Электромобиль своими руками: как, зачем и сколько это стоит

Что такое электромобиль

Прежде чем переходить к вопросам построения электрокара, следует понять, что это вообще такое. Электромобиль – это тот же автомобиль, но в движение его приводит электрический привод, а вместо бака для жидкого топлива в электрокарах установлены батареи, которые питают электрический мотор.

Но это лишь поверхностное представление. Ведь для работы электропривода используются соответствующие контроллеры и драйверы. Для регулировки заряда/разряда батареи также используются контроллеры. Также изменения касаются и самой конструкции кузова, шасси и многих других частей автомобиля.

Почему люди пытаются сделать электромобиль самостоятельно

Вопрос, почему кто-то решил сделать электромобиль своими руками, имеет множество ответов. Ведь у каждого могут быть свои мотивы. Кому-то просто интересно сделать что-то самостоятельно, другие пытаются сэкономить, третьи не доверяют производителям и так далее. Поэтому вопрос изготовления электрокара самостоятельно является сугубо личным.

При этом важно отметить один довольно важный фактор: современные электромобили, как правило, имеют стоимость приблизительно на 30% выше, чем альтернативная модель с двигателем внутреннего сгорания.

Завышенная стоимость объясняется тем, что в электрокары устанавливаются дорогие батареи, а также недешевое электрооборудование (силовая установка с контроллерами). Поэтому когда в гараже стоит довольно старая машина, которую в принципе уже и не жалко, многие решаются сделать из нее дешевый электромобиль, сэкономив значительную сумму на кузове и большинстве кузовных деталей, а также на шасси.

Стоит ли делать электрокар самостоятельно

Ответ на вопрос, стоит ли создавать самодельный электромобиль, зависит от наличия у вас свободного времени, свободных финансов, а также достаточной мотивации.

Как бы вы ни старались сэкономить, даже при наличии подходящего для переделки автомобиля вам потребуется серьёзно потратиться на покупку комплектующих (по большей части для электрической силовой установки)

И если есть заинтересованность и средства для данного мероприятия, то вполне возможно создать авто с электроприводом, с неплохим запасом хода и ходовыми характеристиками. Причем ходовые качества будут напрямую зависеть от выбранного «донора» (автомобиля для переделки).

Принцип работы электродвигателя

Для практического изготовления требуется наличие теоретических знаний.

Законы физики говорят о том, что если в магнитное поле поместить проводник с электрическим током в виде рамки, то на него будет действовать сила заставляющая рамку вращаться.

Если добавить еще одну рамку под углом или менять направление тока, то вращение будет непрерывным. В электродвигателе функции создания магнитного поля выполняет статор, а вращающуюся рамку заменяет ротор или якорь.

Устройство

Как устроен двигатель электромобиля?
При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.

1. Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
2. Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.

Ротор

Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.

• Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
• Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
• Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).

Статор (индуктор)

Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:

• Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
• Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
• Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.

Виды

Электродвигатели классифицируют по типу питания привода, конструкции щеточно-коллекторного узла, количеству фаз для запитывания:

• По типу питания привода. Устройства делятся на моторы переменного и постоянного тока. Двигатели постоянного тока способны обеспечить более точную и плавную регулировку оборотов, высокий КПД. Двигатели переменного тока выручают, когда важна высокая перегрузочная способность. Это удачный вариант для подъёмно-транспортных машин. Впрочем, существуют и универсальные моторы, которые функционируют от переменного и постоянного тока.
• По конструкции щеточно-коллекторного узла. Выпускаются бесколлекторные и коллекторные моторы. Бесколлекторный мотор работает за счёт движения ротора с постоянным магнитом. У конструкции нет щеточно-коллекторного узла. Решение обеспечивает достойный крутящий момент, широкий диапазон скоростей и высокий КПД. Важные преимущества бесколлекторного мотора – надёжность, способность к самосинхронизации, возможность подпитываться при переменном напряжении. Ресурс бесколлекторного мотора ограничен исключительно ресурсом подшипников. У коллекторных моторов присутствует щелочно-коллекторный узел. Удобство решения связано с тем, что он может использоваться и в качестве переключателя тока в обмотках, и как извещатель положения ротора, нет необходимости в контролле. Проблема коллекторных моделей – в том, что они зависимы от постоянных магнитов, которые, как известно, со временем, к огромному сожалению, теряют свои свойства.
• По количеству фаз для запитывания. В зависимости от того, как запитывается обмотка, электродвигатели бывают однофазными и трёхфазными. В автомобилестроении широкое распространение получили трёхфазные решения, это связано с рядом технических характеристик (мощность, перегрузочная способность, частота вращения на холостом ходу).

