Мотор-колесо. Как работает.

[i]

Здесь я хочу представить мои попытки объяснить самому себе, как же все-таки работает пресловутое мотор-колесо, что стоит в моем велосипеде.
Поскольку у меня на руках "старое" мотор-колесо от электровелосипеда Hulong-006, то речь будет о нем.
Я долго рылся в книгах, пока не понял, что там они описывают в основном асинхронные двигатели и, немного, синхронные. Мотор-колесо в моих руках не относится ни к одному из них. Оно близко к синхронным машинам, но не эквивалентно им. Такие двигатели вынесены в отдельный тип "вентильно-управляемые" или "вентильно-индукторные", но не в этом дело.

Внимательно рассмотрев внутренности "подопытного", я нарисовал диаграмму. Это выпрямленная 1/4 часть мотора, его ротора и статора. Так как в моторе 40 магнитов на роторе и 36 полюсов на статоре, его можно разделить (не распилить) на четыре части, т.е рассматривать на диаграмме только 10 магнитов и 9 полюсов. Остальные 3/4 мотора являются копией рассматриваемой четверти.

Верхняя полоса изображает из себя магниты ротора. Для простоты изображения показаны только половинки магнитов, на самом деле магниты намагничены сверху-вниз (по диаграмме), один полюс магнита прижат к стальному ободу колеса, второй - взаимодействует с ротором, вот эта "полезная" часть магнита и раскрашена в цвет, принятый для обозначения северного и южного полюса магнита. Иными словами, каждый цветной прямоугольник - это отдельный магнит.

Нижняя полоса - схематическое изображение статора, с датчиками и обмотками. Цвета датчиков (нарисованы как треугольники) выбраны по цвету проводов к ним припаянных. Тройки прямоугольников одного цвета - это три соседних полюса статора, которые намагничиваются одной обмоткой, причем средний полюс намагничивается всегда "против" своих соседей. Цвета троек соответствуют проводам их питающим. Расположение датчиков на полюсах статора и их положение относительно обмоток - соответствует действительности (или моему представлению о ней).

[i]

Теперь, разобравшись со схематичным изображением мотора, я начал "сдвигать" ротор. Датчики стали "изменять" свое состояние, так как оно зависит от полярности магнита находящимися непосредственно над каждым датчиком. Всего получилось шесть состояний (или шесть положений ротор-статор).
Я заштриховал тройки статора так, чтобы силы, возникающие между конкретным полюсом статора и ближайшими магнитами ротора, "двигали" ротор в выбранном мной направлении. Логика проста, как у мальчиков и девочек, "любят" противоположный пол, и "терпеть не могут" свой, ну вы меня понимаете. "Синий" тянется к "красному" и толкает "синий" и наоборот.
Результаты мысленного эксперимента нарисованы ниже. Оказалось, что в каждом положении, нашлась тройка, которую нельзя "правильно" покрасить. Любая комбинация, (синий-красный-синий или красный-синий-красный) будет создавать силу действующую ПРОТИВ всех. Пересилить, конечно, не пересилит, но подгадит.
Таким образом, чисто графически, удалось установить, что в каждый момент времени под напряжением должны быть только ДВЕ обмотки из трех.
Обидно,блин .

P.S. Что бы вы могли проверить мои выкладки, кроме jpg прикладываю spl в архиве. Для работы с spl нужен
sPlan.

[i]

Здесь я нарисовал "трансмутацию" схемы обмоток в векторное представление.
Вид 0 это схематичное изображение обмотки тройки соседних полюсов. От этого вида перешел к виду с номером 1. Здесь показаны и датчики и обмотки и их взаиморасположение. На этом рисунке видно, что каждая обмотка состоит из 4 секций, в каждой по 3 полюса, на каждом из них по 10 витков жгута из 5 проводов по 0.5 (или 0.54) мм в диаметре. Итого каждая обмотка состоит из 4*3*10=120 витков.
Вид 2 еще компактнее, но не информативен для намотки. Вид 3 - промежуточный, его задача упростить изображение, сохранив начала обмоток. Вид 4 уже векторное изображение обмоток.

[i]

Вот теперь можно "повращать" получившуюся "звезду".
На рисунке показаны шесть положений обмоток относительно цепей питания. Видно, что в каждый момент времени ток течет только по двум обмоткам, а третья висит в воздухе. Так работает контроллер в э-велосипеде Hulong-006.

