Motorn – drivlinans muskler

Vad gör en elmotor?

En elmotor omvandlar elektrisk energi till mekaniskt vridmoment och rörelse genom att magnetfält skapat av ström genom kopparlindningar i statorn samverkar med magnetfält skapat av permanentmagneter i rotorn. För tillämpning i tvåhjuliga elfordon används nästan uteslutande permanentmagnet‑synkronmotorer (PMSM), vilka ger hög verkningsgrad och fin styrbarhet, och denna typ av motor kommer i en rad olika utföranden i form av olika motortyper som vi kommer gå igenom nedan.

Motortyper i tvåhjuliga elfordon

I tvåhjuliga elfordon används främst två typer av motorer (utföranden på PMSM): navmotorer och mittmotorer, där båda typer har flera undertyper varav vi kommer att prata om några av dem här. Valet påverkar eftermontering, prestanda, verkningsgrad, kylning, viktfördelning och service.

Navmotor

Navmotorer är generellt enkla att eftermontera med kit. En nackdel med den traditionella navmotorn är dock kylningen: statorn är omsluten av den roterande rotorn (navet), vilket ger svår värmeavledning vid hög effekt.

Direktdriven

Direktdriven navmotor har rotorn som hjulnav och inga växlar (utväxling 1:1, u = 1). Fördelar: robusthet, låg ljudnivå, regen‑möjlighet och tålighet vid hög effekt. Nackdelar: vikt, ofjädrad massa och begränsad kylning eftersom statorn är omsluten av rotorn (navet), vilket ger lång värmeväg till omgivande luft. Vid hård körning blir värmehanteringen ofta dimensionerande.

Växlad (planetväxel)

Växlad navmotor har intern planetväxel (utväxling u > 1). Fördelar: kan vara effektivare både vid acceleration och vid vardagsfart, tack vare mekanisk utväxling kan detta tillåta högre verkningsgrad främst vid acceleration, men även vid cruising i vardagsfart då utväxlingen kan hålla motorn nära optimalt varvtal; ofta kompakt/lätt. Nackdelar: slitdelar (kugghjulen i planetväxeln, som även ofta är gjorda av plast) och svår kylning – ännu svårare än för direktdrivna navmotorer – vilket begränsar motorn till låg kontinuerlig effekt. Regen är i princip möjligt med en sån här motor, men standard är att ett frihjul är monterat i denna typ av motor, vilket inte tillåter regen alls utan krångliga modifikationer av motorn.

Momentarmar – en nödvändighet

Navmotorer utvecklar höga vridmoment på hjulet, vilket ger ett motmoment på själva axeln, och det kräver att man har momentarmar moneterade för att förhindra att hjulaxeln roterar i dropoutsen/upphängningen. Utan momentarmar riskerar ramens upphängning att skadas och att hjulet lossnar – speciellt vid acceleration eller regenerativ bromsning. Momentarmen överför motorns reaktionsmoment till ramen på ett säkert sätt. Läs mer om momentarmar, montering och säkerhet i vår guide om momentarmar.

Mittmotor

Mittmotorer är motorer som istället för att vara monterade i navet på hjulet sitter någon annan stans på fordonet, oftast i ramen eller under vevaxeln. Fördelarna med detta är att det möjliggör enkel mekanisk utväxling, vilket ger hög verkningsgrad över stort hastighetsomfång, och mycket lättare värmehantering. De är dock svårare att eftermontera, då montering i mycket högre grad varierar från ram till ram.

Cykelmittmotor

En cykelmittmotor, som du finner på majoriteten av de dyrare färdiga elcyklarna du kan köpa idag, driver direkt på vevaxeln, och hjälper således ditt trampande. Detta ger då de nämnda fördelarna med mittmotorer, men kommer även med några starka nackdelar. Nackdelar: högre komplexitet och slitage på drivlina (kedja/drev) som egentligen är dimensionerad för mänsklig kraft. Komponenter (kedja/kassett/drev) slits snabbare och kräver tätare service.

Större mittmotorer

Större mittmotorer (t.ex. QS138, i plattformar som Stealth Bomber, elmopeder och elcross) driver ofta via högre dimensioneradkedja/rem (alltså inte en enkel cykelkedja) direkt till bakhjulet. Fördelar: mycket hög effektivitet, valbar utväxling, god kylning, och som konsekvens av detta tillåter denna teknik också mycket hög effekt. Nackdelar: vikt/komplexitet, mer ljud från transmission och större krav på ram/fästen. Att eftermontera ett sånt här system är mycket omfattande.

