12 sept. 2014

DIY Convierte tu bici en eléctrica tú mismo - Paso 2/5: Monta el motor y freno de disco en la bici

2: Colocando el motor en la bici
En esta entrada os explicaré cómo he colocado la llanta con el motor del kit en la bici, pero antes de entrar en los detalles del montaje, vamos a ampliar la información de la primera entrada sobre los motores que podemos usar para nuestra bici.
En teoría se podría usar cualquier tipo de motor entre 150 y 1000W (o más, pero poner de más me parece innecesario y peligroso), con o sin escobillas, etc, pero si pensamos usar mucho la bici, es mejor gastarse algo más en un buen motor de corriente contínua sin escobillas (BrushLessDirectCurrent BLDC) que nos durará tanto como la propia bici (mientras no lo quememos por sobrecalentamiento), ya que la única parte mecánica, los rodamientos, duran casi toda la vida y pueden cambiarse si fuera necesario.
Los motores de escobillas tienen la ventaja de ser más sencillos de manejar (no requieren de un controlador electrónico), sin embargo requieren de mayor mantenimiento al traer piezas que se desgastan (escobillas, y engranajes si tienen).
Curva de eficiencia del motor utilizado; sube dramáticamente a partir de 400 RPM y a partir de ahí se mantiene
Entre los BLDC tenemos pequeños motores de 250/380W con engranajes para aumentar el par, sus engranajes suelen ser de nylon y tras unos pocos miles de km. suelen fallar (aunque se pueden conseguir repuestos de metal). Éstos motores son los recomendados para gente que usa la bici para paseos, y para tener una ayuda con las pequeñas cuestas; son pequeños y económicos.
Golden Motor y otras marcas tienen disponibles motores sin escobillas ni engranajes desde 250W y 2,5 kg. de peso el motor delantero; siempre es preferible en una bici un motor BLDC directo sin engranajes ni escobillas por las siguientes razones:
  • Son los más eficientes (hasta el 97% de eficiencia).
  • Muy buena relación potencia/peso.
  • Muy bajo mantenimiento.
  • Alta aceleración (no hay nada mecánico que lo limite; el límite suele ser electrónico).
  • Velocidad controlable con precisión.
  • Bajo ruido en funcionamiento (tan sólo un suave rrrr a bajas revoluciones).
Como ya comenté, si queremos subir cuestas empinadas necesitamos uno de 500W al menos para que pueda ir holgado y no se sobrecaliente; en días de calor el motor de mi bici apenas se calienta al subir una cuesta de 500 mts y 10% de inclinación.
Como ya comenté, os recomiendo leer el blog de Sebastián Reyes, sobre todo esta entrada para elegir el kit más adecuado para tus necesidades. En esta página de Golden Motors hay una buena comparativa de rendimientos y recomendaciones de los distintos motores.
Yo escogí el Prokit 901, un kit compuesto de llanta con motor GoldenMotor sin escobillas que puede trabajar a 24/36/48V (500/720/1000W), controlador, manetas (la derecha con acelerador tipo moto), y un par de interruptores para el claxon y la velocidad de crucero.
Este motor corre unos 38 kms/h con una batería de 36V y 20Ah (lo he comprobado), y según las especificaciones podemos alimentar el Prokit 901 con hasta 60V; ¡no me imagino a qué velocidad podría ir con ese voltaje!
Un montador estadounidense ha conseguido ponerlo a ¡120 kms/h!. Eso sí, teóricos en vacío, a 1050 rpm. y funcionando a 72V, supongo.

