MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2014
JAN DOBEŠ
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Konstrukce elektrického motocyklu Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. et Ing. Petr Dostál, PhD.
Vypracoval: Bc. Jan Dobeš
Brno 2014
Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci: Konstrukce elektrických motocyklů vypracoval/a samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí ozveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom/a, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne: ............................. .............................................................. podpis
PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat panu Ing. Marku Žákovi, doc. Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. a Ing. at Ing. Petru Dostálovi, Ph.D. za pomoc při psaní diplomové práce, za poskytnutí odborné literatury, ochotu spolupracovat a za čas strávený na konzultačních hodinách. Dále bych chtěl poděkovat rodičům za umožnění a financování studia a Bc. Pavlíně Muricové za korekturu a vypomáhání při překladech materiálů z anglického jazyka.
ABSTRAKT V diplomové práci s názvem Konstrukce elektrických motocyklů byla popsána problematika elektrických motocyklů, jejich typy, konstrukcí, výhodami a jejich využitím. Část práce obsahuje postupně rozepsané a popsané jednotlivé systémy pohonů a převodových skříní. Další část práce popisuje některé typy akumulátorů, nezbytně nutných k provozu elektrovozidel. Cílem práce je porovnat různá konstrukční řešení. Experimentální část diplomové práce obsahuje porovnání dvou experimentálních konstrukcí čtyřkolky. Tato čtyřkolka byla upravena z pohonu využívající spalovací motor na pohon elektrický. Čtyřkolka byla v jednotlivých modifikacích změřena na válcové zkušebně. Jednotlivé typy konstrukcí byly následně porovnány mezi sebou. Dodatečně byla změřena výdrž akumulátoru na jedno nabití v jedné konstrukční verzi čtyřkolky. Klíčová slova: motocykl, elektromotor, akumulátor
ABSTRACT In diploma thesis Construction of electric motorcycles I deal with issue of electric motorcycles, their types, constructions, advantages and their use. One part includes description of tractions and transmissions. Next part describes batteries, which are necessary in electric vehicles. The aim of this work is to compare different solutions of vehicle constructions. Experiment is about two constructions of quad. This quad used combustion engine and was modified to electric power. Electric quad was tested on power testing stand. Experimental quad constructions which were used were compared and evaluated. Experiment included test of stamina of fully charged battery. Keywords: motorcycle, electric motor, battery
OBSAH 1 Úvod
10
2 Cíl práce
11
3 Pohon
12
3.1 Obecný elektromotor
12
3.1.1 Stator
12
3.1.2 Rotor
12
3.1.3 Požadavky na pohon
13
3.2 Střídavé elektrické motory
13
3.2.1 Princip činnosti asynchronních motorů
13
3.2.2 Asynchronní motor třífázový
14
3.2.3 Asynchronní motor jednofázový
15
3.2.3.1 Jednofázové motory s kondenzátorem v pomocné fázi
17
3.2.3.1.1 Motor s kondenzátorem zapojeným jen při rozběhu
17
3.2.3.1.2 Motor s trvale připojeným kondenzátorem
18
3.2.3.2 Jednofázové motory s odporovou pomocnou fází
19
3.2.4 Asynchronní motor při chodu naprázdno
21
3.2.5 Řízení otáček asynchronního motoru
21
3.2.5.1 Řízení otáček změnou skluzu
21
3.2.5.2 Řízení otáček změnou velikosti napájecího napětí
21
3.2.5.3 Řízení otáček změnou kmitočtu
21
3.2.5.3.1 Skalární U/f řízení
22
3.2.5.3.2 Vektorově orientované řízení
22
3.2.5.3.3 Řízení otáček změnou počtu pólových dvojic
23
3.3 Stejnosměrné elektrické motory
23
3.3.1 Princip činnosti
23
3.3.2 Derivační motor
25
3.3.3 Sériový motor
26
3.3.4 Motor s permanentními magnety
27
4 Akumulátory 4.1 Nikl-kadmiový akumulátor
27 28
4.2 Nikl-metal hydrydový
29
4.3 Lithium-iontový
29
4.4 Lithium-polymerový
30
5 Konstrukce pohonných ústrojí motocyklu
32
5.1 Motor v kole
32
5.2 Motor v rámu
33
5.3 Integrate Electric Transmission (IET)
34
6 Koncepce motocyklu 6.1 Skútr
35 35
6.1.1 Bez stupaček
36
6.1.2 Se stupačkami
37
6.1.3 Umístění akumulátorů
38
6.2 Silniční motocykl
39
6.2.1 Variátor
40
6.2.2 Mechanická převodovka
40
6.2.3 Umístění akumulátorů
41
6.2.4 Mission R
42
6.3 Terénní motocykl
43
6.3.1 KTM E-Freeride
44
6.3.2 Pohon obou kol 2k2
44
7 Experimentální konstrukce pohonu čtyřkolky
45
7.1 Konstrukční typ - motor v rámu
46
7.2 Konstrukční typ - motory v kolech
48
7.3 Akumulátor
53
7.4 Charakteristika pracoviště
53
7.5 Metodika měření
54
8 Výsledky měření 8.1 Srovnávací měření
56 56
8.2 Výdrž akumulátoru
57
9 Diskuse
58
10 Závěr
60
11 Seznam literatury
61
12 Seznam obrázků
62
13 Seznam tabulek
63
1 ÚVOD Doprava se stala neoddělitelnou součástí moderní společnosti. Každodenně využíváme různé druhy dopravy a to přímo či nepřímo. Dopravu využíváme k přepravě zboží, surovin, výrobků, stejně tak ji využíváme pro cestu do práce, školy nebo na dovolenou. Neustále vzrůstající hustota dopravy nemalým dílem nepříznivě ovlivňuje životní prostředí a zdraví člověka. Se vzrůstající motorizací lidstva vzrůstá i nárůst emisních zplodin. Přestože se v oblasti spalovacích motorů, ať už zážehových či vznětových, sleduje množství a složení emisních zplodin, které motory vylučují při samotném provozu, a neustále se zpřísňují normy podle kterých musí být tyto motory konstruovány, dochází nadále k velkému znečišťovaní životního prostředí a hlavně ovzduší. Již v roce 1835 byl sestaven první elektromobil, což je přibližně 50 let před prvním automobilem se spalovacím motorem. Z počátku jezdilo více elektromobilu než automobilů se spalovacím motorem. Elektromobily byly rozšířeny z důvodů lepší spolehlivosti, ovladatelnosti, tichosti a téměř žádným vibracím. Tyto výhody nacházíme u elektromobilů i v dnešní době. Tou největší a nejzásadnější nevýhodou je samotný dojezd elektromobilu. Ten je totiž limitován kapacitou akumulátorů. Samotný akumulátor bývá často těžký, případně velký, s relativně malou kapacitou. Nabíjení akumulátorů je často velice zdlouhavé a tím se opět stává velice nevýhodným. V dnešní době se elektrifikace vozidle, ať už automobilů či motocyklů, opět rozšiřuje. Lidé se snaží nalézt ekologičtější a ekonomičtější způsob dopravy, ať už nákladní či osobní. Diplomová práce se snaží v úvodu popsat jednotlivé komponenty elektrických motocyklů, ať už se jedná o motory, převodovky nebo akumulátory. Další část se zabývá obecným rozdělením motocyklů a jejich možnými odchylkami. V rámci diplomové práce bylo uskutečněno experimentální měření. Experiment spočíval v přestavbě čtyřkolky, využívající k pohonu spalovací motor, na pohon elektrický. Závěrečná část práce je věnována popisu a zhodnocení experimentálního měření.
10
2
CÍL PRÁCE Cílem této práce je analyzovat konstrukci motocyklů. poháněných čistě elektrickým
pohonem. Rozdělit možná konstrukční řešení a specifikovat jejich vlastnosti. V druhé části provedu experimentální měření, kde se provedou konstrukční změny čtyřkolky. Budou se zkoumat dvě různá konstrukční řešení pohonu elektrickými motory.
11
3
POHON
3.1 Obecný elektromotor Elektromotor je zařízení měnící elektrickou energii na mechanickou práci využívajíc elektromagnetického principu. Zpravidla se skládá z rotoru a statoru. 3.1.1
Stator
Stator je pevná část stroje. Na stator se umisťují cívky vinutí, které vytvářejí magnetické pole. 3.1.2
Rotor
Rotor je pohyblivá (otočná) část stroje. Zpravidla je to hřídel s vinutím umístěná v dutině statoru. Některé konstrukce umožňují umístit rotor vně statoru (například “Motor v kole” str.30). Na tomto typu rotoru jsou umístěny permanentní magnety, odpadá tak problém s přenosem elektrického proudu na rotor. Pro přenos elektrického proudu se nejčastěji užívají uhlíkové kartáče.
Obr. č. 1 Stator s permanentními magnety (http://www.offroad-rc.info/image/zaklady_valasek/emotor.jpg, online 18.12.2013)
12
3.1.3
Požadavky na pohon
Při výběru vhodného typu elektromotoru je důležité si ujasnit požadavky na elektromotor. Výhoda elektromotorů oproti spalovacím motorům spočívá v tom, že nepotřebují volnoběžné otáčky. Díky této vlastnosti elektromotorů požadujeme velký záběrový moment již od nulových otáček. Samozřejmě musí být brán zřetel i na proudový náraz při rozběhu elektromotoru. Velký proudový ráz by měl neblahý vliv na napájecí akumulátory.
3.2 Střídavé elektrické motory Asynchronní stroje se užívají nejčastěji jako motory. Jsou nejrozšířenějšími elektromotory vůbec a používají se k nejrůznějším pohonům proto, že jsou ze všech elektromotorů nejjednodušší a nejlacinější. Jsou rovněž provozně nejspolehlivější a vyžadují malou údržbu (Kocman, 2002). 3.2.1
Princip činnosti asynchronních motorů
Princip
činnosti
asynchronních
motorů
je
založen
na
vzájemném
elektromagnetickém působení točivého magnetického pole statoru a magnetického pole rotoru. Magnetické pole rotoru může být zajištěno permanentními magnety nebo rotorovým vinutím. Točivé magnetické pole se u asynchronních motorů vytvoří ve vinutí statoru (Stator - odkaz), které je nejčastěji provedeno jako třífázové. Napětí a proudy v rotoru se podle indukčního zákona mohou indukovat točivým magnetickým polem jen při otáčkách rotoru odlišných od synchronních otáček točivého pole statoru, tedy při asynchronních otáčkách. Při synchronních otáčkách rotoru by se do něj neindukovalo napětí, neprotékaly by jím proudy a stroj by měl nulový moment (Kocman, 2002).