Обратите внимание! Работать трёхфазные моторы могут синхронно и асинхронно, а в качестве ротора используются как короткозамкнутые, так и фазные модели. Самый популярный вариант – трехфазные асинхронные моторы с короткозамкнутым ротором. Они стоят на большинстве современных электрокаров.

Асинхронные и синхронные

Синхронные моторы – двигатели переменного тока, у которых частота вращения ротора идентична частоте вращения магнитного поля (измерение производится в воздушном зазоре). В автомобилестроении синхронные моторы встретить можно нечасто (хотя в мире техники – это, в целом, очень популярное решение – особенно в климатотехнике, насосных системах).

Но есть производители авто, которые при производстве электрокаров предпочитают устанавливать на свои машины именно синхронные двигатели. Яркий пример – концерн Renault. Синхронными двигателями на электромагнитах он оснастил электрокар Renault Zoe. На электромагниты подаётся постоянный ток. Полярность магнитов ротора стабильна. Полярность магнитов статора при этом изменяется и обеспечивает бесперебойное вращение.

Преимущество синхронных двигателей на электромагнитах у авто – максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения. И главный «конёк» авто с таким типом электродвигателя – полная безопасность при буксировке.

Гораздо более популярный вариант – асинхронные двигатели. Это двигатели переменного тока, у которых потенциал напряжения – магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х.
Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила.

Двигатель-колесо

Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя- колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо.
Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС.

У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором.

Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД.

Назначение тягового электродвигателя

Электродвигатель тяговый (ТЭД) предназначен для приведения в движение транспортного средства, т.е. он преобразует в механическую, энергию электрическую. Их классифицируют по способу питания, роду тока, конструктивному исполнению, типу привода колесных пар. В большинстве экологичных машин: гибридных авто, серийных электромобилях, авто на топливных элементах, которые в наши дни приобретают завидную популярность, они являются основной движущей силой.

В качестве двигателя используют в них моторы тяговые постоянного тока, которые работают в  двух режимах – двигательном и генераторном.

Принцип работы

В основе их работы лежит принцип электромагнитной индукции, т.е. возникновение в замкнутом контуре электродвижущей силы при изменении магнитного потока. От традиционной машины электромеханической ТЭД отличается  большей мощностью, более компактными размерами, а кроме этого, у него более высокий КПД.

По способу питания моторы делятся на двигатели постоянного и переменного тока. По числу фаз – на:

• однофазные (с одной обмоткой, подключаемой к сети однофазной переменного тока),
• двухфазные (две обмотки, расположенные под углом девяносто градусов),
• трехфазные (три обмотки с магнитными полями через 120 градусов).

По исполнению конструктивному двигатели могут быть: коллекторными, преимущественно работающие на постоянном токе (универсальные современные  могут также работать и на токе переменном), бесколлекторными, синхронными, асинхронными. Наконец, по способу возбуждения они делятся на: двигатели с последовательным, параллельным, последовательно-параллельным возбуждением и от постоянных магнитов.

Основные характеристики тягового электродвигателя электрического автомобиля

В современных авто электродвигатель может быть от переменного или постоянного тока. Основной его задачей является передача на движитель авто крутящего момента. Основными характеристиками ТЭД помимо максимального крутящего момента и мощности, являются: частота вращения, ток и напряжение.

В автомобилях чаще используют коллекторные двигатели (один из них благодаря способности вращаться в обратную сторону, может работать как генератор). Но, в отдельных моделях устанавливают электрические моторы и других типов – магнитоэлектрические моторы, подразделяющиеся на двигатели переменного и постоянного тока. Тяговые двигатели электрические, установленные в электромобилях, от других электромоторов не отличаются по конструкции.

Порядок работ по изготовлению электромобиля

Начинаем переоснащение машины с неполной ее разборки, для чего снимаем капот, фары, радиаторную решетку и сам радиатор, а также верхнюю планку.

Собственно работы по переделке проводятся в такой последовательности:

Выкручиваем крепежные болты, отсоединяем выпускной коллектор и демонтируем головку блок, а также откручиваем зубчатый шкив привода ГРМ.

