki. Oczywiście, możliwie najniższym kosztem, co z resztą widać na miniaturce :)
A teraz na poważnie. Na sam początek podstawowy podział silników które stosuje się do napędów pojazdów elektrycznych, nie tylko rowerów.

Rodzaje silników – DC i BLDC

silnik-szczotkowy-przekladniowySilniki DC czyli zwykłe silniki szczotkowe które potrzebują zwykłego regulowanego napięcia stałego, silniki takie rzadziej się stosuje w pojazdach elektrycznych, mimo tego że takie pojazdy będą tańsze w przeróbce czy w budowie. Silniki DC nie występują lub bardzo rzadko występują w formie gotowej do montażu na kole, zwykle trzeba zakładać dodatkową zębatkę, dodatkowy wolnobieg, dodatkowy łańcuch, co staje się cięższe, bardziej awaryjne i głośniejsze. Silnik taki montuje się po za kołem i jest on bardzo widoczny. Silniki DC występują w wersjach bez przekładni oraz z przekładnią – na zdjęciu.

Silnik DC:
– niski koszt silnika i regulatora obrotów
– mniejsza waga gołego silnika
– awaryjny, zużywające się szczotki i komutator
– głośny, z tego samego powodu co powyżej
– gorsze odprowadzanie ciepła (z wirnika), bardziej podatny na złe warunki atmosferyczne (szczotki)
– zmienna prędkość obrotowa w zależności od obciążenia
– mniejsza sprawność energetyczna

silnik-bezszczotkowy-przekladniowySilniki BLDC czyli silniki bezszczotkowe które wymagają specjalnego sterownika, który będzie sterował fazami silnika, bo pod tym względem silniki te praktycznie nie różnią się od indukcyjnych silników trójfazowych dużej mocy. Silniki BLDC występują w formie silników HUB, czyli jest to tzw silnik w piaście. Czyli gotowy silnik z osią do przykręcenia w widełkach, i w który wystarczy zapleść nasze koło – na zdjęciu. Można też od razu kupić silnik z kołem który nie będzie jakoś specjalnie droższy, a sporo ułatwi montaż. Mały silnik tego typu w ogóle nie rzuca się w oczy i wygląda jak by w piaście były zamontowane biegi czy hamulec.

Silnik BLDC:
– droższy silnik, wymaga droższego sterownika który steruje fazami
– większa waga w przypadku silnika HUB (silnik w piaście)
– mniej awaryjny, choć to jeszcze zależy…
– dużo cichszy niż DC bo jedyne tarcie występuje w łożyskach
– z racji konstrukcji, sprawnie oddaje ciepło na obudowę, choć nie zawsze
– stała prędkość obrotowa niezależnie od obciążenia
– wyższa sprawność energetyczna

I tutaj silniki HUB dzielą się jeszcze na dwa rodzaje.

Rodzaje silników – przekładniowe i bezprzekładniowe

silnik-bezszczotkowy-bezprzekladniowySilnik bez przekładni i wolnobiegu, nazywany także DD (direct drive) to duży silnik o mocy często większej niż 500W, czasem liczonej w kW. Przeznaczony jest do szybkiej jazdy i tylko na zasilaniu, ponieważ silnik bez zasilania stawia opór podczas gdy pedałujemy. Przeznaczony do budowy mocnych i szybkich rowerów, będzie wymagał baterii o dużych rozmiarach i mocniejszego sterownika, choć można oczywiście na tym rodzaju silnika poskładać również rower o małej mocy. Silnik bez wolnobiegu który stawia opór w obydwie strony może współpracować z funkcją odzyskiwania energii jeśli sterownik silnika takową posiada. Na dźwigni hamulca montowany jest przycisk, który daje sygnał do sterownika by ten hamował silnikiem, a uzyskaną energię umieszczał z powrotem w baterii – jest to jednak bardzo niewydajny system i nie warto dopłacać za taki bajer.