13
Graf č. 1 Časový průběh třífázového harmonického proudu, ifu - 1.fáze, ifv - 2.fáze, ifw - 3.fáze (http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf, online 14.4.2014) 3.2.2
Asynchronní motor třífázový
Stator (1) je složen z plechů, aby se omezil vznik vířivých proudů. V drážkách statoru je uloženo rozložené třífázové vinutí (2). Cívky jsou vzájemně pootočeny o 120°. Po přivedení třífázového proudu se v něm vytvoří točivé magnetické pole. Rotor je taktéž složen z plechů s drážkami. V drážkách jsou uloženy měděné tyče (3), které jsou po obou stranách spojeny měděnými kruhy (4). Tyče a kruhy tvoří klec (také nazývané kotva), takto provedená kotva se nazývá klecová nebo nakrátko. Při spouštění třífázového asynchronního motoru indukční čáry točivého magnetického pole protínají vinutí kotvy, kterým začne procházet proud. Kolem rotoru se vytvoří magnetické pole a v důsledku působení tohoto magnetického pole na točivé pole statoru dojde k roztočení rotoru, který se bude otáčet ve stejném smyslu, jako točivé magnetické pole. Jelikož je třeba, aby točivé magnetické pole neustále protínalo vinutí rotoru, musí být otáčky rotoru vždy nižší než otáčky magnetického pole (synchronní). Rozdíl mezi synchronními otáčkami a otáčkami rotoru se nazývá skluz. U asynchronních motorů je výhodou jejich jednoduchá konstrukce a obsluha. Ovšem nevýhoda těchto motorů spočívá ve složité regulaci rychlosti otáček a při spouštění motoru, zejména motorů s vyššími výkony (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001).
14
Obr. č. 2 Asynchronní motor třífázový, 1 - Stator, 2 - Vinutí, 3 - Měděné tyče, 4 - Měděné kruhy (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001) 3.2.3
Asynchronní motor jednofázový
Asynchronní motor (také nazývaný jako “Indukční jednofázový motor”) se od třífázového asynchronního motoru liší pouze konstrukčně. U jednofázového motoru je, narozdíl od třífázového asynchronního motoru, ve statoru pouze jednofázové vinutí. Pro pohon malých zařízení s výkonem do 1 kW se běžně používají asynchronní motory napájené z jednofázové sítě. Jednofázové vinutí však neumožňuje vytvoření točivého magnetického pole, motor se tedy sám nerozběhne. Toho je u motorů s třífázovým vinutím statoru dosaženo vzájemným natočením os cívek statoru o 120° a jejich napájením harmonickými napětími vzájemně posunutými o 120°. Při napájení jednofázového motoru do jedné fáze z jednofázové sítě vzniká pulzující pole, které při nulových otáčkách rotoru nevzbuzuje žádný točivý moment, který vzniká pouze účinky pole točivého. Pro jeho vznik je ideální použít, jak již bylo výše uvedeno, třífázové napájení. Další používaná možnost je použití motoru speciální konstrukce s osami statorových cívek posunutých o 90° a napájením z elektronického zdroje harmonickým napětím vzájemně posunutým též o 90°. I v tomto případě vzniká 15
uvnitř motoru kruhové točivé pole. Toto řešení se obvykle používá u malých servopohonů a není v současnosti příliš rozšířené. Další možnost je použití motoru s nekruhovým – eliptickým točivým polem, které lze získat například pomocí stíněných pólů statoru (pro nejmenší výkony) nebo použitím běhového či rozběhového kondenzátoru (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001). Jednofázový asynchronní motor s kotvou nakrátko se liší od téhož motoru třífázového především v provedení statorového vinutí. Konstrukčně je vinutí statoru provedeno tak, že ve dvou třetinách drážek statoru je uloženo pracovní vinutí (hlavní fáze) a ve zbývající třetině vinutí rozběhové (pomocná fáze), které je obvykle paralelně připojeno k vinutí hlavní fáze. Nezbytný fázový posun se získá buď zapojením kondenzátoru do série s vinutím pomocné fáze, nebo zvětšením odporu pomocné fáze (Kocman, 2002).
Graf č. 2 Momentová charakteristika jednofázového asynchronního motoru, M - bez pomocné fáze (http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf, online 14.4.2014)
16
3.2.3.1 Jednofázové motory s kondenzátorem v pomocné fázi Jednofázové motory s kondenzátorem v pomocné fázi mohou být v následujícím provedení. 3.2.3.1.1 Motor s kondenzátorem zapojeným jen při rozběhu Motor s kondenzátorem zapojeným jen při rozběhu vykazuje velký záběrový moment, proto jej lze použít pro těžší rozběhy. Vinutí pomocné fáze se využívá pouze pro vlastní rozběh, po jeho ukončení se odpojí od napájecí sítě, například odstředivým vypínačem.
Obr. č. 3 Motor s kondenzátorem připojeným jen při rozběhu, HF - Hlavní fáze, PF - Pomocná fáze, S - Odstředivý spínač, C - Kondenzátor, L1 Přívod fáze, N - Nulový vodič (http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf, online 14.4.2014)
17
Graf č. 3 Momentová charakteristika jednofázového asynchronního motoru, MC - s rozběhovým kondenzátorem (http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf, online 14.4.2014) 3.2.3.1.2 Motor s trvale připojeným kondenzátorem Motor s trvale připojeným kondenzátorem lze použít pro lehčí rozběhy. To je způsobeno menším záběrovým momentem motoru, to znamená pohony s malým záběrovým momentem zatížení a malými setrvačnými hmotami. Vinutí pomocné fáze se využívá i při chodu motoru a motor pracuje trvale jako dvoufázový. Výhodou takto provedeného motoru je jeho klidnější chod, kompenzace (zlepšení) jeho účiníku a vyšší jmenovitý výkon ve srovnání se stejně velkým motorem s kondenzátorem zapojeným jen při rozběhu (Kocman, 2002).
18
Obr. č. 4 Motor s trvale připojeným kondenzátorem, HF - Hlavní fáze, PF - Pomocná fáze, C - Kondenzátor, L1 - Přívod fáze, N - Nulový vodič (http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf, online 14.4.2014) 3.2.3.2 Jednofázové motory s odporovou pomocnou fází K vinutí pomocné fáze se do série zapojí odpor, anebo se vinutí pomocné fáze navine z mosazi nebo odporového drátu. Po rozběhu se pomocná fáze odpojí a motor běží pouze na hlavní fázi. Nevýhodou tohoto zapojení je zhoršení účiníku a účinnosti motoru. Vzhledem k menšímu záběrovému momentu se používají pro lehké rozběhy. Změnu směru otáčení jednofázového asynchronního motoru lze provést přehozením konců vinutí pomocné nebo hlavní fáze. Otáčky motoru jsou podobně jako u třífázového asynchronního motoru závislé na kmitočtu napájecího napětí a na počtu pólů (Kocman, 2002).
19
Graf č. 4 Momentová charakteristika jednofázového asynchronního motoru, MR - s odporovou pomocnou fází (http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf, online 14.4.2014)
Graf č. 5 Porovnání grafů momentových charakteristik jednofázových asynchronních motorů, M - bez pomocné fáze, MR - s odporovou pomocnou fází, MC - s rozběhovým kondenzátore (http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf, online 14.4.2014)
20
3.2.4
Asynchronní motor při chodu naprázdno
Při chodu asynchronního motoru naprázdno nedosáhne asynchronní motor synchronních otáček. Moment motoru totiž není nulový, motor je zatížen na hřídeli momentem ztrát naprázdno. Asynchronní motor odebírá ze sítě proud naprázdno, který je zapříčiněn vzduchovou mezerou mezi statorem a rotorem. Proud rotoru naprázdno je velmi malý, protože skluz při chodu naprázdno se blíží k nule (Kocman, 2002). 3.2.5
Řízení otáček asynchronního motoru
Otáčky asynchronního motoru lze řídit pomocí změny synchronních otáček (energeticky výhodné) nebo změnou skluzu (energeticky nevýhodné). Příkon motoru je vždy úměrný těmto otáčkám (Kocman, 2002). 3.2.5.1 Řízení otáček změnou skluzu Řízení otáček změnou skluzu je možné u motorů s kotvou kroužkovou a to buď zařazením regulačního rezistoru do každé fáze vinutí rotoru, což je ovšem nehospodárný způsob řízení otáček, anebo takzvanou podsynchronní kaskádou, která je hospodárnějším způsobem řízení (Kocman, 2002). 3.2.5.2 Řízení otáček změnou velikosti napájecího napětí Změnou velikosti napájecího napětí motoru se mění moment motoru kvadraticky. Tím se mění momentová charakteristika asynchronních motorů a při daném zatěžovacím momentu i otáčky motoru. Řízení lze realizovat principiálně stejně jako spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko při sníženém napětí, je však nevhodné právě pro motory s kotvou nakrátko, kde je rozsah řízení otáček velmi nízký a proto se tento způsob řízení u těchto typů asynchronních motorů používá jen zřídka. V širším rozsahu lze takto regulovat otáčku asynchronního motoru s kotvou kroužkovou se zařazenými přídavnými rezistory do obvodu rotoru, jako tomu je u spouštění těchto motorů (Kocman, 2002). 3.2.5.3 Řízení otáček změnou kmitočtu Řízení motorů změnou kmitočtu se používá u motorů s kotvou nakrátko, jedná se o hospodárný způsob řízení otáček. Mezi řízený asynchronní motor a napájecí zdroj je zapojen třífázový měnič kmitočtu, který může být v provedení přímého měniče 21
kmitočtu “cyklokonvertoru”, nebo nepřímého měniče kmitočtu, který se skládá z usměrňovače, nejčastěji šestipulsního diodového můstku, stejnosměrného meziobvodu a střídače osazeného bipolárními tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT). IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) je bipolární tranzistor s izolovaným hradlem, druh tranzistorů, který je zkonstruován pro velký rozsah spínaných výkonů (od zlomků W až po MW) a vysokou pulzní frekvenci. Měniče kmitočtu umožňují plynulou změnu výstupního kmitočtu v širokém rozsahu a tomu odpovídající rychlost asynchronního motoru. Měniče kmitočtu lze řídit dvěma základními způsoby (Kocman, 2002). 3.2.5.3.1 Skalární U/f řízení Řízení při konstantním poměru napětí a kmitočtu na vstupu asynchronního motoru, to znamená při konstantním magnetickém toku motoru pro kmitočty v rozmezí 0-50Hz. Tvar momentových charakteristik tím zůstává zachován s tím, že jednotlivé charakteristiky pro různě velké kmitočty jsou posunuty. Velikost maximálního momentu je konstantní. V oblasti malých kmitočtů již nelze zajistit konstantní magnetický tok a proto zde dochází k poklesu momentu. V oblasti kmitočtu vyšších než 50 Hz nelze již dodržet konstantní poměr U/f, řízení se provádí při konstantním napájecím napětí a proto zde rovněž dochází k poklesu momentu (Kocman 2002). 3.2.5.3.2 Vektorově orientované řízení Protože řídící struktury skalárního řízení jsou odvozeny z ustálených stavů asynchronního motoru, dosahují dobrých výsledků u systémů s konstantní zátěží nebo s malými změnami zatěžovacího momentu či otáček. Při vyšších požadavcích na dynamiku pohonu je třeba použít vektorově orientované řízení. Toto vektorové řízení musí řídit nejen amplitudu magnetického toku, jak je tomu u skalárního řízení, ale i polohu ve zvoleném souřadnicovém systému (komplexní rovině). O vektorovém řízení můžeme tvrdit, že dokáže vyhovět požadavkům přesné dynamické regulace jak v ustáleném stavu, tak i v přechodových stavech, protože umožňuje řízení okamžitých hodnot elektrických a magnetických veličin. Základní myšlenka tohoto řízení spočívá ve snaze o dosažení podobných regulačních vlastností jako u stejnosměrného stroje s cizím buzením (Kocman, 2002).