Переход из одного положения в следующее происходит "мгновенно", без промежуточных состояний. Каждое положение, это повернутое на 60 градусов (против часовой) предыдущее. Так что к синусоиде это, ни каким боком не относится. Мало того, правильная 3-фазная синусоида здесь и не может быть применима, так как она подразумевает периоды, где все три обмотки будут под током, а это запрещено конструкцией  (см. выше).

На рисунке, кроме токов, еще нарисованы векторы ЭДС (цвет надписи "ЭДС" соответствует цвету обмотки ее породившую), которые всегда направлены против тока, просто из вредности. Обращаю внимание, что эти вектора всегда складываются (т.е вредности в два раза больше).
Уничтожить ЭДС нельзя, но можно попытаться ее уменьшить.
Каждая обмотка состоит из 4-х секций соединенных последовательно 1-2-3-4 (вид1 в предыдущем посте). А если соединить их последовательно-паралельно, например так 1-2=3-4? То есть, разорвать связь 2-й и 3-й секций и начало 3 секции соединить с началом 1, а конец 2 с общей точкой всех обмоток. Таким образом мы получим уменьшение ЭДС в два раза и, ура, вдвое возрастет максимальная скорость холостого хода.
Вот только мощность двигателя не изменится, так как в каждой "полуобмотке" будет течь "полу-ток", а их сумма будет равна  тому максимуму, что заложен в контроллере.

[i]

"Все страньше и чудесатее" как сказала Алиса.
Ругаясь второй год на противо-ЭДС двигателя, я расматривал ее как-то "в общем". А тут решил нарисовать график, что бы посмотреть на какой скорости она начинает "мешать". Почитал, порисовал, прибалдел. Цифры мозги хорошо прочищают.
То что получилось, видно на приложенном рисунке. Попробую расшифровать.
Синим нарисованы линии относящиеся к штатному мотору под штатным напряжением (36в). Коричневым - ситуация при повышении бортового питания до 48в. Зеленые линии - это мотор с запараллелеными секциями обмоток, как я описывал выше.
Штриховые наклонные линии, это график изменения тока обмоток под влиянием роста ЭДС, при увеличении скорости. I=(U-E)/R. Строится эта линия просто: когда мотор стоит (скорость 0) ЭДС=0 и ток в обмотке определяется только напряжением и сопротивлением обмоток. Одна обмотка 0.27ом, с точностью моего мультиметра. Следовательно ток будет I=38/0.55=69.1A (да кто-ж ему столько даст?). Две обмотки всегда включены последовательно, потому и 0.55 ома. На скорости в 30км/ч ЭДС равна напряжению питания и ток обмоток равен нулю. По этим двум точкам и строится прямая.
Горизонтальная сплошная линия обозначает работу ограничителя тока в контроллере, на уровне 10А. Там, где эта линия упирается в штриховую, начинает главенствовать ЭДС, т.е. ток начинает падать под действием подросшей ЭДС.
По вертикальной оси (ординат) откладываются значения тока (в амперах) и сила, производимая этим током (в условных единицах, ну не знаю я какую силу производят 10 ампер тока, вот пусть и будет 10А=1у.е.). Главное, что сила (или крутящий момент) пропорциональна току в витках обмотки.
Теперь смотрим, что получается.
(Синие линии, штатный мотор)
Сажусь на эвел и "газу до отказу". Вел еще стоит, мотор еще не крутиться, но у же "кушает" свои 10А. Сила в 1 у.е. начинает превозмогать силу сопротивления качения (линия из красных точек) и инерцию. Начинается движение, причем с ускорением, так как сила мотора больше силы сопротивления. Скорость растет, но сила мотора остается постоянной, соответствующая 10А. Тогда механическая мощность мотора будет тоже расти, согласно формуле P=F*V. Своего максимума механическая мощность мотора достигнет в точке перегиба сплошной линии на графике, далее начнет спадать вместе с ней. Получается странность, с одной стороны потребляемая мотором электрическая мощность P=U*I остается постоянной, вплоть до скорости в 25 км/ч, а механическая постоянно растет. Куда пристроить КПД?
Начиная со скорости в 25км/ч, вступает в действие ЭДС (наконец-то она добралась). Ток обмоток начинает падать, сила тоже, это наклонный участок сплошной линии (но скорость еще растет!). Это будет происходить до того момента, пока наклонный участок не встретится с красными точками, т.е. сила мотора станет равна силе сопротивления.
(Коричневые линии, 48в)
Практически все тоже самое, что и в "синем случае", только встреча сил произойдет при большей скорости.
(Зелень, 36в, но секции обмотки запараллелены)
Сила мотора упала, так как из-за параллельности, каждой ветке достанется половина тока. Хоть общий ток и остался прежним 10А, сила, им производимая, будет вдвое меньше. Это значит, что эвел будет медленней разгоняться, "нехотя" преодолевать горки, но, теоретически, сможет достигнуть вдвое большей скорости (хотя встречный ветер помешает). Мощность осталась прежней, а тяга упала 

Надеюсь теперь понятно, что и как надо изменять, для поднятия тяги или скорости.
Хороший вариант предложил ruma в своем посте. Своего рода "электрическая коробка передач". 
Кстати, это у него заняло гораздо меньше места, чем у меня. 