Silnik bez przekładni i wolnobiegu:
– większe wymiary, większa waga, z daleka widać że rower ma silnik
– większa moc, moce tych silników są liczone w kW, choć i są słabsze
– praktycznie bezawaryjny i bezobsługowy
– brak wolnobiegu, silnik stawia opór podczas pedałowania
– najczęściej przeznaczony do montażu w tylnym kole
– wysoka cena, również na rynku wtórnym
– dobre odprowadzanie ciepła, podatny na przewoltowanie
– niepłynne ruszanie, większe prędkości, mniejszy moment obrotowy

silnik-bezszczotkowy-przekladniowy-tylSilnik przekładniowy z wolnobiegiem to bardziej taki silnik pomocniczy o mocach do 250-350W, silnik nie stawia żadnego oporu podczas pedałowania z wyłączonym zasilaniem, a cała konstrukcja z takim silnikiem będzie lżejsza więc roweru będzie można używać w sposób tradycyjny. Silniki takie najczęściej przeznaczone są do montażu na kole przednim ale są też wersje na koło tylne – na zdjęciu. Główna wada tego typu silnika to zużywająca się przekładnia planetarna, która pozostawiona sama sobie może ulec awarii, a w skrajnym przypadku zablokować koło podczas jazdy. Jeśli jednak nie będziemy przekraczali mocy podanej na silniku, to powinna ona służyć bardzo długo. Silnik w przednim kole ma też dodatkową zaletę i wadę. Zaleta to napęd na dwa koła, rower nawet na szosowych oponach świetnie radzi sobie na piachu, gdzie rowerem tradycyjnym trzeba hamować żeby się go nie najeść. Wada, to praca przedniego amortyzatora w bardzo nienaturalny sposób i w przypadku tanich amortyzatorów i mocnych silników, przyśpieszone zużywanie amortyzatora.

Silnik przekładniowy z wolnobiegiem:
– mniejsze wymiary, mniejsza waga, nie rzuca się w oczy
– mniejsza moc, spotykane są silniki o mocy 250W, czasem wyższej
– awaryjna i zużywająca się przekładnia, należy do niej zaglądać i ją smarować
– wolnobieg który wysprzęgla silnik i ten nie stanowi oporu podczas pedałowania
– najczęściej przeznaczony do montażu w przednim kole
– niska cena, zwłaszcza na rynku wtórnym, wersji na przednie koło
– słabsze odprowadzanie ciepła
– płynne ruszanie, mniejsze prędkości, większy moment obrotowy

silnik-centralnyJest jeszcze trzeci typ, silnik centralny, czyli silnik zintegrowany z suportem, bezpośrednio wspomagający pedałowanie, ale nie będę go brał pod uwagę bo nie umożliwia jazdy bez pedałowania, a cena też nie zachęca.




Jakiej mocy tak właściwie potrzebuję?

silnik-mocJeśli chodzi o moc, to należy sobie uświadomić, że jeśli na silniku jest napisane np. 250W 36V, to wcale nie oznacza że silnik będzie tyle pobierał, to jest tylko zalecenie producenta. Moc jaka pójdzie w silnik zależy tylko i wyłącznie od sterownika i napięcia baterii. Normalny przeciętny człowiek który jeździ rowerem rekreacyjno-weekendowo-turystycznie, jest w stanie pedałować z mocą 250W, może 300W* – większe moce osiągane są tylko chwilowo, a w sposób ciągły tylko przez zawodowych kolarzy. Silnik o takiej mocy da podobne przyśpieszenie i podobną prędkość, czyli około 30-35km/h, z tą różnicą że silnik może pracować z taką mocą nieprzerwanie, gdzie człowiek jednak będzie musiał za chwilę zwolnić i odpocząć. To daje dobre porównanie. Jeśli będziemy trochę pedałować i trochę wspomagać się silnikiem, to będziemy w stanie jechać w sposób ciągły wystarczająco szybko zużywając niewiele energii naszej, jak i energii elektrycznej – to jest główne założenie roweru ze wspomaganiem elektrycznym. Jeśli chcemy jechać szybko bez pedałowania, 400W na pewno wystarczy, większa moc pozwoli po prostu na większe przyśpieszenie. Pamiętajmy że czym szybciej jedziemy tym powietrze stanowi coraz większy opór, jazda z prędkością do 20-25km/h jest chyba najbardziej optymalna jeśli chodzi o zużycie sił/mocy w stosunku do prędkości, przy 35km/h opór wiatru jest już kilkukrotnie wyższy, mimo że prędkość nie jest nawet dwukrotnie większa.