22
3.2.5.3.3 Řízení otáček změnou počtu pólových dvojic Řízení otáček změnou pólových dvojic se provádí buď přepojením statorového vinutí nebo připojením dalšího vinutí s jiným počtem pólů. Tím lze dosáhnout pouze skokové změny otáček, protože počet pólů stroje a tím i pólových dvojic může být pouze celé číslo. Motory musí mít na statoru takové vinutí, jehož počet pólů lze měnit (Kocman, 2002).
3.3 Stejnosměrné elektrické motory Každý stejnosměrný stroj může pracovat jako generátor (přeměňuje mechanickou energii na elektrickou), ale také může pracovat jako motor (přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii). Oba stroje mají prakticky stejnou konstrukci, rozdíly jsou pouze ve způsobu ovládání (regulace otáček v případě motoru nebo svorkového napětí v případě generátoru). 3.3.1
Princip činnosti
Princip činnosti lze vysvětlit na elementárním stroji, jehož vinutí kotvy tvoří pouze dva vodiče a, b spojené do jednoho závitu umístěném na rotoru, který se otáčí v magnetickém poli vytvořeném dvojicí hlavních pólů (s jedním severním a s jedním jižním pólem). Závit je připojen ke dvěma lamelám komutátoru, které jsou navzájem izolovány a otáčejí se společně s rotorem. Na komutátor dosedají dva nepohyblivé kartáče, které jsou umístěny do takzvané neutrální osy, to znamená do geometrické osy mezi dvěma sousedními hlavními póly.
23
Obr. č. 5 Princip činnosti stejnosměrného stroje (http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_stejnosmerne%20stroj e_bc%20FS.pdf, online 14.4.2014) Směry indukovaných napětí v jednotlivých vodičích a, b jsou vyznačeny na obrázku č.5. Za polovinu otáčky si vodiče vymění místa a indukovaná napětí v nich změní svůj směr a mají tedy tvar střídavého napětí. Vodiče jsou připojeny k lamelám komutátoru, na který dosedají kartáče. Ke spodnímu kartáči (+) je vždy připojen vodič pod jižním pólem a k hornímu kartáči (-) vodič pod severním pólem. Polarita napětí na kartáčích se tedy nemění, to znamená, že komutátor usměrňuje střídavé napětí indukované ve vinutí kotvy. Vnějším obvodem připojeným ke kotvě protéká stejnosměrný proud, zatímco ve vodičích kotvy má proud střídavý charakter. Indukované napětí na svorkách stroje je pulzující, pro jeho zlepšení se vinutí kotvy vyrábí s větším počtem cívek a jemu odpovídajícímu počtu lamel komutátoru. Síly působící na jednotlivé vodiče cívky vytvářejí točivý moment, jehož směr bude závislý na směru proudu ve vodičích a v přívodu k motoru. V případě připojení napětí zdroje, které je větší než napětí indukované bude mít moment stroje hnací účinek, jehož důsledkem bude snaha o urychlení rotoru a zvýšení otáček až na hodnoty rychlosti naprázdno a tím i indukovaného napětí na hodnotu napětí zdroje.
24
V případě připojení napětí menšího nebo pouze rezistoru, bude mít moment stroje brzdný účinek jehož důsledkem bude snaha o snížení otáček a tím i indukované napětí (Kocman, Vrána, 2004). 3.3.2
Derivační motor
Vinutí statoru je připojeno paralelně na stejný zdroj el. energie jako je rotorové vinutí (Ld). Tím je svázáno buzení statorového a rotorového magnetického pole a tedy velikost elektromagnetického pole v prostoru rotoru. Otáčky rotoru závisí na velikosti napětí přivedeného na rotorové cívky. Moment závisí na proudu, který rotorem prochází. Pokud není statorový magnetický tok ve stavu nasyceném (jmenovitém – tj. při nižším napájecím napětí), je otáčkovou charakteristikou hyperbola a momentovou parabola (moment je závislý na kvadrátu procházejícího proudu). Otáčky se zatížením tedy následně klesají – otáčková charakteristika je „měkká“. V nasyceném stavu již otáčky se zatížením téměř neklesají a momentová charakteristika se napřimuje. Záběrový moment je veliký - proto se používá k pohonům s velmi častými rozběhy a to rozběhy s velkou zátěží (např. jeřáby - dělicí stroje, dopravní pásy , atd.). Otáčky se řídí dobře pomocí odporu zapojeného sériově k budícímu vinutím statoru čímž se zeslabuje statorové magnetické pole. Sériovým odporem lze otáčky pouze snižovat. Tyto derivační motory se nesmí použít tam, kde by se mohla při chodu odpojit zátěž. Vlivem tvaru charakteristik by se motor roztočil nade všechny meze (nebo alespoň na hodnotu otáček, které by mohly ohrozit mechanickou stabilitu rotujících částí) a mohlo by dojít k mechanické havárii rotoru. Zátěž musí být připojena přes pevnou spojku nebo zubový převod (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001).
25
Obr. č. 6 Derivační motor, Ld - Derivační vinutí (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001) 3.3.3
Sériový motor
Sériový stejnosměrný motor má budící vinutí (Lb) a vinutí rotoru (Lr) zapojeno do série. Charakteristika sériového stejnosměrného motoru je mnohem příznivější k použití jako pohon motocyklu než tomu bylo u derivačního stejnosměrného motoru. Charakteristika, závislosti točivého momentu (Mt) na zatížení (zatěžovací proud I), je průběhu parabolického. S klesajícími otáčkami točivý moment vzrůstá, z toho plyne, že nejvyšší točivý moment motoru je při rozběhu (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001).
Obr. č. 7 Sériový motor, Ls - Sériové vinutí (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001)
26
3.3.4
Motor s permanentními magnety
U tohoto typu elektromotoru je rotorové vinutí nahrazeno permanentními magnety (odkaz - motor v kole). Charakteristika elektromotoru s permanentními magnety leží mezi charakteristikami motoru derivačního a sériového stejnosměrného motoru. Toto uspořádání má však své velké přednosti. Přednosti tohoto elektromotoru tkví v konstrukční jednoduchosti a tím spjaté hmotnosti, díky nahrazenému vinutí permanentními magnety se celková hmotnost elektromotoru sníží (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001).
Obr. č. 8 Motor s permanentními magnety (Jan, Ždánský, Kubát, Elektrotechnika 1, 2001)
4
AKUMULÁTORY Akumulátor je zařízení sloužící k opakovanému uchování elektrické energie.
Většina akumulátorů je založena na elektrochemickém principu. Proud procházející v elektrochemickém akumulátoru vyvolá vratné chemické změny, které se projeví rozdílným elektrochemickým potenciálem na elektrodách. Množství energie v bateriích je měřeno v ampérhodinách. Akumulátory jsou základní stavební částí elektromotocyklů. Svojí cenou a parametry jsou jedinou limitující součástí elektromotocyklů, bránící jejich masovému nasazení na našich silnicích. Různá, zejména přenosná zařízení, kladou na akumulátory stále větší požadavky (mobily, notebooky aj…), proto se od roku 1990 do jejich dalšího vývoje investují vysoké prostředky. Kromě kapacity akumulátorů se sledují také další parametry jako je hmotnost, cena, rozměry, rychlost dobíjení, paměťový efekt, počet možných hloubkových dobíjecích cyklů, samovybíjení a mnohé další. Tyto parametry budou jedním z klíčových ukazatelů, které ovlivní budoucnost elektromobilů ve světě. 27
Měrná kapacita (množství energie na kilogram) celkem jasně ukazuje, proč je tak těžké konkurovat fosilním palivům. Například benzín obsahuje 11 kWh/kg, zatímco olověný akumulátor obsahuje pouze cca 40 Wh/kg . Litr benzínu obsahuje tedy 275krát více energie oproti olověnému akumulátoru. U elektromobilů budeme hovořit o tzv. trakčních bateriích. Oproti klasickým startovacím bateriím jsou trakční baterie navržené pro hluboké vybití a mnohem méně podléhají opotřebení elektrod při vybíjení a nabíjení. Používají se tedy na místech, kde se baterie pravidelně vybíjejí a nabíjejí –golfová vozítka, elektrické automobily atd. Tyto baterie mají tlusté elektrody, které nejsou schopny dodat tak velký proud, jako startovací baterie, ale vydrží časté a hluboké vybíjení (elektromobil.vseznamu.cz, online 2010).