Снимаем головку блока цилиндров, картер, разъединяем хомуты на шатунах и вытаскиваем из цилиндров поршни.

Демонтируем с блока цилиндров помпу.

Берем стальную пластину, делаем разметку для ее крепления при помощи болтов ГБЦ и на станке высверливаем отверстия под них и под посадочные места электродвигателя.

Подготовленное основание под привод размещаем на верхней плоскости блока цилиндров и прикручиваем его болтами.

Устанавливаем и крепим электродвигатель.

На коленвал и вал привода надеваем при помощи шпонок зубчатые шкивы ремня привода ГРМ и фиксируем их болтами.

К электродвигателю подсоединяем контролер и литий-ионный аккумулятор.

Надеваем на шкивы ремень, который должен иметь хороший натяг.

Тросик от педали газа крепим при помощи винтового хомута, затянутого на отверточной ручке.

Последняя в свою очередь установлена на оси регулятора напряжение, таким образом что воздействие на нее вызывает изменение положения регулятора. Вследствие этого происходит изменение скорости движения электромобиля.

Переоснащение машины с двигателем внутреннего сгорания на привод от электрического двигателя завершен.

Управление машиной ничем не отличается от обычного транспортного средства: садимся за руль, включаем подачу напряжения на электромотор, выжимаем сцепление, включаем передачу, и медленно отпуская педаль, добавляем газу.

Машина трогается плавно и неплохо набирает скорость, испытания на ровном участке дороги с твердым покрытием она развила до 50 км/ч.

Последовательность изготовления детского электромобиля

Для начала определимся с дизайном, ведь для детей внешний вид очень важен. Тут ограничений никаких, и если корпус изготавливаем сами, можно скопировать его с любой детской или взрослой машины. Кроме того, можно разработать конструкцию в виде самолета, корабля, ракеты или какого-нибудь животного.

Продумаем тип управления, рулевой и тормозной механизм, выбираем комплектующие из имеющихся в хозяйстве или доступных в продаже.

Далее собираем все комплектующие вместе, для крепления используем необходимые винты, уголки, хомуты, можно прибегнуть к сварке или пайке швов.

Раму желательно сделать покомпактнее, учитывая размеры всех узлов, с надежной стыковкой элементов. Таким образом авто будет прочнее, маневреннее и легче, это позволит обойтись мотором и аккумулятором попроще.

Из чего выполнить кузов

Для создания формы подойдут пенопласт, пластик, листовой метал и даже плюшевые игрушки.

Традиционно рама для детских автомобилей веками делалась папами из стали или дерева. Но ведь сейчас доступны материалы посовременнее, ничем не уступающие в конструировании металлу. Например, из ПВХ-труб можно с легкостью вырезать и спаять прочное основание, выдерживающее солидный вес, вибрации и удары: резка и пайка данного материала не составляет особого труда, углы получатся гладкие, травмобезопасные, и шума при езде конструкция издавать не будет.

Подбираем электромотор

Двигатель для электромобиля можно выбирать из любой техники, питающейся напряжением 12-24 вольт, например, автомобильные моторчики.

Для самых маленьких деток – на толокары – подойдет моторедуктор стеклоочистителя, развивающий приличное тяговое усилие на скорости 1-2 км/ч при мощности всего 7-20 Вт.

Для быстрой езды уже потребуются движки от 100 Вт, например, с вентилятора системы охлаждения. Также прекрасно подойдет моторчик из шуруповерта, использовать который можно совместно с «родными» редуктором и регулятором оборотов.

Выбор аккумуляторной батареи

Источник питания можно использовать готовый, номиналом 12-24 вольт, для этой цели подойдут:

• автомобильный или мотоциклетный (свинцовый);
• с компьютерного бесперебойника (гелевый или AGM);
• от шуруповерта (никель-кадмиевый или литиевый).

Можно также собрать батарею из доступных ячеек, например, телефонных аккумуляторов или элементов 18650, используемых в тех же шуруповертах и ноутбуках, спаяв их последовательно и уложив в подходящий корпус (или смотав изолентой).

Организация электропитания двигателя

Для запитки достаточно подключить провода от АКБ к электромотору через кнопку выключателя, но на мощных двигателях это приведет к рывкам при езде. И если скорость машинки с шуруповертным моторчиком может превышать 10 км/ч, то набрать ее аппарат попытается уже с места, норовя буксануть или даже встать на дыбы.