Montando la llanta con motor en la bici

Yo he preferido un motor trasero por evitar problemas con la horquilla y amortiguador a estas potencias (A 48V y 21A puede llegar a los 1000W), reservando sólo motores pequeños (250W) para la rueda delantera, además de que la bici es más manejable con motor trasero.
La pega que puede tener en la rueda trasera es a la hora de reparar un pinchazo; para ello es conveniente poner cable holgado, o mejor, conectores rápidos para los cables (fases y hall), y llevar en un pequeño estuche en la bici la herramienta necesaria (llaves, parches, etc).
Una buena opción es meterle a la rueda trasera al menos una banda anti-pinchazos de piel tipo Fundax o de kevlar; queda entre la cubierta y la cámara y evita en gran medida los pinchazos, además no dañan la cámara como las de plástico.
El Prokit 901 trae un controlador BAC-281 de 50A pico (30A contínuos) que está muy bien, pues también puede funcionar sin sensores hall (en caso de que falle alguno), además de traer control de velocidad crucero, claxon, sistema antirrobo, etc, aunque su programa de configuración por PC trae pocas opciones modificables:



Pero vayamos al tema del motor del kit, pues para poder probarlo necesitamos colocarlo en su sitio (o fijar el eje de forma segura para no dañar el cableado).
IMPORTANTE: Antes de nada, tenéis el manual de montaje de este kit en este enlace (inglés), ahí se indican todos los pormenores a tener en cuenta.
Primero lo coloqué a presentación para ver dónde podían venir las pegas que se veían venir por la arandela de seguridad y el tamaño del eje, y comprobar la distancia que quedaba.
Hay que observar que la llanta no viene con piñones, por lo que hay que comprar un conjunto de piñones de 7 cambios (a rosca); en la tienda te lo pueden colocar en un segundo, basta con enroscar el conjunto y ya queda fijo.
También viene preparada para poner disco de freno, pero muy poco espacio para él, como veremos.


El eje viene aplanado para que encaje y no pueda girar (si lo hiciera se dañarían los cables ya que el estátor donde va el inducido debe permanecer quieto mientras gira el exterior o rotor, donde van los imanes y que está unido a los radios), y tenía un poco más de medida que el hueco del soporte, por lo que utilicé el dremel de manualidades con una muela pequeña de piedra cilíndrica para desgastar un poco las caras donde iba alojado hasta que entrara bien.


Trae arandelas de seguridad con un lado metido para amarrar el eje al cuadro, pero como en este cuadro no coincidía con ninguno, la modifiqué aplanándola y soldando una pequeña escuadra de inox. Así sigue cumpliendo su función, que es que en caso de aflojarse las tuercas de la rueda, no se saliera de su sitio.


Teniendo en cuenta la fuerza que puede llegar a hacer este motor, toda seguridad es poca.



Y así quedaría en el lado del disco de freno (aún sin apretar):




Colocar cámara y neumático
Colocamos el neumático en la posición correcta (fijaros en las indicaciones laterales del neumático), y antes de poner la cámara, como he indicado, limitaremos mucho los pinchazos si colocamos una banda de protección Fundax o similar, adecuada para tu bici contra el neumático.


Vamos introduciendo la cámara en su sitio metiendo primero la válvula en su agujero. Ésta es una llanta reforzada (para aguantar el caballo de fuerza que puede tener, sumado a la nuestra), por lo que la válvula sobresale tan sólo 1 cm, y ni siquiera se puede poner un tapón sin cortarle la mitad. Es recomendable poner una arandela para fijar la válvula en su sitio y que no pueda torcerse en caso de que el neumático tire a un lado  (como suelen llevar las válvulas de cámara estrecha como las de ciclismo). De todas formas, para evitar ésto debemos mantener siempre bien inflada la rueda ya que sólo podría ocurrir si está poco inflada y ejercemos mucha fuerza en la rueda (que con un motor puede pasar). Evitaremos cualquier problema si le ponemos una cámara de válvula más larga, disponibles bajo pedido.


A falta de herramientas adecuadas, he utilizado cucharas para encajar el neumático, ya que tienen los cantos matados y no suponen ningún peligro para la cámara ni neumático:


Para terminar vamos inflamos a la mitad la rueda y la deslizamos en el suelo para comprobar que todos los lados del neumático quedan bien encajados en la llanta, y terminamos de inflar hasta la presión correcta.


