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

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: Flera delar som slits (kugghjulen i planetväxeln, som även ofta är gjorda av plast) och ännu svårare att kyla än direktdrivna navmotorer vilket begränsar motorn till låg kontinuerlig effekt. Regen är i princip möjligt, men standard är att ett frihjul är monterat i denna typ av motor, vilket inte alls tillåter regen utan krångliga modifikationer.

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 dimensionerad kedja/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 systemspänning och en sinuskontroller 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 till 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: Kv och moment (Kt)

För att förstå hur en permanentmagnetmotor (PMSM) fungerar på djupet använder man ofta en matematisk modell. Den beskrivs av formeln U = R·I + kₑ·ω. Här är U spänningen vi matar in, R är lindningens resistans, I är strömmen och ω är motorns rotationshastighet. Termen kₑ·ω kallas för mot-EMK (back-EMF) och är den spänning motorn själv genererar när den snurrar. Spänningen man matar in måste alltså övervinna både motståndsförlusterna (R·I) och motorns egen genererade spänning (kₑ·ω) för att driva in ström.

Två viktiga konstanter används ofta för att beskriva motorns karaktär:

Kv (varvtal per volt) beskriver hur snabbt motorn roterar obelastad för en viss spänning. Ett högt Kv innebär en motor som snurrar fort men är svagare per ampere. Ett lågt Kv ger en stark motor som kräver högre spänning för att nå samma toppfart.

Kt (momentkonstant) beskriver hur mycket vridmoment (M) motorn ger per ampere ström enligt formeln M = Kt·I. I SI-enheter hänger dessa ihop så att Kt ≈ 60 / (2π·Kv). En motor med lågt Kv har alltså ett högt Kt och ger mer kraft för varje ampere ström.

Hastighet och vridmoment

Teoretisk toppfart bestäms av batteriets spänning (U) och motorns Kv-värde. Det obelastade varvtalet kan uppskattas som ω₀ ≈ Kv · U. Om vi vet hjulets omkrets (C) kan vi räkna ut den teoretiska hastigheten v₀. Hastigheten blir då v₀ ≈ (ω₀ · C) / 60. När motorn belastas sjunker varvtalet eftersom en del av spänningen går åt till att driva strömmen genom lindningarna (R·I) istället för att bygga varvtal.

Accelerationen beror på vridmomentet vilket ges av formeln M = Kt·I. Eftersom vridmomentet är direkt proportionellt mot strömmen (I) är det strömstyrkan från kontrollern som avgör hur snabbt du kommer iväg. Sambandet visar att högre ström ger mer vridmoment medan högre spänning främst ökar det möjliga varvtalsområdet och därmed toppfarten.

För navmotorn i GBIKE 1 är detta extra viktigt då den saknar växellåda. Motorn måste vara dimensionerad för att tåla den höga ström (I) som krävs för högt vridmoment vid starter. Den mekaniska effekten (P) som motorn levererar är produkten av vridmoment och varvtal, P = M · ω.