Na początek mogę śmiało polecić zwykły silnik 250W ze sterownikiem który będzie potrafił pchnąć nieco więcej. Co najważniejsze, będzie to tanie, nie warto od razu kupować silnika za 1000zł, gdzie być może nie będziemy z niego korzystali z różnych powodów. Jeśli jeszcze chodzi o prędkość, to warto napisać że bezpośrednio zależy ona od napięcia, oraz co oczywiste od obwodu koła. Przy napięciu 50V i kole 26″ uzyskiwałem prędkość ciut powyżej 35km/h pobierając z baterii około 300-350W. Przy instalacjach 36V lub 24V prędkość będzie nieco mniejsza, ale z powodu nieliniowego wpływu oporu wiatru zależność ta też nie będzie liniowa, i przy napięciu 36V pojedziemy może kilka km/h wolniej. Podsumowując, jechać szybciej niż 30-35km/h po prostu się nie opłaca. A i jazda rowerem z prędkościami powyżej 40km/h nie należy ani do komfortowych ani do bezpiecznych.

*Moc wytwarzaną przez przeciętnego człowieka podczas pedałowania oszacowałem na swoim przypadku, zwyczajnie obserwując wskazania watomierza i prędkościomierza. Różne źródła podają różną moc, ale z grubsza pokrywa się ona z moimi obserwacjami.

Przewoltowanie

przewoltowanieJa w swoim przypadku dla silnika przekładniowego z wolnobiegiem 36V 6A (więc wychodzi 216W mocy ciągłej) zastosowałem baterię 48V, a jako że sterownik miał ograniczenie 17A, to w silnik potrafiło czasem pójść 800W, co z resztą pokazywał mi niewielki miernik mocy wpięty za baterią. Przewoltowanie silnika to powszechna praktyka i bardzo często napięcie jest podnoszone poprzez zastosowanie baterii o… wyższym napięciu. Pchanie 800W w 250W silnik to jawne przegięcie, po pierwsze sporo tej mocy zostanie zamienionej w ciepło, silnik będzie się bardzo szybko nagrzewał – a silnik przekładniowy nie radzi sobie zbyt dobrze z wypromieniowywaniem ciepła, i jeśli jest ciepły na zewnątrz, to znaczy że w środku jest już gorący. Ale to jeszcze nie jest problem, bo taka moc będzie występowała tylko przy ruszaniu lub jeździe pod górkę, ale to tylko na nasze własne życzenie bo przecież ilość mocy możemy regulować płynnie i silnik wspomóc nogami – a jeśli nie potrafimy się opamiętać, warto moc ograniczyć w sterowniku. Większym problemem tutaj będzie bardzo szybkie zużywanie się przekładni, nawet w tych chwilowych przeciążeniach, zużyta przekładnia może w każdej chwili się uszkodzić blokując koło, lub zwyczajnie ściąć zęby przekładni. Silniki bezprzekładniowe pod względem przewoltowania radzą sobie dużo lepiej, grozi im tylko przegrzanie, a i ciepło odprowadzają dużo sprawniej niż przekładniowe. Zestaw naprawczy (przekładnia planetarna) dla silnika przekładniowego potrafi kosztować tyle co używany sprawny silnik, na prawdę nie polecam wjeżdżać z pełną mocą w przeszkody typu niskie krawężniki, dziury, któryś z kolei taki udar dla przekładni może oznaczać koniec jej żywota.