Finalmente, como comenté posteriormente, introduje la banda de protección antipinchazos Fundax sin soltar la rueda para evitarme el engorro de soltar cables, pero sino, es más sencillo con la rueda suelta y antes de poner la cámara, como recomiendan en su web.


Con cuidado de que quedara bien centrada y sin ningún pliegue:


Colocando el freno de disco
Con el peso que adquiere la bici, y a las velocidades que podríamos llegar a alcanzar, lo más recomendable es sustituir al menos uno de los frenos de zapatas por otro de disco y pastillas de mayor duración y fiabilidad, si queremos poder frenar en poca distancia.
Yo he optado por uno de los más económicos de cable, aunque si podéis, mejor colocar uno hidráulico con disco sin perforaciones (desgasta más las pastillas y lo veo innecesario a menos que nos dediquemos al descenso).


La pega de este motor es que ocupa parte del espacio normalmente reservado para la mecánica del freno de disco, y tras colocar en el cuadro el freno, éste me pegaba en la tapa del motor (tal vez sea sólo este modelo, que lleva cambio rápido de pastillas a ambos lados), y me ví obligado a cortar el eje que presiona la pastilla interior al límite sin que impida su normal funcionamiento, aunque el cambio rápido de pastillas tal vez quede anulado (obligando a soltar el freno para ello).

Con una lija o amoladora con disco de corte, corté con cuidado el trozo de eje que sobresalía
En la imagen siguiente se puede apreciar lo justo que queda el freno de la tapa.


Además la posición de las pastillas quedaba tan exterior que apenas rozaba el disco por el exterior, por lo que tuve que comer un lado de las arandelas de posicionamiento (las interiores) para que las pastillas hicieran contacto en toda la superficie de frenado posible:

El freno ya instalado y funcionando; con la tuerca negra regulamos la tensión
Por otro lado, hay que dejar sobrante del cable que va al motor, para que en caso de pinchazo, no nos quede tan justo que al soltarlo (en mi caso cortando las bridas de electricista con las que lo sujeto) no nos quede espacio de maniobra para poder sacar la rueda de su sitio y acceder a la cámara.
Recomiendo colocar un poco de silicona sobre el muelle por donde salen los cables del interior del eje para que no pueda entrar agua por ahí.

Detalles técnicos y funcionamiento
El Prokit 901 sin escobillas tiene desde 200 a 1000W (según amperaje y voltaje); maneja desde 24V a 60V, y tiene 46 imanes de neodimio permanentes en la rueda (rotor), con 51 polos en el eje (estator).
En el ejemplo de la foto, los polos son de cobre y los imanes son los pequeños segmentos rectangulares grises del exterior, con 3 sensores Hall que detectan la posición de la rueda monitorizando un imán que pasa cerca del sensor.

Imagen de un motor parecido sin tapa (cambia nº de polos e imanes) Fuente
Como se ve en la imagen inferior, los polos están en grupos de 3, con el polo central bobinado en la dirección opuesta a los otros dos. Los imanes alternan su polaridad, de forma que cuando la corriente pasa por el primer grupo de polos en una dirección, atrae el imán siguiente y repele el anterior, produciéndose el movimiento, que se perpetúa al alternar las fases. Si os fijáis en los colores, rojo, verde y azul, cada color es una fase, la corriente circula en sentido contrario en cada fase, y el controlador, según la posición que indican los sensores Hall (colocados a 120º la mayoría de las veces), alternan la corriente de las fases, más rápidamente cuanto más revoluciones por minuto gira la rueda, y activan sólo dos fases en cada momento (podéis verlo mejor en este vídeo).