[121]

Целиком и полностью поддерживаю "ruma". В контроллере что мы сможем изменить? Только ток задать какой нам захочется на старте, при разгоне и то чем ближе будем приблежаться к максимальной скорости тем толку даже от самого навороченного контроллера будет меньше. Приблизимся к ЭДС при 30км/ч и что? Какая оптимизация контроллера поможет? Он лиш подает вовремя ток ограничивая его и снимает с обмоток когда нужно. Возможно поковырявшись можно добиться более точного управления токами обмоток, но я не думаю что конструкторы там много чего для нас оставили. КПД и так высокое в районе 90% (это уже не моё утвердение)

Есть электрическая мощность, которую МК превращяет в механическую. Так вот тут эксперементы "ruma" полностью подтверждают логический ход мыслей. Хочеш мощней - добавь витков, увеличется крутящий момент скорость пропорционально упадёт, мощность таже только преобразованна в тягу, средняя езда при стандартной обмотке, хочеш с горки ехать под 40,- сними несколько витков, крутящий момент упадёт но мощность останется таже. По сути дела как в машине мощность одна движка, но есть несколько скоростей, выберай себе по задаче.

У меня была мысль, сделать коммутацию обмоток в нутри колеса на три подобных подключения, при помощи мощных полевых ключей, токи не большие, радиаторов для теплоотвода не понадобится, 9 ключей нужно. Помех для реализации подобной идеи пока не вижу. Вопрос? Получится ли уложить нужное количества проводов в пазы?

[i]

Перерисовал картинку по намоточным данным от ruma.
Что получилось смотрите.
Для меня новостью стало появление зоны рекуперации. Ранее я ее не рассматривал, так как попасть в нее можно было только "ножками", а это тяжело. При возможности оперативно менять число витков, в эту зону можно попасть "одним щелчком". Например, разгоняемся на "12", при скорости 20-22 переключаемся на "7", тяга упадет, но разгон продолжится. После достижения скорости 25 можно сразу попасть в зону рекуперации, переключившись опять на "12". Это и динамическое торможение и рекуперация "в одном флаконе". Если едем с достаточно крутой горки, "12" опять же можно использовать для торможения и рекуперации.
Особое внимание обращаю на то, что все эти манипуляции с тягой, происходят при "стандартном" токе 10А. Т.е. выигрыш в силе мы получаем без затрат дополнительной электроэнергии.
Кстати, все это очень похоже на ДВС с коробкой передач, те же переключения для достижения нужного скоростного режима и та же возможность торможения двигателем (только ДВС бензин не возвращает в бак).

[121]

Вот! такие мысли и уменя были! Можно сделать типа трёх скоростного 15, 10 и 7 витков о чём выше и говорилось, если интересно могу поделится как это можно сделать, без выводов кучи проводов наружу!

[121]

Вообщем чего то нового не будет, скажем обобщил старый опыт, описанный выше и кое-что своего добавил.

Провода всё таки понадобятся, но не силовые, а управляющие 4 шт, их можно сделать весьма тонкими? лиж  бы не порвались. Речь пойдет о "старом МК", т.к. необходимые параметры извесны. В "новое" МК  боюсь не уместить нужное количество витков.
С начало об обмотках. Если максимальный ток стандартый (заводские настройки контроллера), то и мотать катушки нужно примерно такими же проводами, лиж бы влезли все витки, общее кол-во будет 15. (если "ruma" мотал значит влезут) Мотать нужно будет сразу три обмотки (три жгута) только на каждую катушку ( вместо стандартных 10 витков) наматывать соответственно 7- 3 и 5 витков, дальше на следующею катушку тоже самое. В конце в место одной обмотки получим три, их потом соеденить последовательно (не перепутать конец с началом) тогда у нас будет тоже одна обмотка, но у которой несколько отводов. Один провод общий, далее 7 потом 10 и соответственно 15 витков.
Соединение статорных обмоток остается звездой.
Далее вопрос комутации... Проще наверно будет сделать при помощи трёх релюшек в которой есть три пары контактов. Поставить 3 реле прямо в мотор колесо, место должно хватить. Питание катушек реле один провод у них будет общий и три провода соответственно для включения одного из реле(1-я, 2-я, 3-я) скорость далее на какой нибуть четырёх позиционный переключатель, 1,2,3 скорость а четвёртое положение, это когда не одно реле не включено(соответственно обмотки МК отключенны, значит и рекурперации тоже нет! если это кому надо)
Тормозить так же можно будет скоростями, в зависимости от скорости велосипеда, прям как электричка. только энергия в батарею будет возвращятся. Не знаю нужно ли схему коммутации реле рисовть? Впринципе просто.