Prędkość obrotowa koła zależy też od innych czynników. Każdy sterownik ma swoje ograniczenia, np mój sterownik 17A przy silniku przekładniowym, potrafi kręcić kołem do 42km/h bez obciążenia, i bardzo szybko osiąga tą prędkość. Szybciej nie może, bo po prostu nie jest w stanie szybciej wachlować fazami silnika. Silnik skutecznie potrafi napędzać rower do 35km/h, a powyżej tej prędkości już tylko trochę pomaga, przy 40km/h wspomagania już nie czuć. Być może dlatego, że pracuje w trybie bezczujnikowym, ale taka prędkość mi odpowiada, więc nie kombinowałem. Silnik bezprzekładniowy jałowo będzie kręcił kołem o wiele szybciej i na pewno będzie można osiągnąć większe prędkości (pod warunkiem dostarczenia większej mocy), ale ma mniejszy moment obrotowy i potrzeba wyższego prądu (mocniejszego sterownika) aby osiągnąć takie przyśpieszenie jak przy silniku przekładniowym. Również przy wolnych obrotach będzie miał niższą sprawność. Prędkość obrotową dla silnika bezprzekładniowego przeważnie szacuje się na 1km/h na każdy 1V napięcia. Dla silnika przekładniowego zależność ta nie ma zastosowania, tutaj ograniczeniem jest najczęściej sterownik – zestaw taki raczej nie osiąga prędkości wyższych niż 40km/h, tym bardziej że został zaprojektowany do prędkości 25km/h i 250W (do takiej prędkości i mocy wg prawa taki rower jest jeszcze rowerem).

Zakup

jaki-silnik-rdzaJeśli kupujemy nowy silnik w sklepie, nie ma co się rozpisywać. W sumie wystarczy tylko dobrać moc i napięcie. Jeśli chodzi o allegro i silniki używane, to warto napisać do sprzedawcy który oferuje różne używane części do e-bajków, być może będzie miał to co nas interesuje. Ja osobiście tak zrobiłem i kupiłem 250W 36V silnik zapleciony w obręcz 26″ w kwocie 180zł z przesyłką. Po rozkręceniu okazało się że przekładnia jest w bardzo dobrym stanie, ale niestety silnik leżał gdzieś na deszczu bo wewnątrz wszystko co stalowe było zardzewiałe, a sam smar w przekładni miał rdzawy kolor (silnik nie miał śrub do mocowania tarczy hamulca i chyba tamtędy dostała się woda). Ale moim zdaniem lepiej wyczyścić i przesmarować silnik niż szukać przekładni na wymianę o którą dosyć ciężko. Na szczęście silnik chodził poprawnie i cicho, i w ten sposób przejeździłem na nim „testowo” cały sezon. Za komplet silnika z obręczą (prostą) w takiej kwocie nie należy wymagać zbyt wiele, w moim przypadku wystarczyło założyć oponę i już mogłem jeździć z bananem na mordzie :)

Silniki bezprzekładniowe nawet na rynku wtórnym osiągają ceny prawie takie jak nowe. Ale jeśli masz okazję – śmiało. Silnik przekładniowy od nowości jest tańszy, a silnik używany można kupić już za stówkę – polecam poszukać na allegro, nawet jeśli nie można znaleźć to warto poszukać w zakończonych aukcjach i popytać sprzedających o dostępność towaru, z pewnością coś się znajdzie. Tutaj należy podjąć ryzyko bo nigdy nie wiemy w jakim stanie jest przekładnia i sam silnik, być może jest zajechana do granic możliwości, być może jest w bardzo dobrym stanie. Z silnikiem bezprzekładniowym takie ryzyko nie występuje, silnik taki jest bardzo trwały i niewiele może się w nim zepsuć – stąd też takie ceny. Jeśli możesz, kup silnik zapleciony w obręcz. Zaplecenie silnika we własnym zakresie może okazać się kłopotliwe, tym bardziej przy silniku który będzie dysponował mocą większą niż 250W. Szprychy muszą być odpowiednio grubsze i zaplecione w odpowiedni sposób, tak aby nic się nie zrywało, z tego co można wyczytać na forach jest to powracający problem. Po za tym kupno takiego kompletu szprych na wymiar i zlecenie zaplecenia to też wydatek.