4.1 Nikl-kadmiový akumulátor Nikl-kadmiový akumulátor, zkráceně NiCd (zkratkou NiCd je registrovaná ochranná známka společnosti SAFT Corporation), je druh galvanického článku. Výhodou těchto článků je, že jim nevadí skladování ve vybitém stavu a s tím související odolnost vůči hlubokému vybití. Určitou nevýhodou ve srovnání s NiMH a Li-ion akmulátory je jeho relativně nižší měrná kapacita. Velkým problematickým rysem tohoto akumulátoru je jedovatost kadmia, z něhož se skládá jedna z jeho elektrod, a tedy nezbytnost sběru opotřebovaných NiCd akumulátorů (stejně jako v případě Pb akumulátorů). Svými vlastnostmi se jinak podobá novějšímu NiMH akumulátoru. S relativně nízkým vnitřním odporem může NiCd baterie dodávat vysoké proudy přepětí. NiCd akumulátory (spolu s NiMH) mají oproti jiným akumulátorům ještě jednu nevýhodu a tím je paměťový efekt. Označuje se jím stav, kdy baterie postupně ztrácí svoji maximální kapacitu, jsou-li opakovaně dobíjeny jen po částečném vybití. Výhody: - Nevadí mu úplné a dlouhodobé vybití, dokonce jsou skladovány zcela vybité - Již dostačující počet dobíjecích cyklů – více jak 2000 Nevýhody: - Menší hustota energie na kilogram - Nižší účinnost dobíjení - Dražší výroba a tedy i vyšší cena zejména oproti olověným bateriím 28
- U NiCd baterií se projevuje paměťový efekt - Rychlé samovybíjení (až 20 % / měsíc) - Nutná ekologická likvidace – baterie jsou velmi toxické (elektromobil.vseznamu.cz, online 2010).
4.2 Nikl-metal hydrydový Nikl-metal hydridový akumulátor, zkráceně NiMH, je druh galvanického článku a dnes je jedním z nejčastěji používaných druhů akumulátoru. Ve srovnání s jemu podobným nikl-kadmiovým akumulátorem má přibližně dvojnásobnou až trojnásobnou kapacitu. Hlavními důvody jeho velkého rozšíření je jeho značně velká kapacita a schopnost dodávat poměrně velký proud spolu s přijatelnou cenou. Další výhodou je udržení garantovaného napětí téměř až do úplného vybití baterie. Výhody: - Cena – NiMH baterie jsou celkem levné - Udržení napětí až do úplného vybití Nevýhody: - Nižší hustota energie na kilogram - Nízká účinnost dobíjení - U některých typů rychlé samovybíjení (až 20 % / měsíc) - Oproti NiCd akumulátorům menší počet dobíjecích cyklů (cca 1000+) - U NiMH baterií se projevuje paměťový efekt (elektromobil.vseznamu.cz, online 2010).
4.3 Lithium-iontový Lithium-ion akumulátory (zkráceně Li-Ion akumulátory) je typ akumulátoru, ve kterém se lithium-ionty pohybují mezi anodou a katodou. Vysoká hustota energie vzhledem k objemu se výborně hodí pro přenosná zařízení. Li-ion akumulátor se běžně používají ve spotřební elektronice. V dnešní době se jedná o jeden z nejoblíbenějších typů baterií pro přenosné elektrické přístroje. Má vynikající poměr energie/hmotnost, žádný paměťový efekt a pomalé samovybíjení. Nicméně špatné používání baterie může způsobit explozi baterie. 29
Li–ion baterie mají však velké množství vlastností, které jejich požití (např. v elektromotocyklech) silně omezují. Hlavní stinnou stránkou těchto baterií je jejich stárnutí, což je výrazné snižování kapacity nezávisle na používání. Při skladování baterie při teplotě 20 °C, se bude kapacita baterií snižovat o 20 % za rok. Pokud by byla baterie skladována při teplotě 4°C, snižovala by se za rok kapacita jen o 4 %. Naproti tomu při teplotě 40 °C by byla trvalá roční ztráta kapacity akumulátoru dokonce 35-40 %. Oproti NiCd a NiMH akumulátorům mají li-ion akumulátory vyšší vnitřní odpor, proto není možné z nich získat tak vysoký proud. V případě přehřátí nebo připojení vyššího napětí může akumulátor explodovat. Výhody: - Málo toxické - Velmi vysoká hustota energie - Možnost tvarovat baterii dle svých požadavků - Nemá paměťový efekt - Malé samovybíjení - Vysoké nominální napětí - Dobrá dobíjecí účinnost Nevýhody: - Velmi rychlé stárnutí baterie (životnost 2-3 roky, snížení kapacity o 20 %/rok při 20 °C) - Při špatném zacházení explozivní - Při úplném vybití je téměř vždy zničená (elektromobil.vseznamu.cz, online 2010).
4.4 Lithium-polymerový Další verzí lithium-iontových akumulátorů jsou i akumulátory postavené na lithium železo fosfátu (LiFePO4). Toto označení získaly díky katodě vyrobené z tohoto materiálu. Anoda je jako u ostatních li-ion baterií vyrobena z uhlíku. Mezi jejich hlavní přednosti oproti klasickým lithium-iontovým akumulátorům patří především schopnost dodat vyšší proud a to, že při extrémních podmínkách nevybuchují. Na druhou stranu mají o něco nižší napětí a také nižší hustotu energie. LiFePO4 30
technologie vznikla v roce 1997 a zaujala hlavně díky svým výhodám jako jsou: zcela netoxická (narozdíl od klasických li-ion), má dobrou teplotní stabilitu, velmi dobrý elektrochemický výkon a vysokou kapacitu.
Výhody: - Téměř plochá křivka až do úplného vybití akumulátoru - Vysoký počet dobíjecích cyklů (2000 - 3000) - Netoxické - Nemá paměťový efekt - Bezpečné oproti jiným typům lithiových baterií - Vysoká životnost (3-10 let) - Vynikající dobíjecí účinnost - Levné oproti jiným lithiovým bateriím - Vyšší hustota energie Nevýhody: - Rychlé dobíjení snižuje životnost - Možnost předčasného selhání při větším množství hlubokých cyklů (vybití pod 33 %) (elektromobil.vseznamu.cz, online 2010).
31
5
KONSTRUKCE POHONNÝCH ÚSTROJÍ MOTOCYKLU
5.1 Motor v kole Tato konstrukce se nejčastěji využívá u skútrů nebo pomalejších motocyklů. Jednoduchá a efektivní koncepce, kde je elektromotor přímo součástí zadního kola. Odpadá tak množství pohyblivých a rotujících částí jako například u spalovacího motoru s převodovkou. Díky tomuto umístění elektromotoru odpadá problematika se sekundárním převodem (řetěz, řemen), hlavně jeho údržbou, jakožto čištěním, mazáním a seřízením průhybu. Výkon je přenášen přes pneumatiku přímo na vozovku. Musí být konstruován tak, aby se vešel přesně do disku kola a zároveň nepřesahoval šířku disku. Díky absenci převodů jsou otáčky elektromotoru a zadního kola totožné. Elektromotor v kole zvyšuje neodpružené hmoty a tím negativně ovlivňuje jízdní vlastnosti. Je důležité vzít v úvahu délku propojovacích vodičů elektromotoru a akumulátoru.
Obr. č. 9 Motor v kole, 1 - Ráfek kola, rotor s permanentními magnety, 2 - Stator s vinutím, 3 - Osa kola, 4 - Krycí plech, 5 - Pneumatika (http://www.akumoto.com/images/content/content/big_motor_rez-pclrkp.jpg, online 14.4.2014, upraveno)
32
5.2 Motor v rámu U této konstrukce máme již větší výběr z elektromotorů než tomu bylo u koncepce “Elektromotor v kole”. Můžeme využít mechanismů pro změnu převodového poměru (např.: převodovka, variátor), tudíž můžeme využít elektromotory s vyššími otáčkami. Převod lze zabezpečit řetězem či řemenem. Údržba tohoto převodu je stejná jako u běžného motocyklu se spalovacím motorem. Na rozdíl od předchozí konstrukce je hnací kolo lehčí a z toho vyplývá, že má motocykl lepší jízdní vlastnosti. Lze použít standardní motocyklová kola, jak s výpletem, tak z lehkých slitin.
Obr. č. 10 Motor v rámu, KTM E-Freeride (http://www.ktm.com/gb/freeride/freeride-e/highlights.html#.U0wKpF4z77U, online 14.4.2014)
33
5.3 Integrate Electric Transmission (IET) Integrovaná elektrická převodovka je velmi kompaktní, výkonná pohonná jednotka, která navozuje pocit klasického spalovacího motoru. Speciálně vyvinutý elektrický motor se spojkou a řazením, řízené softwarem, který umožňuje tvrdě zrychlit až na maximální rychlost. Tohoto účinku nelze dosáhnout klasickým elektromotorem s pevným převodovým poměrem. Technologie IET posouvá elektrický pohon motocyklů na další úroveň a přibližuje se tak charakterem k běžným pohonům využívající spalovací motor. Pohon IET nabízí všechny výhody elektrického motoru (vysoký točivý moment při nízkých otáčkách, nehlučnost), ale přitom nemá nudný charakter klasického elektrického motocyklu bez převodů a více se přibližuje “hravosti“ motocyklům se spalovacím motorem (http://www.iet-technology.com, online 14.4.2014).