Отличным вариантом будет подключение двухступенчатой кнопки или педали акселератора с первым положением через резистор, а вторым – напрямую. Пусковой ток будет значительно ниже, что продлит время езды до полного разряда.

Но лучше всего использовать ШИМ-регулятор, можно от того же шуруповерта, или собранный самостятельно. С широтно-импульсной регулировкой скорость варьируется очень плавно, причем без потери крутящего момента.

Штатная кнопка шуруповерта при повышенных нагрузках и длительной езде может перегреваться и выходить из строя. Так что лучше сразу доработать плавный ход, установив увеличенный радиатор на микросхему, и позаботиться об его хорошем обдуве.

Зарядное устройство

Зарядку стоит выбирать в зависимости от используемого аккумулятора. В продаже можно найти любые зарядные устройства, как для определенных батарей с конкретным номиналом, так и универсальные, с регулируемыми напряжением и током.

Варианты рулевого управления и системы торможения

При проектировании рамы первым делом нужно продумать, как управлять детским транспортом. Для этого потребуется настоящий рулевой механизм с хорошим запасом прочности, особенно для более «взрослых» моделей. Его можно выполнить по примеру толокаров, когда колеса закреплены на одной жесткой оси и крепятся к основанию втулкой под рулем.

Можно соорудить и автомобильную трапецию, которая хоть и посложнее, но имеет ряд преимуществ:

• меньший радиус разворота;
• высокая прочность;
• компактное исполнение;
• возможность крепления колес на пружинной подвеске.

Трущиеся соединения очень желательно выполнить на подшипниках: так, кроме износостойкости, мы получим тихую работу всех узлов.

Для торможения можно просто коротить контакты двигателя: опять же лучше использовать двухступенчатый контакт через сопротивление при плавном нажатии.

Подойдет и прижим тормозных колодок или резинок к задним колесам; такой способ может еще служить стояночным тормозом. Для скоростных моделей можно прибегнуть к дисковым тормозам от горного велосипеда, но это скорее для уличных соревнований, чем для ежедневных покатушек.

Электронная педаль газа

Обычная кнопка, установленная на руле или под ногой маленького водителя, не вызовет столько восторга, как настоящая педаль газа; так как готовых электропедалей не так много в продаже, да и цена на них не маленькая, встаёт вопрос, как сделать самому акселератор.

Изготовить педаль газа (как и тормоза) совсем не трудно. Здесь понадобится пластина из пластика, фанеры или металла, которую придется закрепить на оси под углом примерно 45°. Для возврата в исходное положение прикрепим пружину или даже резинку.

Сам регулятор тяги можно установить непосредственно под педалью, а для плавного регулирования скорости – через небольшой рычаг.

И раз уж всё по взрослому − без реверса не обойтись. Тут достаточно лишь подключить тумблер, меняющий полярность питания двигателя. Так как задний ход на полной скорости ребенка вряд ли устроит, последовательно с движком в цепь реверса подсоединяется сопротивление, например, лампочка 12 В (мощностью 20-50 Вт), которая может имитировать фонарь заднего хода настоящего автомобиля.

Выбор редуктора, трансмиссии и колес

Для передачи вращения на колеса необходим понижающий редуктор, и шестеренчатый от шуруповерта вполне подойдет. Правда, используемые в нем втулки придется заменить на подшипники аналогичного внутреннего диаметра, так как боковые нагрузки приведут к быстрому износу. Для других типов двигателей можно использовать ременную или цепную передачу с разным диаметром шкивов или звездочек.

Колеса лучше выбрать мягкие, даже надувные, от детского велосипеда или коляски. Также подойдут колеса от тележек, представленные в разных размерах в строительных магазинах.

Моторчик удобно разместить перед одним из задних колес, чтобы шкивы или звездочки совмещались. Шкив крепим к колесам болтами, предварительно центрируя.

Для лучшего прохождения поворотов задние колеса должны вращаться независимо. Привод в таком случае идет на одно колесо. При модернизации легко доставить дополнительный электромоторчик, запитанный параллельно первому.

Движущиеся части обязательно закрыть щитком в целях безопасности.