hall_wiresJeszcze ważna uwaga, silniki BLDC dzielą się jeszcze na dwa rodzaje o których nie wspominałem. Są silniki z czujnikami Halla, są silniki bez czujników. Czujniki te umożliwiają sterownikowi odczytanie położenia magnesów względem cewek i bezbłędne sterowanie fazami tak, aby ruszanie było płynne a sama praca silnika wydajna. Oczywiście bez problemu można kupić sterownik typu sensorless który poradzi sobie bez czujników, ale podczas ruszania z miejsca może lekko szarpać – to dla silnika przekładniowego. Silnik bezprzekładniowy nie nadaje się do pracy bezczujnikowej, zawsze będzie trzeba ruszać przy pomocy pedałów, ale takie silniki bez czujników chyba w ogóle nie występują, za to przekładniowe bez czujników trafiają się często. Taki silnik z czujnikami można rozpoznać po tym że oprócz 3 głównych przewodów posiada dodatkowe 5 cienkich przewodów od czujników Halla, jednak część silników może nie mieć tych czujników a posiadać dodatkowe przewody – na przykład będzie to jakiś czujnik obrotów czy czujnik temperatury. Jeśli kupujemy silnik który może nie mieć Halli, kupmy strerownik typu sensor/sensorless który umożliwia pracę w trybie czujnikowym jak i bezczujnikowym, nie kosztuje wcale on więcej.

mocowanie_silnika_ebikeI na koniec przypomniało mi się o jeszcze jednej rzeczy. Rozmiary montażowe silnika vs roweru. Przy zakupie silnika koniecznie sprawdźmy jaka jest szerokość montażowa, oraz jaka jest średnica osi. Jeśli kupujemy silnik używany to warto poprosić sprzedającego o zmierzenie. Na przykład, mój silnik ma raczej taką standardową szerokość 100mm, oraz oś o średnicy 12mm. Większość przednich widełek posiada szerokość 100mm i gniazdo na oś o średnicy 10mm. Chodzi o to, że 12mm oś silnika jest z dwóch stron przeszlifowana na 10mm, dzięki czemu nie obraca się w gnieździe, i w tym właśnie punkcie silnik „zapiera się” pchając cały rower do przodu. Dla silników mocniejszych stosuje się dodatkowe wzmocnienia aby oś nie wyłamała się z aluminiowego gniazda ramy czy widełek, ale o tym postaram się napisać kolejnym razem. Silniki trafiają się w różnych wymiarach, jeśli to będzie 110mm to widełki można o tyle próbować rozgiąć, ale ze zbyt dużą różnicą w wymiarze lepiej tak nie robić.


Rower elektryczny DIY – budowa od podstaw – spis


4.80 avg. rating (95% score) - 5 votes

13 komentarzy

  1. Jerzy Jurgielewicz

    Nie „oś o grubości 12mm” tylko oś o średnicy 12 mm. Podobnie, nie „dla tego,” tylko dlatego.
    Pozdrawiam

    • I serio nie masz nic mądrzejszego do napisania tylko takie coś?

  2. Jerzy Jurgielewicz

    Nie napisałem przez złośliwość, tylko aby zwrócić uwagę na niektóre błędy, które powstają podczas edycji każdego tekstu tekstu, a które należałoby poprawić prze opublikowaniem. A fachowo, wałki nie mają grubości. Wałki maja długość i średnicę. To taka inżynierska uwaga. A’propos, nie jesteśmy na „Ty” Pozdrawiam.

    • Napisałeś „tekstu” dwa razy.
      I tak w ogóle zawsze się dziwię skąd się biorą tacy ludzie „nie jesteśmy na ty” w komentarzach.

    • Otóż to. Wypadałoby przeczytać komentarz przed opublikowaniem :p

      Człowiek się napracuje i poświęci dodatkowo cały weekend żeby opisać i sfotografować to co zrobił, i stara się żeby to miało ręce i nogi jak na standardy amatorskiego bloga, to wlezie taki i jedyne co potrafi zrobić to przypieprzyć się o byle co i ani jednego dobrego słowa nie zostawi.

      Tekst sprawdzam przynajmniej kilka razy przed publikacją, często redaguje po, ale niestety, nie wszystkie błędy wychwycę bo nie jestem polonistą a i przeglądarka nie wszystkie pokaże (nie pokazuje „dla czego” bo traktuje to jako dwa osobne wyrazy i nie zna kontekstu). Inżynierem też nie jestem, nie dysponuję przesadnie bogatą wiedzą z tej dziedziny, więc u mnie wałek miał grubość, i nie wydaje mi się aby ktoś z tego powodu poczuł się dotknięty.