Obr. č. 11 IET převodovka (http://www.iet-technology.com/iet-foto-gallery.php, online 14.4.2014)
34
6
KONCEPCE MOTOCYKLU Pokud se rozhodneme postavit elektrický motocykl, musíme se rozmyslet, pro jaký
účel, respektive pro jaké terénní podmínky, bude motocykl vhodný. Jednotlivé typy vyžadují rozdílné přístupy v konstrukci a mají rozdílné charakterové vlastnosti. Tím není myšleno, že by jeden z typu musel být více či méně ovladatelný. Základní dobré vlastnosti jako například ovladatelnost, stabilita, velký dojezd na jedno nabití, design, nízké provozní náklady či nízkou pořizovací cenu vyžadujeme u každého motocyklu. Můžeme tedy motocykly rozdělit na 3 základní typy konstrukcí: 1. Skútr 2. Silniční motocykl 3. Terénní motocykl
6.1 Skútr Skútr nebo-li městský motocykl je nejvíce vhodný do ulic města. Tento motocykl je určen pro proplétání v zácpách a úzkých uličkách, budeme tedy vyžadovat krátký rozvor a velký rejd předního kola. Kola, vzhledem k úspoře místa a lepší ovladatelnosti, zvolíme menších průměrů (u malých skútrů nejčastěji 12”÷13”). Vzhledem k ovladatelnosti a pohodlné jízdy na skútru by měl být posed motocyklisty spíše vzpřímený, připomínající posed na židli. Nohy řidiče motocyklu nejsou umístěny na stupačkách, ale na “podlážce”. Díky tomu jsou nohy schovány za sloupkem řízení a nejsou tolik vystavovány povětrnostním vlivům, díky tomuto řešení je i celkový profil mnohem užší. Pokud bychom se rozhodli o konstrukci dvoumístného skútru, můžeme si vybrat umístění spolujezdcových nohou. Ty můžeme položit buď na prodlouženou podlážku, kde jsou řidičovy nohy, nebo na samostatné stupačky. Každá z těchto variant má své výhody a nevýhody, které si dále popíšeme.
35
6.1.1
Bez stupaček
Pokud se rozhodneme, že nohy spolujezdce umístíme na prodlouženou podlážku, nemůžeme sedadlo spolujezdce umístit o moc výš než je sedadlo řidiče. To z toho důvodu, aby spolujezdec nohama dosáhl na podlážku. To však zapříčiní, že úložný prostor pod sedadlem bude malý nebo vůbec žádný. Výhodou však bude lepší ovladatelnost při jízdě ve dvou. Když spolujezdec sedí ve stejné rovině jako řidič, celkové těžiště se vzhledem k vertikální ose nezmění nebo se změní nepatrně.
Obr. č. 12 Skútr bez stupaček (s plochým sedlem) (http://demertzidis.gr/shop/images/peugeot-sum-up-125-lateral-derecho-2%20(1).jpg, online 14.4.2014)
36
6.1.2
Se stupačkami
Konstrukce se stupačkami umožňuje umístit sedadlo výše nad sedadlo řidiče. Díky tomu vznikne pod sedadlem relativně velký úložný prostor, kde se mohou vejít i dvě přilby. Musíme mít na paměti, že velký úložný prostor je na úkor ovladatelnosti. Výše umístěné sedadlo spolujezdce, potažmo výše umístěný spolujezdec, než je řidič, zvedá celkové těžiště ve vertikální ose. Při plně obsazeném motocyklu může být pro řidiče jízda namáhavá, obzvláště ve městě, kde se často stojí nebo se balancuje v malé rychlosti.
Obr. č. 13 Skútr se stupačkami (se stupňovitým sedlem) (http://www.zuun.com.br/arquivos/files/02_NOTICIAS/LANCAMENTOS/673_359SCO OTER_KEEWAY_INDEX_350i_05.jpg, online 14.4.2014) Další hledisko, které ovlivňuje konstrukci motocyklu, je zvolený způsob pohonu. Rozdělujeme základní 2 typy umístění pohonu, a to motor umístěný v rámu (str. 31) a motor umístěný v kole (str. 30). U skútru vyžadujeme velký úložný prostor. Motor umístěný v rámu tento prostor rapidně zmenšuje. Výhodnější je tedy umístit elektromotor přímo do kola. Tím sice narostou neodpružené hmoty na zadním kole, což snižuje ovladatelnost motocyklu, ale vzhledem k relativně nízkým rychlostem a pohybu na relativně rovných vozovkách můžeme tyto prohřešky zanedbat.
37
6.1.3
Umístění akumulátorů
Elektromotor je poháněn elektrickou energií. Využívat jakýchkoliv “prodlužek“ a napájet motocykl z běžné elektrické sítě by bylo značně omezující a velice neefektivní. Tuto energii je potřeba na motocyklu někde uchovat. Za tímto účelem využíváme akumulátory (str. 26). Pro uživatele motocyklu by bylo nejvhodnější, aby se akumulátory daly rychle doplnit elektrickou energií. Bohužel dobití akumulátoru trvá jistou dobu. Nabízí se tedy řešení v systému jednoduše vyměnitelných akumulátorů. Uživatel, který zjistí nízký stav elektrické energie akumulátoru, vyjme tento vybitý akumulátor a nahradí jej nabitým (vybitý akumulátor se dobije z elektrické sítě nezávisle na motocyklu). Pokud bychom vyžadovali lehkou a snadnou výměnu akumulátoru, musí být samotný akumulátor snadno přístupný, bez zbytečného demontování jakýchkoliv plastů nebo konstrukčních prvků. Nabízí se snadné řešení, a to umístit akumulátor pod sedadlo. Jak je výše zmíněno, u skútru vyžadujeme velký úložný prostor. Umístění akumulátoru pod sedadlo tento úložný prostor opět zmenšuje. Nabízí se tedy umístit akumulátor na jiné místo. Tímto místem může být prostor pod podlážkou řidičových nohou. Profil tohoto místa bývá obdélníkový či lichoběžníkový. Je to tedy vhodné místo pro umístění akumulátorů i z toho důvodu, že samotný akumulátor má jistou hmotnost a toto umístění přispívá i ke snížení celkového těžiště. Problém však nastává tehdy, pokud bychom tyto akumulátory potřebovali jednoduše vyměnit. Pokud bychom se rozhodli, aby akumulátor byl vyjímatelný, museli bychom před samotným vyjmutím akumulátoru demontovat kryt. Opět se nabízí několik řešení. Mezi první dvě řešení můžeme zahrnout vyjímání akumulátoru ze spod motocyklu nebo z boku. Z hlediska uživatele jsou tyto metody nevhodné. Vyplývá tak jediné schůdné řešení, které spočívá v demontáži podlážky řidiče. Ve srovnání s akumulátorem umístěným pod sedadlem je demontáž pracnější a složitější, avšak jako kompenzace této náročnosti je větší úložný prostor pod sedadlem.
38
Obr. č. 14 Uložení akumulátorů, 1 - Pod sedlem, 2 - Pod podlážkou řidičových nohou (http://demertzidis.gr/shop/images/peugeot-sum-up-125-lateral-derecho-2%20(1).jpg, online 14.4.2014)
6.2 Silniční motocykl Silniční motocykly můžeme samozřejmě dále dělit na jednotlivé konkrétnější kategorie jako například supersport, cestovní, chopper. Nicméně všechny tyto podkategorie mají pár znaků společných. Tyto motocykly jsou určeny spíše pro jízdu mimo obce a města. Požadujeme po nich tedy vyšší rychlost a delší dojezd na jedno nabití akumulátoru. To ale zapříčiňuje mnohem větší nároky na elektromotor a hlavně na akumulátor. Umístit pohon do zadního kola by v této situaci, vzhledem k neodpruženým hmotám, nebylo nejvhodnější. Pokud tedy umístíme elektromotor do rámu motocyklu, vyvstává další otázka. Doplnit elektromotor převodovkou? Záleží na tom, jaký elektromotor zvolíme. Elektromotory rozdělíme na dva typy. Elektromotory větších rozměrů s nižšími otáčkami, ale větším točivým momentem, nebo elektromotory
39
s menšími rozměry, nižším točivým momentem, ale zato s vyššími otáčkami. Právě tento typ motorů bychom měli doplnit o převodové ústrojí1. Opět můžeme zvolit z více typů převodových ústrojí. Variátory nebo klasické převodovky s dvojicí hřídelí s ozubenými koly. 6.2.1
Variátor
Variátor zabezpečuje plynulou změnu převodového poměru. Skládá se ze dvou dvojic kuželových kol. V každé dvojici jsou kužele na společné hřídeli a jsou orientovány vrcholy k sobě. Kuželům se mění jejich vzájemná vzdálenost, tím dosáhneme posunu řemene, o dané šířce, blíže či dále od osy otáčení. Posuv kuželů se děje jak na hnací, tak hnané hřídeli, ovšem vzájemně opačně. Pokud se na jedné hřídeli kužele přibližují, na druhé se vzdalují. Řemen má tedy stále stejné předpětí. Variátor nevyžaduje další zařízení pro převod točivého momentu. Hnací hřídel variátoru je společná s osou rotoru elektromotoru a hnaná hřídel je spojena s osou zadního kola. 6.2.2
Mechanická převodovka
Sestává ze dvou hřídelí a několika dvojic ozubených kol, která do sebe vzájemně zapadají a každá z dvojic má jiný převodový poměr. Na jedné hřídeli jsou ozubená kola pevně spojena se samotnou hřídelí. Na druhé hřídeli jsou ozubená kola uložena volně. Řidič za pomoci řadících vidliček spojuje jednotlivá volná kola s hřídelí a dochází tak k přenosu točivého momentu. Vně převodové skříně se na hnané hřídeli nachází pastorek2, který pomocí řetězu přenáší točivý moment na rozetu, potažmo zadní kolo. Místo řetězového převodu můžeme použít převod s řemenicemi a řemenem.