Fuente
Los transistores MOSFET del controlador controlan la dirección y cantidad de esta corriente, por lo que regulan la potencia y giro de la rueda según la posición que indican los sensores Hall. Dependiendo del controlador, pueden haber dos MOSFET o más controlando cada fase (según la potencia del mismo), la mitad controlando el positivo y la otra mitad el negativo. Uno de los sensores hall detecta cuando un imán está cercano, enviando una señal al micro-controlador para activar los transistores de potencia (MOSFET), controlando el flujo de electricidad y la dirección.
A más electricidad el campo magnético es más fuerte, por lo que se aumenta la fuerza y velocidad.
Mayor voltaje implica mayor corriente, esto es por lo que mayor voltaje significa mayor velocidad tope (RPM).

Hall AHall BHall CFase rojoFase azulFase verde
101NCV DC-V DC+
100V DC+V DC-NC
110V DC+NCV DC-
010NCV DC+V DC-
011V DC-V DC+NC
001V DC-NCV DC+


Hay controladores (como el incluído con el prokit 901) que también pueden funcionar con sensores dañados o no funcionales determinando la posición midiendo la electricidad que inducen los imanes sobre las bobinas con el movimiento. Esta forma de funcionar requiere que el motor esté en movimiento, por lo tenemos que empezar a movernos para poder aplicar fuerza, y a menos que el controlador sea de calidad, la precisión es menor que con sensores Hall a bajas velocidades, por lo que la potencia máxima y velocidad bajan ligeramente.

Este motor obtiene su mejor rendimiento funcionando a 11A y 36V (81,4%); aquí la curva de eficiencia.

Obteniendo más potencia de tu motor sin freírlo
El enemigo público nº1 de cualquier motor eléctrico es la temperatura. Además, la potencia de estos motores sólo está limitada por el calor generado. Hay controles como los de Kelly que incluyen sensor para temperatura del motor, aunque para colocarlo a este kit requeriría abrirlo y modificarlo, añadiendo un par de cables finos a los de las fases y hall y pegando una sonda en el estátor.
Cuando subo la cuesta a mi casa la temperatura del motor es saludable, tendrá unos 30ºC, pero me preocupa que en una ruta por cuestas interminables pueda freírlo, así que me plantearé esa modificación en caso de hacer rutas parecidas con ella.
Un motor de 1000W como el comentado podríamos sobrealimentarlo con 60V y 25A, opteniendo 1500W con los que correría más de 60 kms/h, y podría dar esa potencia durante un rato, pero no todo el tiempo pues podría sobrecalentarse y quemarse su bobinado, ya que la principal pega de los motores de bici es la escasa ventilación al no poderse colocar ningún tipo de ventilador (aunque sí podría tener resultado colocar algún tipo de disipador de aluminio; un disco alrededor el interior de forma que al girar elimina calor del rotor, enfriando el conjunto funcionaría).

En la mañana de ayer cayó una tormenta veraniega estando la bici en la calle (34 lts/m2 en pocos minutos), una verdadera ducha para la bici. Por suerte ya había sellado con silicona aquellos sitios por donde el agua pudiera colarse, y en el cuadro dejé bien sellado por la parte superior y abierto por la inferior para que la poca agua que pudiera colarse saliera con libertad y no se acumulara.
Es por situaciones como ésta por las que no recomiendo hacer agujeros de ventilación a las tapas del motor, sino sellarlo bien con silicona, que se puede retirar en caso de mantenimiento.
Aunque un motor con ventilación y algún líquido aceitoso protector contra la corrosión podría dar buen resultado, ya que pocas veces la usaremos con lluvia.

Bueno, esto es todo por ahora sobre el motor; en las próximas entradas veremos cómo montar la caja de baterías de forma ligera y resistente, analizaremos los diferentes controladores disponibles (dependiendo de lo que te quieras complicar la vida) y programaremos un Kelly, para finalmente analizar las cosas mejorables y las sensaciones generales de este proyecto. Pásenlo bien!

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