Elcykel Motor Teknologi

Motorer, uddybende

En elektrisk motor bruger elektrisk energi til at frembringe mekanisk effekt, der får motoren til at køre rundt. Den modsatte effekt (mekanisk energi bruges til at producere energi) opnås i generatorer eller dynamoer, som kendes fra f.eks. kraftværker og biler. Der findes motorer som kan udføre begge opgaver (kendes fra bl.a. lokomotiver som oplader genvinder en vis del af energien når de bremser), men disse motorer er meget komplicerede og dyre, og benyttes normalt ikke på de elcykler, som findes i dag.
Illustration af børsteløs elektromotor, som benyttes på forhjulstrukne elcykler
Elcyklens motor er en elmotor ligesom i mange husholdningsapparater f.eks. vaskemaskiner, ventilatorer, støvsugere, varmluftovne mv. Elektromotorer har således eksisteret længe (blev opfundet i 1821!) er er i dag en fuldstændig gennemprøvet teknologi.
En børsteløs DC motor er en jævnstrøm el-motor der bruger et elektronisk kontrolleret kommutator system, i stedet for et mekanisk kommutator system. På børste motorer fungerer kommutatoren mekanisk ved hjælp af en elektrisk omskifter, som sidder på rotoren af elektromotoren og som formidler kontakten via kul som sidder på statoren. De fleste nyere elektromotorer (børsteløse) har elektronisk kommutering. Elektronisk kommutering anvender som regel en Hall sensor som registrerer magnetfeltsveksling og anvendes til at styre transistorerne.

I en traditionel (børstet) DC-motor, skaber børsterne, (også kendt som kullene), mekanisk kontakt med et sæt kontakter på rotoren (kaldet kommutatoren), og danner et elektrisk kredsløb imellem DC strømforsyningen og rotorens spoleviklinger. Når armaturet roterer på akslen, vil den roterende kommutator og de stationære børster skabe en elektrisk kontakt, så strømmen sluttes til den rotor-spole der er nærmest den stationære stator (permanent magnet).

I børsteløse motorer erstatter en intelligent elektronisk kontrol børste-/kommutator systemet. Den elektroniske kontroller styrer kommuteringsfunktionen, og håndtere strømfordelingen til hver stator-spole sådan at det elektromagnetiske felt produceret af stator-spolerne altid ”følger rotoren”. I systemer med børsteløse DC motorer, kaldes de integrerede kredsløbder udfører kommuteringsfunktionen elektronisk hastighedskontrol. Kontrolleren består af et sæt effekt MOSFET enheder, der driver den kraftige DC strøm og en microcontroller til at styre de hurtigt skiftende strømme præcist. Da kontrolleren altid følger rotoren, har den brug for en måde til at bestemme rotorens position i forhold til stator spolerne. Ebike’s elmotor bruger HALL effekt sensorer til direkte at måle rotorens position.

Børsteløse motorer kan konstrueres i to forskellige fysiske opbygninger:

  • I den ”traditionelle” opbygning er permanent magneterne monteret på rotoren (kernen) Stator spolerne omkranser og indelukker rotoren, som en børstet DC-motor.
  • I ‘outrunner’ (omløber) opbygningen er permanentmagneterne ophængt i en overhængende rotor der omkranser stator-spolerne. I alle børsteløse motorer erstatter statoren det roterende armatur og stator-spolerne er altid stationære.

Sammenligning af børsteløse med børstede motorer

Børsteløse motorer har følgende fortrin frem for børstede DC-motorer; højere pålidelighed, længere levetid (ingen eroderende børster), eliminere de ioniserende gnister fra kommutatoren, og en generel reduktion af elektromagnetisk interferens (EMI). Børsteløse motorers største ulempe er den højere pris, som opstår fra to punkter: For det første kræver en børsteløs motor høj effekt MOSFET enheder i fabrikationen af den elektroniske hastighedskontrol. Børstede DC-motorer kan reguleres med i sammenligningen simple variable modstande (potentiometer eller rheostat), som ikke er effektive men tilfredsstillende til lavpris apparater. For det andet, når man sammenligner teknikkerne til motor fremstillingen imellem børsteløse og børstede motorer, kræver mange børsteløse designs manuelt arbejde til at hånd-vikle stator spolerne, hvor børstede motorer bruger armatur spoler der kan maskine vikles billigt.

Børsteløse motorer betragtes som mere effektive end børstede motorer. Det betyder at ved den samme indgangs effekt, vil en børsteløs motor omdanne mere elektrisk energi til mekanisk energi end en børstet motor. Den øgede effektivitet er størst i den ubelastede og lavt belastede område af motorens effektivitets kurve. Under høj mekanisk belastning er børsteløse og en højkvalitets børstet motor næsten lige effektive.

Ebike har i 2008 fået udviklet en helt ny elmotor som i kraft af brugen af højkvalitetsdele og et nyt gearsystem sætter nye standard indenfor brugen af elmotorer. Kendetegnet ved motoren er, at den er næsten helt lydløs og har højt moment (dvs. den kan lettere trække op ad bakke) i kraft af en større motordiameter. Det er en udpræget misforståelse at lave motorerne mindre og mindre, da dette er helt i modstrid med den børsteløse motors konstruktionsprincip såfremt en høj effekt ønskes opnået. Ebikes nye elektromotor er designet til europæiske forhold med kuperet terræn og høj personvægt.