1 2
Zařízení měnící převodový poměr Pastorek - malé hnací ozubené kolo
40
6.2.3
Umístění akumulátorů
“Velké” motocykly nemají pod sedadlem tak velký úložný prostor aby se do tohoto prostoru vešel akumulátor. Jelikož spalovací motor je relativně rozměrný a nahradíme jej relativně malým elektromotorem zbývá tak dost místa na umístění akumulátoru. Elektromotory nepotřebují kapalné palivo jako klasické spalovací motory. Můžeme tedy místo palivové nádrže taktéž umístit akumulátor. Akumulátor ukrytý pod krytem připomínající palivovou nádrž by mohl být relativně jednoduše vyjímatelný. Stačilo by odklopit kryt a vyjmout akumulátor. Jednoduchost vyjímání akumulátoru z motorového prostoru již záleží na konkrétnějším typu motocyklu. Pokud bychom zvolili například typ “naked”, nebyla by tato výměna náročná, jelikož tento typ motocyklu nemá žádné plasty (nebo jen velice malé). Vyjímání akumulátoru by mohlo být uskutečněno z boku motocyklu, kdy by se akumulátoru odpojily vodiče, odaretoval by se a mohlo by dojít ke snadnému vysunutí ven. Pokud chceme zachovat možnost jednoduché vyměnitelnosti akumulátorů u kapotovaných motocyklů, nastává problém. Z estetického hlediska by bylo nemyslitelné, aby byly v kapotě jakékoliv otvory či další menší kryty otvorů, přes které by byl přístupný akumulátor. Nabízí se tak jediné řešení. Kapota musí na motocyklu samozřejmě pevně držet a během provozu nesmí dojít k uvolnění či odpadnutí. Připevnění šrouby nebo maticemi sice zabezpečí kvalitní spoj, ale demontáž by byla zbytečně zdlouhavá. Řešením jsou závlačky. Kapota se nasadí na několik kolíků umístěných na rámu motocyklu a zajistí se závlačkami. Schopnost demontování je oproti šroubům mnohem rychlejší, není potřeba žádného nářadí a jde o velice elegantní provedení.
41
Obr. č. 15 Silniční motocykl, Mission R (http://www.bikesrepublic.com/wp-content/uploads/2013/06/mission-r-left-side-lr.jpg, online 14.4.2014) 6.2.4
Mission R
Mission R je supersportovní motocykl se slušivým designem a “našlápnutým“ elektromotorem. Kapalinou chlazený agregát je napájený Li-Ion akumulátory, které lze dobíjet z běžné elektrické sítě. Motor disponuje výkonem 141 koní a mamutím točivým momentem 151 Nm dostupným od 0 do 6 400 ot./min. Maximální rychlost je vyšší, než 255 km/h. Že jde o racingový superbike, dokazují i komponenty - hliníkový příhradový rám, karbonové kapoty vč. blatníků, plně nastavitelné závodní odpružení Öhlins, brzdový systém Brembo s radiálními třmeny Monobloc a lehká magnéziová kola Marchesini. Řídící jednotka má několik volitelných nastavení a lze se na ni připojit i bezdrátově pomocí wifi (Daněk, 2010). 42
6.3 Terénní motocykl Stejně jako u silničních motocyklů by nebylo nejvhodnější umístit elektromotor do zadního kola. Je to jak z hlediska neodpružených hmot, tak z hlediska mechanického namáhání a kvůli faktu, že terénní motocykl se často pohybuje ve velice prašném a blátivém prostředí. Výjimkou není celé ponoření do vody (například brod). Tyto faktory by velice zkracovaly životnost elektromotoru. Proto by bylo nejvhodnější použít kombinaci elektromotoru, převodovky, a jako sekundární převod řetěz3. Akumulátory můžeme umístit stejně jako u silničního motocyklu do prostoru vzniklého po spalovacím motoru. Terénní motocykly mají většinou menší palivovou nádrž z důvodu techniky řízení. Také jejich profil je mnohem užší než silniční motocykly. Nabízí se tak vkládat akumulátory shora.
Obr. č. 16 Terénní motocykl, KTM E-Freeride 1 - Motor s převodovkou, 2 - Akumulátory (http://www.ktm.com/gb/freeride/freeride-e/highlights.html#.U0wKpF4z77U, online 14.4.2014)
3
Sekundární převod - přenos točivého momentu mezi motorem a zadním kolem
43
6.3.1
KTM E-Freeride
Renomovaná rakouská firma zabývající se vývojem, konstrukcí a produkcí motocyklů se snaží jít s moderními trendy a vytvořili terénní motocykl E-Freeride. Tento motocykl je poháněn 22 kW kapalinou chlazeným motorem s točivým momentem 42 Nm. Jízdu na jedno nabití Lithium-Ion akumulátoru si můžeme užívat více jak třicet minut. Po vybití lze akumulátor jednoduše vyměnit. Podvozek dodávaný firmou WP Suspension a hmotnost motocyklu 95 kg zaručuje dobrou ovladatelnost v terénu i mimo něj. 6.3.2
Pohon obou kol 2k2
V terénu se snadno stane, že pohon jedním kolem nestačí. Elektrický pohon otevírá možnost pohonu obou kol. Stejně jako u skútru využíváme pohon přímo v kole, můžeme tuto metodu aplikovat do předního kola. Musíme mít na paměti, že tato aplikace zhorší řízení a vzrostou neodpružené hmoty na předním kole, což má za následek snížení ovladatelnosti. Je zbytečné umístit do předního kola elektromotor stejného nebo podobného výkonu jako motor pro zadní kolo. To z toho důvodu, že při akceleraci se váha přenáší na zadní kolo, což má za následek nadlehčování předního kola a postupné ztrácení schopnosti přenášet síly na podložku. Kolo by tak nebylo schopné přenášet plný výkon. Dostačoval by tedy elektromotor menších výkonů. Velký točivý moment na předním kole by také mohl zapříčinit prokluz předního kola, z toho vyplývající ztrátu adheze a pád. Z těchto důvodů bych systém volil spíše pro rekreační jízdu než pro závodní účely. Ve vyšších rychlostech by byl tento systém zbytečný. Využití nachází spíše při pomalejších výjezdech do kopce nebo pro průjezd velice nepříznivými podmínkami (například bláto, písek, sníh). Ovšem výhoda této aplikace spočívá v rekuperaci energie. Na motocyklu brzdíme hlavně přední brzdou a díku tomu bychom elektromotor v předním kolem mohli využít jako generátor a dobíjeli jím akumulátor, což kladně přispívá k dojezdové vzdálenosti, která by díky tomuto systému vzrostla.
44
7
EXPERIMENTÁLNÍ KONSTRUKCE POHONU ČTYŘKOLKY Praktická část této diplomové práce porovnává dvě konstrukční řešení přestavby
čtyřkolky Jinling JLA-21B (obr. č. 17) s pohonem se spalovacím motorem na pohon elektrický. Tyto úpravy s vlastním měřením proběhly v prostorech Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně. Vizualizace modelu čtyřkolky byla provedena za pomoci programu CAD. První řešení spočívá v nahrazení spalovacího zážehového motoru motorem elektrickým s převodovou skříní a přenosem točivého momentu na zadní kola za pomoci řetězového převodu. Na čtyřkolce nebyly žádné jiné konstrukční zásahy. Druhé řešení taktéž odstranilo spalovací motor, ale byli jsme nuceni konstrukčně změnit zadní nápravu. Čtyřkolka byla osazena dvěma elektromotory umístěnými v zadních kolech. Odpadl tak sekundární převod řetězem. Zadní náprava musela být přepracována a zpevněna.
Obr. č. 17 Jinling JLA-21B se spalovacím motorem
45
7.1 Konstrukční typ - motor v rámu Umístění elektromotoru do rámu čtyřkolky je z konstrukčního hlediska velice jednoduchá úprava. Spalovací motor byl demontován a odstraněn. Do vzniklého prostoru byl umístěn akumulátor s elektromotorem.
Obr. č. 18 Model čtyřkolky, 1 - Akumulátor, 2 - Elektromotor s převodovou skříní, 3 - Zadní náprava s osou kol Otáčková a momentová charakteristika elektromotoru PERM PMS 100, který byl v této aplikaci použit, vyžaduje zpřevodování. Tabulka č. 1 Hodnoty PERM PMS 100 Pjmenovité
2,7 kW
Naměřeno Pmax
5,1 kW
Naměřeo Imax
96 A
Uaku při měření
54 V
Vypočteno P2
5,18 kW
Naměřeno vmax
31 km/h
Elektromotor byl tedy rozšířen o převodovou skříň se stálým převodem s čelním ozubením (převodový poměr převodovky 7,05). Točivý moment je dále přenášen řetězem na osu zadních kol (převodový poměr řetězového převodu 2,58, celkový převodový poměr 18,19).
46
Obr. č. 19 Elektromotor s převodovou skříní, 1 - Elektromotor PERM PMS 100, 2 - Převodová skříň Konstrukce zadní nápravy je totožná s originální verzí čtyřkolky se spalovacím motorem. Jedná se o kyvné rameno s uloženou osou kol (kola jsou spolu pevně spojena osou, systém je bez diferenciálu). Tlumení a pružení je zajištěno Monoshockem bez přepákování.
Obr. č. 20 Model čtyřkolky - detail, 1 - Akumulátor, 2 - Elektromotor, 3 - Převodová skříň, 4 - Osa zadních kol v kyvném rameni 47
Ačkoliv je tento způsob přestavby relativně jednoduchý, ukrývá jisté nedostatky. Přestože v porovnání se spalovacím motorem se zastavěný prostor a hmotnost sníží, musí být použita převodovka, která naopak prostor zaplňuje, přidává na celkové hmotnosti a je to další mechanická soustava, u které může dojít k závadě.
7.2 Konstrukční typ - motory v kolech Další konstrukční variantou je umístit pohon přímo do kol. U tohoto typu konstrukce je v prostoru vzniklém po odstranní spalovacího motoru uložen pouze akumulátor. Taktéž odpadá problematika přenosu točivého momentu z “motorového” prostoru na osu zadních kol.
Obr. č. 21 Čtyřkolka, 1 - Akumulátor
48
Kvůli umístění elektromotorů v kolech musela být změněna konstrukce zadní nápravy. Samotné kyvné rameno s odpružením se prakticky zachovalo. Ovšem uložení osy zadních kol bylo demontovano a nahrazeno robustním nosníkem, na který byly připevněny elektromotory.