      Oczywiście wszelkie uwagi przyjmuję do wiadomości, ale byłoby mi niezmiernie miło, jeśli będą one przekazywane w bardziej przyjaznym tonie. Jeśli ktoś chce się zwyczajnie przypieprzyć, np o literówkę czy gramatykę, bo i tacy ludzie się trafiają w komentarzach, to zapraszam do kontaktu prywatnego.

  3. „ale nie będę go brał pod uwagę bo nie umożliwia jazdy bez pedałowania,”
    I tu się pojawia moje podstawowe ALE do całej serii. To co stworzyłeś, nie jest rowerem ze wspomaganiem elektrycznym. Ustawowo taki pojazd będzie trzeba chyba zaklasyfikować jako motorower z napędem elektrycznym. I jako taki wymaga rejestracji, OC i jazdy w kasku.

    • Owszem, poruszyłem tą kwestię w ostatniej części. Choć powodzenia życzę w rejestracji takiego pojazdu, po ostatnich zmianach przepisów jest to niemal niemożliwe.

      Rozważam dodanie przełącznika, który zmienia tryb działania pojazdu rower/motorower. Po przełączeniu na „rower”, pojazd spełniałby wytyczne z art.2, pkt 47 ustawy prawo o ruchu drogowym i byłby rowerem (wspomaganie uruchamiane naciskiem na pedały, moc do 250, prędkość do 25km/h) który może się poruszać po i ścieżkach drogach publicznych. Po przełączeniu na motorower osiągi nie byłyby w żaden sposób ograniczane, i wtedy jeździć będzie można wszędzie tam gdzie nie obowiązuje prawo o ruchu drogowym.

      To tyle w kwestii legalności. Ten mój rowerek to i tak popierdółka, ludzie konstruują elektryczne motory na ramie roweru (ponad 4kW mocy i ponad 45km/h), i nazywają je rowerem :)

    • Przy czym o ile robienie teraz takich „power” e-bików nie przeszkadza na razie nikomu. To w pewnym momencie sprawą tych wszystkich pojazdów elektrycznych (do tego jeszcze inne nie sklasyfikowane pojazdy elektryczne), spowoduje iż w pewnym momencie policja zacznie się nimi interesować.

  4. PS. Przydał by się jakiś plugin do subskrypcji komentarzy, by łatwiej było śledzić wątek/odpowiedzi na swój komentarz.

    • Był plugin, gdzie można było zaptaszkować prośbę o info na maila przy wysyłaniu komentarza, ale przestał być kompatybilny z „czymśtam”, a ja nie mam czasu na grzebanie i testowanie wszystkich wtyczek :(

    • Ja korzystam z Subscribe to Comments Reloaded

  5. Janusz Internetu

    Niestety nie masz pojęcia o silnikach BLDC i ich sterowaniu.

    Back-EMF jest wprost proporcjonalna do obrotów. (Back-EMF jest wyrażana w V/Hz lub RPM/V.) Stąd obroty maksymalne bez obciążenia zależą wprost od napięcia zasilania i zazwyczaj tylko od niego. Bardzo rzadko ograniczeniem jest maksymalna szybkość przełączania faz w sterowniku i tylko przy licznobiegunowych silnikach.

    Weźmy Twój rower: 42km/s to ~360 RPM. To jedynie 6Hz dla silnika 2 biegunowego (obrót elektryczny == obrót mechaniczny).
    Silnik 10 biegunowy to 5 obrotów elektrycznych na obrót mechaniczny, czyli 30 Hz.
    Nawet gdybyś miał silnik 100 biegunowy (mało prawdopodobne, bo wykonanie adekwatnej liczby slotów jest kosztowne) , to raczej wątpliwe jest znaleźć sterownik, który nie poradzi sobie z 300Hz przełączania.

    • Całkiem możliwe że nie mam o tym pojęcia, nie zaprzeczam :)

      To ciekawe co piszesz, będę musiał lepiej wgryźć się w temat przy jakiejś okazji. Czyli jak rozumiem praca w trybie czujnikowym nie zmieni nic w kwestii obrotów?

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Proszę pozostawić te dwa pola tak jak są: