Колесо с мотором

Идея применения электромотора, интегрированного прямо в колесо, давно привлекает разработчиков гибридов и электромобилей. Электрические мотор-колеса наделяют машину невиданными возможностями и преимуществами.

Устройство и премущества мотор-колеса

Во-первых, отпадает необходимость в трансмиссии – сцеплении, коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это существенно снижает вес, а снижение веса – это дополнительная экономия топлива и снижение вредных выбросов. Кроме того, уменьшается стоимость автомобиля и снижаются затраты на его обслуживание и ремонт. Конструкция существенно упрощается, а, как известно, чем проще – тем надежнее. Отсутствие узлов трансмиссии освобождает больше полезного объема для размещения пассажиров и груза и позволяет конструкторам и дизайнерам шире проявить фантазию.

Во-вторых, машина получает отличную динамику: компактные и легкие электродвигатели развивают максимальный крутящий момент сразу же, как только на них подается питание. Значения крутящего момента могут достигать 700 Н*м.

В-третьих, управляемое мотор-колесо делает автомобиль чрезвычайно маневренным – ведь все колеса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Машина способна разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия.

В-четвертых, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы регенерации энергии торможения.

В-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения – любые алгоритмы систем ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и других легко программируются в блоке управления и могут воздействовать на каждое колесо индивидуально.

Недостатки мотор-колеса

Но на пути массового внедрения мотор-колес стоит и несколько нерешенных пока проблем. Главная из них – масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижают комфорт и управляемость, повышают износ подвески, передают на кузов больше вибраций. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто.

Практические разработки Michelin

Французская компания Michelin, всемирно известная не только своими разработками в области шин, но и исследованиями по созданию экономичного и экологически чистого транспорта, уже пятнадцать лет занимается разработкой инновационных мотор-колес для электромобилей. Мотор-колеса «Michelin active wheel» совмещают в одном узле тяговый электродвигатель, элементы управления и подвески и тормозной системы. Они могут применяться как в переднеприводном, так и в заднеприводном варианте, в зависимости от условий эксплуатации.

И все это при общем весе 35 килограмм, что не превышает вес обычного колеса легкового автомобиля! Ключевое место в этой технологии моторизированного колеса занимает миниатюрный электродвигатель. Разработанный Michelin, на сегодняшний день он является самым компактным на рынке. Беспрецедентное соотношение его мощности к массе предоставляет уникальную возможность для уменьшения неподрессоренной массы ходовой части автомобиля. Подобные попытки предпринимались и другими производителями, например Mitsubishi и Siemens, но они так и не дошли до серийного производства.

Мотор-колесо от Protean Electric

Несмотря на всю заманчивость идеи мотор-колеса, автопроизводители несколько лет назад отказались от нее из-за технических трудностей и недостатков. Но нашлись энтузиасты в лице американской компании Protean Electric, которая находится в полушаге от создания практической конструкции. Ее система под названием Protean Drive успешно прошла испытания на автомобилях Mercedes-Benz SLS AMG Coupe, Volvo C30, пикапе Ford F-150 и фургоне Vaxhaull Vivaro. В декабре 2012 года авторитетный американский журнал Car and Driver внес Protean Drive в десятку самых многообещающих технологий 2013 года. При ее разработке было получено 23 патента. Производственный образец компания продемонстрировала в апреле 2013 года, а полномасштабное производство планируется развернуть в 2014 году на вновь построенном заводе в Китае.

Protean Drive предназначена для использования в гибридных автомобилях и электромобилях. Причем она легко может быть адаптирована к уже выпускаемым моделям или для переоборудования автомобилей с ДВС в гибридные. С ее помощью можно реализовать передний, задний или полный привод. В комплект Protean Drive входит мотор, инвертор и блок управления с программным обеспечением. Все перечисленное легко помещается внутри обычного колеса размером от 18 до 24 дюйма. Благодаря прямому приводу отпадает необходимость в коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это ведет к уменьшению потерь на трение при передаче крутящего момента, позволяя сохранять энергию батареи и увеличить пробег без подзарядки. Protean Drive позволяет улучшить топливную экономичность более чем на 30%, в зависимости от размера батареи и режима движения.

Существенное снижение количества деталей приводит к значительному снижению стоимости, веса и повышению надежности. Высвобождаемое пространство «развязывает руки» дизайнерам и конструкторам, которым становится легче воплотить все свои творческие и технические замыслы. Каждое мотор-колесо может управляться контроллером независимо от остальных, что обеспечивает гораздо лучшую управляемость по сравнению с традиционными системами привода ведущих колес. Кроме того, мотор-колесо позволяет гораздо проще и эффективнее реализовать работу систем безопасности автомобиля – антипробуксовочной (traction control), контроля начала движения (launch control) и распределения крутящего момента (torque vectoring). К недостаткам следует отнести увеличение неподрессоренных масс и более слабое ускорение по сравнению с обычными автомобилями.

Мотор-колесо от Protean Electric на сегодняшний день имеет самые высокие показатели удельной мощности (110 л.с.) и крутящего момента (800 Нм) среди всех существующих электроприводных систем. И это при весе всего в 31 килограмм! Protean Drive также превосходит другие конструкции по возможностям рекуперации – до 85% энергии торможения используется для подзаряда батареи. Это позволяет увеличить пробег до 30%, уменьшить размеры батареи и снизить ее стоимость.

Зачем колесу мотор? Коротко и ёмко про электрическое мотор-колесо

Все мы привыкли к классической схеме построения автомобиля: двигатель (привычнее всего внутреннего сгорания — ДВС), трансмиссия (коробка передач, главная передача, раздаточная коробка, карданные передачи и приводные валы, но возможен не полный набор перечисленных элементов), колеса . Опустим прочий конструктив автомобильной техники и подробнее остановимся на трансмиссии, точнее на объяснении, зачем ее необходимо исключить и перейти на мотор-колесо!

Идея применения электрического мотор-колеса не нова, как могло бы казаться. В 1900 году был представлен сначала электромобиль Lohner-Porsche, а затем и его гибридное воплощение, в конструкции которого были применены электрические мотор-колеса.

По мере технического прогресса к теме применения индивидуального электропривода каждого колеса возвращались не раз, но и по сей день нет полностью серийного решения , которое бы попало на массовый рынок легковых автомобилей.

Так в чем преимущество мотор-колеса перед классической трансмиссией? Условимся, что будем рассматривать 2 схемы — классическую и последовательный гибрид.

+Плюсы

1. КПД

Рассмотрим эффективность передачи энергии от двигателя к колесу в привычной трансмиссии: крутящий момент тратится впустую на раскрутку инерционных масс, на трение в зацеплениях зубчатых колес, на перемешивание масла, на качение подшипников, и т.д. и чем больше трансмиссионных компонентов в цепи — тем ниже КПД. Для электропривода это 90-95% (для примера КПД у Tesla model S для электродвигателя 95%, для редуктора и главной передачи — 98%), в то время как полный набор трансмиссионных потерь классической схемы снижает его до 90%.

2. Масса

Если по КПД не все так убедительно, то у индивидуального электрического привода есть еще преимущество – масса! Выкинув все трансмиссионные узлы, мы можем снизить общую массу, т.к. от двигателя с генератором до мотор колеса пойдут только провода!

3. Доступность крутящего момента во всем диапазоне.

Несмотря на то, что электроприводы могут иметь различную конструкцию, им свойственна качественно иная характеристика крутящего момента от оборотов вращения — уже при нуле мы имеем максимальный момент, который начинает падать при достижении значений максимальной мощности. У ДВС ограниченный диапазон, который трансмиссия и призвана расширить.

4. Компоновка

Соединяя мотор-колеса лишь проводами, открываются значительные возможности по компоновке: можно избавиться от привычного центрального тоннеля, пол станет абсолютно ровным.

Но на фоне плюсов, разумеется есть и минусы, которые и тормозят развитие такого направления в автомобилестроении.

-Минусы

1. Недостаточный диапазон

При том, что крутящий момент доступен уже при нуле, сейчас электродвигателям (в частности безредукторым) не хватает диапазона, закрывается либо весь скоростной диапазон, либо тяговый. Проблему решает «переразмеренный» электродвигатель, но это увеличивает стоимость, габариты и массу!

2. Неподрессоренная масса

На фоне общего снижения массы всей системы в комплексе, её перераспределение происходит не лучшим образом: масса смещается в колесо, а это неподрессоренная масса, и чем она больше тем автомобиль становится менее комфортным и управляемым. Про это можете прочитать в данной публикации .

Перспективы

Мотор-колеса применяют сегодня в двух областях: очень легкая техника (велосипеды и скутеры) и очень тяжелая (карьерная и спецтехника). В этих случаях минимизируются недостатки такого технического решения, и на первый план выходят преимущества! Безредукторные мотор-колеса успешно прошли испытания на городском транспорте, на автобусах, и доказали экономическую эффективность такого решения, но начальная стоимость пока не дает выйти на массовый рынок!

Для лекговых автомобилей перспективой ближайших лет выглядит индивидуальный электрический привод колеса, вынесенный за его пределы под «брюхо» автомобиля.

Подробнее о различных технических решениях по гибридам и элекромобилям — в ближайшей из статей!

Полный привод и прибавка до 150 сил всего лишь заменой пары колёс

Американская фирма Orbis изобрела колесо заново, разместив в ступице электромотор, и придумала как эту конструкцию установить на обычный серийный автомобиль почти без переделок.

Встроенный в ступицу колеса электромотор – далеко не сенсация для автомобильного мира. Автором изобретения считается американец Веллингтон Адамс, придумавший конструкцию мотор-колеса ещё в 1884 году. Позже, в 1897 году, 22-летний Фердинанд Порше изготовил такой электродвигатель, а фирма, в которой он тогда работал, оборудовала ими электромобиль Lohner-Porsche. Впоследствии мотор-колёса стали применять на автомобилях и велосипедах. Однако, современная инженерия и новые материалы позволили усовершенствовать эту идею и адаптировать к автомобилям наших дней.

Читайте также:

В частности, американский изобретатель Маркус Хейс, основавший вместе со своим коллегой Скотом Стритером фирму Orbis, разработал собственную конструкцию мотор-колеса, которое можно установить на самый обыкновенный серийный автомобиль с минимумом переделок. Устройство назвали Ring-Wheel. При этом монтаж пары таких мотор-колёс может сделать любую моноприводную машину полноприводной, а также добавить ей мощности от 100 до 150 сил в зависимости от выбранных для этих колёс электромоторов.

Изобретение американцы впервые продемонстрировали широкой публике ещё в конце 2018 года на тюнинг-шоу SEMA, явив миру хэтчбек Honda Civic с установленными на заднюю ось мотор-колёсами Ring-Wheel и суммарной мощностью автомобиля за счёт них больше, чем у «Мустанга». Тогда же компания протестировала прототип на дороге, получив помимо прибавки мощности более быстрый разгон, а также снизив неподрессоренные массы и выявив приличную экономию бензина.

Колесо Ring-Wheel от Orbis представляет собой лёгкий алюминиевый диск (по сути, обод) с покрышкой на нём и размещённым на внутренней части тормозным механизмом. Компактный электродвигатель, вращающий кольцевую шестерню, находится на ступице со смещением и неподвижен. Вся конструкция ступицы мотор-колеса крепится к стандартным рычагам подвески автомобиля. На ней же размещён тормозной суппорт и треугольная система подшипников колеса. Их три: на два нижних опирается масса автомобиля, а третий удерживает обод от наклона во время движения. То есть всё довольно компактно и легко.