Obr. č. 22 Model čtyřkolky, 1 - Pohonná jednotka, 2 - Nosník upravené zadní nápravy, 3 - Akumulátor
49
Obr. č. 23 Zadní náprava, 1 - Původní osa, 2 - Upravená osa
Obr. č. 24 Akumoto 600, detail pohonu 50
Pro pohon byla použita dvojice elektromotorů ze skútru Akumoto 600 (obr. 24), kde je elektromotor taktéž umístěn v kole. Elektromotory musely být upraveny. Ve skútru je motor uložen v konvenční kyvné vidlici (uložení z obou stran motoru). Součástí motoru je i ráfek kola, ten musel být taktéž odstraněn a motor upraven tak, aby se dal použít původní disk ze čtyřkolky. Dále byly upraveny elektromotory tak, aby bylo možné je namontovat na upravenou zadní nápravu čtyřkolky. Tabulka č. 2 Hodnoty Akumoto 600 Pjmenovitý
2 x 3 kW
Naměřeno Pmax
5,9 kW
Naměřeno Imax
110 A
Uaku při měření
54 V
Vypočteno P2
5,94 kW
Naměřeno vmax
46 km/h
51
Obr. č. 25 Pohonná jednotka, horní dvojice - neupraveno, dolní dvojice - upraveno Použití pohonných jednotek přímo v kolech odstraňuje problematiku spojenou s přenosem točivého momentu. Nemuselo být tedy použito žádné převodovky či řetězového nebo řemenového převodu. Nevýhodou tohoto řešení je nárůst neodpružených hmot na zadní nápravě. Nárůst neodpružených hmot není zapříčiněn pouze instalovanými elektromotory, ale také upravením nápravy, protože ji bylo nutné zpevnit. Využití motorů řízených momentově, umístěných v kolech, můžeme být z pohledu ovladatelnosti při jízdě analogicky srovnatelné s nápravou využívající diferenciál. To umožňuje lepší ovladatelnost v zatáčkách, kde se každé kolo odvaluje různou rychlostí, narozdíl od společné osy obou zadních kol, kdy dochází v zatáčce ke smýkání jednoho z kol.
52
7.3 Akumulátor Pro pohon elektromotorů byl použit akumulátor vyvíjený firmou TREMONDI s.r.o. Tento akumulátor byl složen z SLPB (Superior Lithium Polymer Battery) článků KOKAM (vyvíjené a vyráběné Jihokorejskou firmou). Použitý akumulátor byl složen z 13 článků, Ujmenovité=48,1 V s kapacitou 16 Ah (0,76 kWh). Akumulátor je kompaktních rozměrů (215 x 158 x 134 mm) s nízkou hmotností (7,7 kg). Další výhodou akumulátoru je minimální pokles napětí při velkém proudovém odběru. Během testů jsme naměřili pokles napětí v řádu pouhých 2,5 V při odběru proudu 100-110 A. Charakteristika článku akumulátoru je uvedena v tabulce č. 3. Tabulka č. 3 Parametry článku KOKAM Jmenovitá kapacita
Typ. 17,0 Ah Min. 16,4 Ah
Jmenovité napětí
3,7 V
spodní limit napětí
2,7 V
Horní limit napětí Max. stálý nabíjecí proud Max. stálý vybíjecí proud Max. vybíjecí proud
4,2 ± 0,03 V 48,0 A 128,0 A 160,0 A
7.4 Charakteristika pracoviště Zkoušky byly provedeny v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy na Mendelově univerzitě v Brně. Využilo se výkonového dynamometru SAXON pro nákladní automobily (Obr. č. 26). Jedná se o válcovou zkušebnu s dvojicí válců pro zkoušení nákladních vozidel s maximální rychlostí až 200 km/h a maximálním výkonem až 450 kW nebo krátkodobě až 600 kW. Toto zařízení bylo vybráno z důvodu jednoduchosti upnutí vozidla a pro nejnižší setrvačné hmoty v rámci vybavení zkušebny. Přesto se setrvačné hmoty pohybují na relativně velké hodnotě (790 kg s vozidlem a jezdcem). Takto vysoké hodnoty setrvačné hmoty zkreslují naměřené hodnoty a proto s nimi bylo při vyhodnocení výsledků kalkulováno.
53
Obr. č. 26 Válcová zkušebna SAXON pro nákladní vozidla (http://web2.mendelu.cz/autozkusebna/html/dynamna.htm, online 14.4.2014)
7.5 Metodika měření Před samotnou zkouškou bylo zkontrolováno vozidlo. Velká pozornost byla věnována pneumatikám. Samozřejmostí je dodržet správný typ a rozměr pneumatik stanovených výrobcem. Pneumatiky byly správně nahuštěny na předepsaný tlak. Běhoun pneumatik byl očištěn od drobných kamínků a jiných nečistot. Po této kontrole bylo vozidlo umístěno do válců. Vozidlo bylo upnuto tak, aby nedošlo vlivem dynamických sil k vyjetí vozidla z válců. Následně byly připojeny přístroje pro měření veličin: svorkového napětí akumulátoru, protékajícího proudu k elektromotoru a otáček elektromotoru. Obě konstrukční řešení byly podrobeny základním měřením výkonu. Tento naměřený výkon byl dále porovnáván s výkonem vypočteným dle rovnice č.1: P=U.I [W] [m2.kg.s-3] kde znamená:
(1)
U - svorkové napětí [V] [m2.kg.s-3.A-1] I - protékající proud [A] 54
Varianta s elektromotory v kolech byla dále využita k měření výdrže akumulátoru. Pro měření dojezdu byl zvolen jízdní cyklus (Obr. č. 27). Střídavě byly navozovány stavy akcelerace, udržení na konstantní rychlosti a decelerace. Poloha akcelerátoru byla během zrychlení vždy nastavena na hodnotu 100%. Výjimku tvořil rozjezd (v<5 km/h), kdy z důvodu nedostatečné adheze mezi pneumatikami a válci docházelo k prokluzu, a proto bylo nutno tuto hodnotu snížit. Decelerace vozidla byla prováděna pouze rekuperací, jelikož nebyla konstrukčně řešena konvenční brzda pro zadní nápravu, nebylo tak možné zadní kola brzdit jinak.
Obr. č. 27 Jízdní cyklus, barevně vyznačen teoretický cyklus, čerchovaně vyznačeny reálná naměřená data
55
8
VÝSLEDKY MĚŘENÍ
8.1 Srovnávací měření Výsledky porovnávacích měření obou konstrukčních variant (Motor v rámu kap. 7.1, Motor v kole kap. 7.2) byly znázorněny v tabulce č. 4, uvedené níže. Uvedené hodnoty P2 byly vypočítány za pomoci rovnice č.1: P2=Uaku.Imax=54.96=5,18 [kW] (1) Během jízdních testů se projevily rozdíly mezi jednotlivými systémy řízení motorů. Řízení motoru PERM PMS 100 umožňuje změnu smyslu otáčení vpřed i vzad elektronickou cestou. Z toho vyplývá, že výkon motoru v generátorovém a motorovém režimu je totožný. Generátorový stav je využíván v deceleračním režimu měření. Řídící jednotka elektromotoru Akumoto, která je určena pro malý skútr, umožňuje jízdu pouze jedním směrem (u středních a malých motocyklů se zpětný chod nepoužívá) a výkon při rekuperaci (deceleraci) je přibližně poloviční proti motorovému režimu. Tabulka č. 4 Naměřené hodnoty srovnávacího měření Motor
PERM PMS 100
2 x Akumoto 600
Pjmenovitý
2,7 kW
2 x 3 kW
Naměřeno Pmax
5,1 kW
5,9 kW
Naměřeno Imax
96 A
110 A
Uaku začátek měření
54 V
54 V
Vypočteno P2
5,18 kW
5,94 kW
Naměřená vmax
31 km/h
46 km/h
56
8.2 Výdrž akumulátoru Měření výdrže akumulátoru bylo prováděno na konstrukčním typu s pohonnými jednotkami v kolech. Jak již bylo zmíněno v kapitole 7.4 Charakteristika pracoviště musely být do výsledků zahrnuty a zohledněny setrvačné hmoty a pasivní ztráty válcové zkušebny, které jsou vyšší než setrvačné hmoty a ztráty vozidla s jezdcem. Když byly zahrnuty tyto skutečnosti, že setrvačné hmoty a ztráty válcové zkušebny jsou vyšší než u čtyřkolky, bylo zjištěno, že měřící cyklus neodpovídá provozu po vodorovné podložce. Měřící cyklus odpovídá stálé jízdě do svahu s proměnným stoupáním. Ten se mění v závislosti na okamžité rychlosti a zrychlení. Svah při akceleraci 0-5 km/h je menší než při 5-10 km/h, protože jak bylo uvedeno v kapitole 7.5 Metodika měření, kvůli nedostatečné adhezi kola prokluzovala, a proto namohlo být navoleno na akcelerátoru 100 %. Tabulka č. 5 Naměřené ztráty Rychlost Ztráty zkušebny bez
Ztráty zkušebny
Ztráty vozidla
[km/h]
vozidla [N]
s vozidlem a jezdcem [N]
s jezdcem [N]
10
77,40
116,26
38,86
15
92,58
136,57
44,00
20
104,29
151,81
47,52
25
112,96
163,19
52,23
30
121,06
173,73
52,67
35
129,89
183,04
53,15
40
136,30
193,80
57,50
45
144,64
203,46
58,83
Jízdní testy dle cyklu na obrázku č. 26 byly uskutečněny s jedním akumulátorem 48,1 V/16 Ah (viz. kap. 7.3 Akumulátor). Na jedno nabití akumulátoru bylo průměrně uskutečněno 6 jízdních cyklů, což odpovídá přibližně 12 km s výškovým převýšením kolem 700 m. Z důvodu vestavěné ochrany akumulátoru v řídících jednotkách nemohla být plně využita kapacita akumulátoru. Řídící jednotka odpojí pohonné jednotky v momentě, kdy napětí akumulátoru klesne pod hodnotu 42 V.