GBIKE 1: En stor direktdriven navmotor

GBIKE 1-kitet är utrustat med en stor, direktdriven navmotor som representerar en noggrant övervägd balans mellan acceleration, toppfart, tålighet och praktisk monterbarhet. Valet av navmotor grundar sig i flera tekniska och praktiska överväganden som tillsammans skapar ett optimalt system för ett hobbyelfordon i denna klass.

Termisk kapacitet och effekttålighet

Motorn är dimensionerad för att momentant tåla upp till nästan 6 000 W elektrisk ineffekt under acceleration, vilket tillsammans med 72 V‑systemspänningen och en sinuskontroller (sine‑wave‑kontroller) ger kraftfull men mjuk och kontrollerad acceleration. Den höga momentana effekten möjliggör snabb uppstart och god responsivitet.

För kontinuerlig drift klarar motorn utan problem att driva fordonet med förare i hastigheter på 65–70 km/h, vilket är mer än tillräckligt för ett kul och användbart hobbyelfordon. Denna kontinuerliga prestanda är möjlig tack vare motorns robusta konstruktion och tillräckliga termiska massa, även om värmehanteringen, som för alla direktdrivna navmotorer, begränsas något av att statorn är omsluten av rotorn.

Balans mellan fart och moment

Motorns Kv‑värde och dimensionering är vald för att ge en optimal balans: tillräckligt högt vridmoment för god acceleration från stillastående, samtidigt som toppfarten är praktisk användbar. Detta uppnås genom noga vald kombination av lindningskonfiguration (som bestämmer Kv/Kt), systemspänning och hjulstorlek – tillsammans med den direktdrivna konstruktionens inneboende fördelar i form av robusthet och låg ljudnivå.

Eftermonterbarhet som kit

En avgörande fördel med navmotorkonfigurationen är att den tillåter enkel hemmamontering som del av ett kit. Till skillnad från mittmotorer, som kräver omfattande ramanpassningar och ofta specialverktyg, kan en navmotor monteras av slutanvändaren med grundläggande verktyg och teknisk förståelse. Detta gör teknologin tillgänglig för en bredare målgrupp och håller nere både monteringskostnad och komplexitet.

Rimligt pris och helhetsbalans

Sammantaget levererar GBIKE 1:s motor en prestanda och användbarhet som är väl avvägd mot pris och praktiska överväganden. Den direktdrivna konstruktionen eliminerar slitdelar som planetväxlar, minskar underhållsbehovet och ger möjlighet till regenerativ bromsning med kompatibel kontroller. För den som söker ett robust, kraftfullt och monterbart drivsystem till ett rimligt pris är denna stora navmotor ett genomtänkt val.

PMSM: U = R·I + kₑ·ω; Kv och moment (Kt)

Den linjära modellen för en PMSM/BLDC per fas kan skrivas U = R·I + kₑ·ω, där U är spänning över lindningen, R lindningens resistans, I fasström, ω vinkelhastighet och kₑ är spänningskonstanten [V·s/rad]. Termen kₑ · ω motsvarar mot‑EMK (back‑EMF). Förluster i kopparn ≈ I²·R värmer motorn.

Momentet ges av M = Kt·I och i SI‑enheter gäller Kt [Nm/A] = kₑ [V·s/rad]. Relationen till Kv (rpm/V) blir Kt ≈ 60/(2π·Kv). Hög Kv ger hög frivarvshastighet för given U men lägre M per A; låg Kv ger tvärtom mer vrid per ampere men lägre toppvarv.

Hastighet och vridmoment

Hastighet bestäms av tre huvudfaktorer: motorns hastighets/momentkonstant Kv (varv/V), batteriets spänning, U och hjulomkrets (eller utväxling för mittmotor). Kv anger hur snabbt motorn roterar per volt utan last (no‑load). Ett högre Kv ger högre frivarv för given U, men också lägre moment per ampere (lägre Kt).

No‑load‑varvtal approximeras som ω₀ ≈ Kv · U. Fordonshastighet blir dåv₀ ≈ (ω₀ · C)/(2π), där C är hjulomkretsen. Under last sjunker varvtalet och hastigheten på grund av back‑EMF och spänningsfall i systemet. För mittmotor med utväxling G gäller v ≈ (ω · C)/(2π · G).

Vridmomentet ges av M = Kt·I, där Kt är momentkonstanten och I strömmen. Förhållandet till Kv är Kt ≈ 60/(2π·Kv) (rpm/V). Högre I ger mer M – medan högre U främst höjer varvtaket och därmed möjlig mekanisk effekt P ≈ U·I.

Hjulvridmoment och dragkraft: M_hjul = M · G (G ≈ 1 för navmotor),F ≈ M_hjul/r där r är hjulets radie. Idealiskt ger detta acceleration a ≈ F/m (utan förluster). I praktiken begränsar däckens fäste den maximala dragkraften.