Такое 20-дюймовое колесо весит не больше стандартного легкосплавного диска «Сивика». Помимо уже описанной добавленной мощности, появления, по сути, ещё пары ведущих колёс, а также улучшенной динамики разгона и экономичности в потреблении топлива, Ring-Wheel обладает ещё рядом преимуществ. Его конструкции не требуется смазка, снижается трение механизмов колеса, а также примерно на 13% сокращается инерция вращения по сравнению со стандартным диском испытанной Honda Civic.

Остаются вопросы только к защите этих механизмов от грязи и посторонних предметов, а также к долговечности подшипников на ободе. Ну, и к цене, разумеется. На данном этапе фирма Orbis оценивает установку пары таких мотор-колёс собственной конструкции примерно в $10 000. Впрочем, авторы изобретения уже ведут переговоры с инвесторами. А, как известно, серийное производство может существенно снизить стоимость конечной продукции.

Электрическое мотор-колесо для электромобилей мощностью 80 кВт и моментом 1250 Нм

Категорически приветствую всех любителей электрических мотор колёс!

Лично сам я в них не верю, и считаю, что будущего у них нет, но кого это интересует.

В этой статье мы подробно разберём конструкцию электрического мотор-колеса от компании Protean.

Итак, это электрическое мотор-колесо пока проходит тестирование без встроенной в него подвески. Т.е. это просто мотор-колесо без адаптивной системы пневмо-гидравлической компенсации ударов и прочих систем рулёжки. Оно устанавливается в ступицу колеса обычного автомобиля и при этом пока не включает в себя тормозную систему, потому что продукт пока ещё «сырой» и находится на этапе тестирования и совершенства конструкции.

Алюминиевый корпус мотор-колеса — это его вращающаяся часть со шпильками, к которым прикручивается диск с шиной. Также внутри этого мотор-колеса есть ступичный подшипник, а это значит, что оно несёт на себе всю нагрузку и удары.

Технические характеристики мотор-колеса:

Непрерывная мощность 64 кВт (87 л.с.)

Максимальная мощность 80 кВт (109 л.с.)

Максимальная скорость вращения 1600 об/мин. (соответствует максимальной скорости 200 км/ч)

Непрерывный крутящий момент 650 Нм

Пиковый крутящий момент 1250 Нм

Напряжение 400 В

Максимальный ток 300 А

Это значит, что если на обычный автомобиль установить четыре таких мотор-колеса, то его максимальная мощность составит 436 л.с., что по современным меркам вполне конкурентноспособный показатель. А пиковый суммарный момент будет доходить до 5000 Нм, что тоже неплохо. При этом максимальная потребляемая мощность одного мотор-колеса может доходить до 120 кВт при механической мощности 80 кВт, что как бы намекает нам на КПД в 67%.

Статор мотор-колеса с сосредоточенной обмоткой и большим количеством зубов, т.е. у каждого зуба своя катушка меди. А это значит, что в чистом виде это именно BLDC-электродвигатель, а не PMSM. Потому что иначе обмотка была бы распределённая. Это сделано для того, чтобы повысить крутящий момент и подавать на эту обмотку именно трёхфазную «трапецию» с векторным управлением через датчики Холла, а не трёхфазную «синусоиду» с обратной связью от резольвера.

Неодимовые магниты наклеены на стальное ферромагнитное кольцо, которое вставлено во внутреннюю часть вращающегося алюминиевого корпуса. Всё это находится в масле и таким образом эффективно охлаждается. Это масло прокачивается через мотор-колесо, а затем идёт на радиатор с вентилятором. Как можно видеть, неодимовые магниты занимают не весь предоставленный объём внутренней части корпуса. Во второй половине находятся «мозги» мотор-колеса и ступичный подшипник.

К плате контроллера подходят два силовых кабеля с постоянным током от аккумуляторной батареи. Он после ряда преобразований превращается в трёхфазный трапециевидный и подаётся на обмотку статора. Красные колпачки закрывают штуцеры для масляного охлаждения. Также на плату выведены разъёмы управления.