57
9
DISKUSE Z měření praktické části bylo zhodnoceno chování a předpoklady měřených typů
konstrukcí. Pokus nabídnul hned dvě řešení. Jedno z nich konstrukčně snadné (motor uložen v rámu) a druhé řešení nabízí velkou úsporu místa a lepší jízdní vlastnosti (pohonné jednotky v kolech). Pokud by se produkovaly elektrické čtyřkolky aspoň v malé výrobní sérii, muselo by se rozhodnout o bližším zaměření čtyřkolky. Konstrukční rozdíly mezi oběma typy jsou především v odlišné stavbě zadní nápravy, která má zásadní vliv na jízdní vlastnosti a chování při průjezdu zatáčkou. Využití pevného propojení os zadních kol je využitelné více v terénu, mimo zpevněné cesty, kde zajistí dobrou průjezdnost a neustálý přenos točivého momentu aspoň jedním kolem. Absence diferenciálu není tak znatelná, jelikož nucené smýkání jednoho ze zadních kol je mnohem snazší na nezpevněné cestě, než například na asfaltové silnici. Motor uložený v rámu také přispívá k lepšímu rozložení hmotnosti. Díky tomuto řešení je zadní náprava velice lehká a může snadno kopírovat nerovnosti terénu. Celková přestavba příliš nezasáhla do původní verze čtyřkolky. Co se týče rámu čtyřkolky, je naprosto totožný s originální verzí. Uvedení do provozu, z hlediska zákona o podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích (Zákon č. 56/2001 Sb.), by u takové čtyřkolky bylo velice jednoduché. Přestavba totiž zasáhla pouze pohonnou část čtyřkolky a všechny ostatní prvky, jako podvozek nebo brzdová soustava, byly nezměněny. Použití dvojce elektromotorů v zadních kolech využívá možnosti oddělené dodávky točivého momentu na podložku. Konstrukce částečně nahrazuje diferenciál s částečnou svorností. Pokud jedno ze zadních kol ztratí kontakt s podložkou, čtyřkolka bude schopna přenést pouze maximálně poloviční točivý moment z celkového možného. Uvedení této konstrukce do provozu by muselo předcházet dořešení nezávislého brzdového systému na zadní nápravu, aby mohla brzdit i bez pomoci elektromotorů v generátorovém stavu. Pokud by se uvažovalo o komerční výrobě, bylo by taktéž zapotřebí přepracovat zadní nápravu. Toho by se mohlo dosáhnout přepracováním nosníku a zvolením vhodných materiálů. Dalším bodem úpravy čtyřkolky by měla být řídící jednotka pohonů, tak aby byla schopna využít pohonné jednotky i pro zpětný chod.
58
Experimentálními konstrukcemi byla zjištěna, že je vhodnější použít elektromotory umístěny v kolech. Samotné měření výkonu dokázalo, že rozdíl mezi jednotlivými aplikacemi není velký a to bylo potvrzeno výpočtem. Velký prostor místo spalovacího motoru (viz. Obr. č. 21) nabízí umístění až čtyř akumulátorů. Z dodatečného měření výdrže akumulátoru, kdy na jedno nabití čtyřkolka ujela přibližně 12 km, můžeme usoudit, že za předpokladu osazení čtyř akumulátorů by čtyřkolka byla schopna na jedno nabití ujet až 48 km. Z praktické části této diplomové práce vyplývá, že by bylo vhodné směřovat vývoj pohonných jednotek umístěných v kolech elektrovozidel k lepším momentovým a otáčkovým charakteristikám a celkovým rozměrů motoru.
59
10 ZÁVĚR Cílem diplomové práce s názvem Konstrukce elektrických motocyklů bylo porovnat různá konstrukční řešení motocyklů poháněných elektrickým motorem. V úvodní části byly popsány důležité komponenty pro funkčnost samotného motocyklu. Na začátku byly zmíněné různé typy elektrických pohonů. Dále byla část práce věnována akumulátorům a popisu jejich výhod a nevýhod. Závěr rešeršní části obsahuje seznámení s jednotlivými rámcovými konstrukcemi daných motocyklových kategorií (skútr, silniční, terénní). Každá tato kategorie vyžaduje specifický přístup ke konstrukci, jelikož jejich účel provozu se různí. Elektrické motocykly jsou v široké veřejnosti rozšířeny hlavně díky skútrům. Skútry jsou motocykly určené pro jízdu ve městech, jejich relativně drobné rozměry (v porovnání s klasickým motocyklem) jsou významným pozitivem v proplétání se úzkými městskými uličkami a kolonami aut. Městský provoz je v drtivé většině zákonně omezen na 50 km/h. Díky tomu není vyvíjen na elektrické skútry takový nátlak kvůli maximálním rychlostem a energie uložená v akumulátoru tak může být využita pro větší dojezd na jedno nabití než pro překonání velkých rychlostí. To zaručí dostatečnou možnost pohybu po městě bez velmi častého dobíjení. Druhá část diplomové práce byla věnována experimentálním konstrukcím čtyřkolky. Z porovnání dvou realizovaných konstrukcí by se mělo v budoucnu zaměřit spíše na využití elektromotorů uložených v kolech. Odpadá tak zbytečně složitý a náročný systém ovládání a přenosu točivého momentu mezi samotným elektromotorem a hnacími koly. Elektrovozidla obecně, ať už automobily či motocykly, mají v budoucnosti své místo zaručeno. Je ovšem potřeba hodně zdokonalit ukládání elektrické energie v akumulátorech a jejich rychlost dobíjení, aby mohla vozidla poháněna elektrickou energií konkurovat běžným vozidlům se spalovacím motorem v nájezdu kilometrů při využití adekvátní rychlosti na jedno nabití akumulátoru, a k tomu si zachovat rozumnou pořizovací cenu.
60
11 SEZNAM LITERATURY (1) JAN, Z., KUBÁT, J., ŽDÁNSKÝ, B. Elektrotechnika 1, 1. vyd. Brno: Avid, 2001, 200 s. (2) JAN, Z., KUBÁT, J., ŽDÁNSKÝ, B. Elektrotechnika 2, 2.vyd. Brno: Avid, 2003, 155 s., schvalovací doložka MŠMT ČR: Č.j. 17903/2002-23 (3) DANĚK, R. Mission R - superbike na elektřinu [online]. 2001-2014, 22.12.2010 [cit. 14.4.2014]. Dostupný z WWW: < http://www.motorkari.cz/clanky/motonovinky/mission-r-superbike-na-elektrinu-17529.html> ISSN 1214-7125 (4) DOŠEK, T. Elektrifikace KTM potvrzena! [online]. 2001-2014, 24.4.2013 [cit. 14.4.2014]. Dostupný z WWW: < http://www.motorkari.cz/clanky/motonovinky/ktm/elektrifikace-ktm-potvrzena-24798.html> ISSN 1214-7125 (5) Nezjištěno, Baterie v elektromobilech [online]. 2010, [cit. 14.4.2014]. Dostupné z WWW: < http://elektromobil.vseznamu.cz/baterie-v-elektromobilech> (6) KOCMAN, S. Asynchronní stroje [online]. 2002, [cit. 14.4.2014]. Dostupné z WWW: < http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/as-skriptum.pdf> (7) NEKVAPIL, J. Řízení trojfázového asynchronního motoru [online]. 2009, [cit. 14.4.2014]. Dostupné z WWW: < https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/15134/DP_Nekvapil_Jan_2009.p df?sequence=1> (8) KOCMAN, S., VRÁNA, V. Stejnosměrné stroje [online]. 2004, [cit. 14.4.2014]. Dostupné z WWW: < http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_stejnosmerne% 20stroje_bc%20FS.pdf> (9) Nezjištěno, Ústav techniky a automobilové dopravy [online]. 2014, [cit. 14.4.2014]. Dostupné z WWW: < http://web2.mendelu.cz/autozkusebna/html/dynamna.htm>
61
12 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. č. 1 Stator s permanentními magnety
12
Obr. č. 2 Asynchronní motor třífázový,
15
Obr. č. 3 Motor s kondenzátorem připojeným jen při rozběhu,
17
Obr. č. 4 Motor s trvale připojeným kondenzátorem,
19
Obr. č. 5 Princip činnosti stejnosměrného stroje
24
Obr. č. 6 Derivační motor,
26
Obr. č. 7 Sériový motor,
26
Obr. č. 8 Motor s permanentními magnety
27
Obr. č. 9 Motor v kole,
32
Obr. č. 10 Motor v rámu,
33
Obr. č. 11 IET převodovka
34
Obr. č. 12 Skútr bez stupaček (s plochým sedlem)
36
Obr. č. 13 Skútr se stupačkami (se stupňovitým sedlem)
37
Obr. č. 14 Uložení akumulátorů,
39
Obr. č. 15 Silniční motocykl,
42
Obr. č. 16 Terénní motocykl,
43
Obr. č. 17 Jinling JLA-21B se spalovacím motorem
45
Obr. č. 18 Model čtyřkolky,
46
Obr. č. 19 Elektromotor s převodovou skříní,
47
Obr. č. 20 Model čtyřkolky - detail,
47
Obr. č. 21 Čtyřkolka,
48
Obr. č. 22 Model čtyřkolky,
49
Obr. č. 23 Zadní náprava,
50
Obr. č. 24 Akumoto 600, detail pohonu
50
Obr. č. 25 Pohonná jednotka, horní dvojice - neupraveno, dolní dvojice - upraveno
52
Obr. č. 26 Válcová zkušebna SAXON pro nákladní vozidla
54
Obr. č. 27 Jízdní cyklus,
55
62
13 SEZNAM TABULEK Tabulka č. 1 Hodnoty PERM PMS 100 .......................................................................... 46 Tabulka č. 2 Hodnoty Akumoto 600 .............................................................................. 51 Tabulka č. 3 Parametry článku KOKAM ....................................................................... 53 Tabulka č. 4 Naměřené hodnoty srovnávacího měření................................................... 56 Tabulka č. 5 Naměřené ztráty ......................................................................................... 57
63