[121]

А автомат можно будет сделать по принципу контроля увеличения количеств импульсов от датчика спидометра, подобрать алгоритм автоматики так. Начал с нуля 1-я, разогнался скажем до15 км/ч переключается на вторую, разогнался до 30км/ч на третью. Продумать только переключение в обратную сторону со сдвигом порога переключения на 2-3 км/ ч меньше, чтобы не дребежали релюшки в пограничной зоне.

[ruma]

Во внутрь не влезут релюшки.Релюшки нужны с мощными контактами
Может и существуют уже малогабаритные с мощными контактами .
к примеру.Я собирал на  РП-21 чез некотрое время контакты синели от тока.
Проподала эл.цепь.А потом попалась под руки с Венгерского старого оборудования на 220вольт.
Перемотал на 30 вольт что бы при падении напр. не отключалась .Вот она прослужила.
Но внутрь не знаю.Внутрь нужна наверное электроника.
Контакты сами знаете пропал нужно мотор разбирать.

[121]

Схема на полевых транзисторах есть, 9 штук надо запихнуть будет, они малогабаритные влезть должны, только пока я сомневаюсь в её работоспособности. Может выложить её, вместе подумаем!
Как я понял у вашего  контроллера токоограничение загрубленно, иначе откуда 17 ампер потребления получалось.
поэтому контактики то и посинели, транзисторы без теплоотводов тоже могут "посинеть"

[121]

Помню в детстве на короткое замыкал через .трансформатор 60 ват 6вольт, геркон магнитом, удивлялся как он долго жил, может их попробовать использовать с катшкою

[ruma]

Герконов мощных наверное не существует.
И ещё нужно разработать схему обмотки что бы при переключении на другую скорость
вся обмотка была задействована.
Потому что при уменьшении витков (контактами реле)часть обмотки бездействут
Просто занимает место в пазу.На малой скорости обмотка задействована вся.
Значит нужно уменьшать число витков соеденением обмоток Паралельно или треугольником.
В асинхронных проще переключением обмоток меняешь число полюсов меняется скорость
для примера рисунок

[i]

Вот релейное решение проблемы. Используются 3 реле с двумя парами на замыкание, либо можно использовать 6 реле с одной парой. Такие реле используются в автомобилях, коммутируемый ток 10-16А, размеры не велики, можно "вклинить" в колесо.
Только как-то это "в лоб"...          "Hi-Tech" на реле  :ap:
Можно в принципе заменить контакты на семисторы, но как ими управлять? да и напряжение на них упадет.

121 Схема на полевых транзисторах есть, 9 штук надо запихнуть будет, они малогабаритные влезть должны, только пока я сомневаюсь в её работоспособности. Может выложить её, вместе подумаем!

Разумеется выложить. Либо вам подкинут идею, либо вы кому-нибудь.

[121]

Да эта схемка практичнее всего лиш две пары контактов!  Реле конечно прошлый век. Но например в моей микроволновке стоит реле (импортное) максимальный ток коммутации 15 А. питание катушки 12 Вольт. Работает  пятый год отказов небыло.
Схему подключения на полевиках сегодня выложу, вместе  подумаем.

[121]

Короче вот. третью обмотку не стал рисовать, там всё так же. Короче есть общий провод для управления, но вроде он  нулём не получается (не трёхвазник ведь), может как то через оптронные пары включать, понадобится правда  отдельное питание...?

[121]

Транзисторы полевые, мощные. У меня например есть такой вариант- пиковый ток до 100А ,сопротивление открытого перехода 0,008 Ом. Напряжение рабочее 55 в. Но бывает и больше.
при токе 10 А. падение напряжения, составит 0,08 В. Соответственно рассееваемая мощьность 0,8 Вт. можно и без радиатора.