Подключение пульта к электромобилю

Для совсем маленького ребенка, не освоившего еще навыки вождения, можно организовать катание под управлением родителей – через пульт на небольшом проводе. Вопрос, как настроить пульт, для папы, собравшего электрокар, затруднений не составит: к контактам регулятора подключаемся от двух проводов, на конце которых присоединяем кнопку или пульт из нескольких.

Если вы не желаете бегать за машинкой по детской площадке, а хотите управлять ею на расстоянии, стоит задуматься, как установить дистанционное управление на электромобиль. Тут затруднений в наше время возникнуть не должно, ведь даже если у вас нет знаний в области электроники и радиотехники, можно приобрести готовый пульт с дистанционными контактами и даже с приводными механизмами, которые легко заставить поворачивать колеса.

Кстати, для поворота колес можно подключить автомобильный дверной электрозамок. И если поначалу он послужит родителям, то в старшем возрасте ребенок получит большую машинку на пульте, стоимость которой в магазине весьма серьезная.

Удобное кресло

На жестком кресле долго не поездишь, от  исполнения этой детали в основном и зависит комфорт малыша. Покупать готовое кресло не обязательно, так как особых затрат времени и средств на его изготовление не требуется. Достаточно вырезать из фанеры небольшое основание и спинку, прикрепить их к кузову и обшить поверхность любым материалом.

В качестве набивки можно остановиться на поролоне, взять кусок старого пальто или шубы. Но особенно для решения такой задачи ценен латексовый наполнитель автомобильных кресел, найти который нетрудно на разборках. Кроме невероятной мягкости, материал обеспечит вентиляцию сидения, что в жару очень пригодится.

Электродвигатель из жестяной банки от «Пепси-Колы»

Для такой самоделки понадобятся следующие комплектующие материалы и инструменты:

• пустая алюминиевая банка от газированного напитка, которая послужит основой для ротора;
• катушка от швейной машинки;
• медная изолированная проволока диаметром около 0.35 мм, длиной примерно 10 метров;
• деревянная дощечка толщиной 10–15 мм, по габаритам в соответствии с размерами банки от «Пепси-Колы»;
• 4 (четыре) круглых постоянных магнита в виде тонких пластинок, которые будут создавать магнитное поле вместо статора;
• металлическая вязальная спица;
• два небольших деревянных бруска размерами 15×15×60 мм;
• короткий брусок в виде кубика с размером стороны 15 мм;
• медная проволока толщиной 1.0 мм для изготовления контактов;
• для фиксации катушки потребуется саморез 3.5×30 мм, а для закрепления контактов — саморезы 2×15 мм (3 шт.) и 3 широких шайбы под них;
• источник питания 12 В;
• тюбик суперклея;
• штангенциркуль и чертилка для разметки;
• маркер для нанесения точек разметки;
• ручная электрическая дрель;
• мультиметр для проверки наличия контакта;
• набор отверток, нож для зачистки, пассатижи, бокорезы и возможно другой инструментарий для монтажа электрической проводки.

Порядок проведения работ

Рекомендуем выполнять работы в следующей последовательности.

• Вручную аккуратно намотаем медную проволоку на катушку. Обязательно фиксируем концы.
• По центру деревянной дощечки закрепляем намотанную катушку, которая уже превратилась в электромагнит, с помощью длинного самореза.
• Размечаем с помощью маркера места нахождения постоянных магнитов, как на изображении:
• Наклеиваем на обозначенные места магниты, соблюдая при этом их полярность.
• С помощью дрели сверлим по центру банки отверстия под ось (вязальная спица).
• Устанавливаем в эти отверстия спицу.
• В деревянных брусках 15×15×60 мм с одного из краев сверлим отверстие под спицу.
• Закрепляем с помощью клея на деревянной дощечке конструкцию ротора с деревянными брускам (подставками).
• На спицу (ось ротора) дополнительно устанавливаем брусок в виде кубика, при этом его ребро должно совпадать с осью установки магнитов.
• Из медной проволоки толщиной 1.0 мм изготавливаем управляющие контакты, один конец которых закрепляем на деревянном основании. Расстояние между контактами подбирается таким образом, что вращаясь, кубик должен их замыкать при касании ребра.
• Контакты электромагнита зачищаются и подключаются к части контактов толстой медной проволоки, закрепленной на деревянном основании.

После подключения источника питания 12 В двигатель может работать.

Как вам статья?