Проверка возможностей автомобильного генератора в качестве электродвигателя.

Решил провести эксперимент, по возможности использования генератора от легкового автомобиля, как тягового двигателя с прямым приводом на колесо, для велосипеда или что-либо подобного.
У меня как раз есть исправный генератор, но использовать его в автомобиль я не могу, как и некоторые другие вещи, но зато попробую провести этот эксперимент сам. В интернете на специализированных форумах есть размышления, что так не делают, что и в конструкции генератора специально особым образом подобраны формы ротора и статора, для работы его как генератора. Да и наличие отдельной катушки возбуждения усложняет конструкцию. Но из достоинств – генератор не создает практически никаких сопротивлений вращению, если на него не подан ток, и он есть за бесплатно. Заниматься самому математическим анализом реализации такой возможности, нет достаточного опыта и данных, пока (если кто разложит все по полочкам — буду признателен).
Схема подключения генератора:

Генератор был аккуратно разобран:

Из него был удален диодный мост и схема регулятора напряжения, подключены провода к обмоткам генератора, и щеточному узлу катушки возбуждения:

Затем все было собрано аккуратно и стало иметь такой вид:

Скрепка – торчащая из задней крышки генератора, фиксирует подпружиненные щетки в заглубленном состоянии, что позволяет правильно установить заднюю крышку, ничего не сломав. Затем скрепка вытягивается, и щетки упираются в коллектор.

Далее, из имеющегося блока электроусилителя руля, работающего на трехфазный мотор, изымаем блок силовых транзисторов. К сожалению, использовать его как полноценный блок управления трехфазным мотором (BLDC) нельзя.

Поэтому подключим блок силовых транзисторов к имеющейся плате 2CAN (описано ранее), через самодельную плату с драйверами управления транзисторами. А так как лето у нас короткое, то плата сделана самым простым и быстрым проверенным способом лазерной печати и утюга:

Общая схема получилась примерно такая:

Так как на плате 2CAN разведены не все выводы платы и микроконтроллера, пришлось добавить соединений навесным монтажом:

Написана простая программа управления трехфазным двигателем, используя таймер №1.Пока решил не использовать датчики положения ротора, ограничившись только регулировкой частоты вращения и заполнением ШИМ (амплитуду синусоид). Если генератор покажет оптимистичные характеристики, то тогда и усложню схему и программу. Форму напряжения выбрал синусоидальную, коэффициенты для таймера рассчитал простой программой на javascript, (позволяет писать программы в любом текстовом редакторе и запускать на выполнение любым браузером), файл sine.html (в zip) прилагаю ниже.

При открытии его браузером, можно просмотреть значения, и скопировать в буфер обмена:

Такая конструкция получилось в итоге:

Форма результирующего напряжения двух фаз такая (осциллограф двухлучевой к сожалению):

(после простого R-C фильтра для щупа осциллографа), а так без фильтра на прямую:

В качестве источника питания был выбран аккумулятор 12В 7А, через предохранитель 30 Ампер питание подавалось на схему. Обороты генератора, которые меня интересовали, были в пределах от 0 до 420 оборотов в минуту. Исходя из того, что если на шкив генератора надеть колесо диаметром 20 см, и при этом скорость максимальную ограничить в 16км/час. Подключим генератор:

Примитивным способом оценить крутящий момент, развиваемый генератором, решили с помощью поднятия груза, подвешенного за веревку к шкиву генератора.

Далее все расчеты довольно примитивны, и возможно есть ошибки. В качестве груза выбрал две 5-литровых емкости с водой. При диаметре шкива 5,5см, генератор с уверенно поднимал этот груз при 50 % заполнении ШИМ таймера на высоту 50 см за 3 секунды. Ток от аккумулятора составлял порядка 16 Ампер, но и напряжение на нем падало до 11 Вольт (слабоват аккумулятор). Получается, гарантирован крутящий момент примерно 2,75 ньютона на метр, при 3 оборотах в секунду. Сила тяги генератора с колесом диаметром 20см, одетого напрямую на вал, составила бы 12,5 ньютона (условная скорость составила бы примерно 7км/час). Для ребёнка, стоящего на роликах может быть и хватит. Для реализации полной мощности потребовался бы аккумулятор большей емкости, и более толстые провода. Без нагрузки, генератор вращается без подачи тока на катушку возбуждения (как несинхронный трехфазный электродвигатель). По идее, учитывая, что при потребляемой мощности в 176 ватт, получаем мощность на совершение работы, очень примерно оцененной в 16 Ватт, КПД полученного устройства не радует. Даже если удастся увеличить КПД использованием датчиков положения ротора в два -три раза, тяга маловата все таки для взрослого человека. Значительная часть тока тратится на катушку возбуждения, при этом, в зависимости от нагрузки, оборотов и температуры генератора составляет это порядка 5 — 12 Ампер. Да и генератор в родном рабочем режиме крутится на горазбо более высоких оборотах (2100 — 18000 об/мин). Выходить на рабочие токи больше 30 Ампер в схеме посчитал нецелесообразным. Конечно, используя мотор с постоянными магнитами, можно значительно поднять КПД устройства. Но все равно, значительные токи в узлах схемы, при напряжении питания в 12 Вольт, не позволяют добиться приемлемых параметров при длительной работе мотора в тяговом режиме. А перематывать катушки статора генератора под другое напряжение, количество оборотов, делать ротор с неодимовыми магнитами — это уже надо быть сильно мотивированным на это. Практичнее переходить на готовые, относительно легко доступные BLDC моторы для велосипедов, скутеров и т.д. с напряжением 36 Вольт и более. Также был подключен оригинальный двигатель, и это совсем другая тема и возможности:

В автомобильных вентиляторах охлаждения, часто применяются двухфазные электродвигатели с постоянными магнитами, выдавая мощность под 300ватт (но коррозия и большие токи зачастую выводят из строя компактную схему управления, встроенную в мотор).

Других целей больше не было, остался удовлетворенным полученным отрицательным результатом 🙂

Приведу настройки таймера:

А табличные значения получаем как написано выше (редактируем имя распечатываемого на экран массива ) 🙂 Плохо что видео нельзя тут приложить, довольно забавно. Если есть вопросы – без проблем задавайте, пишите 🙂

С уважением, Астанин Сергей, ICQ 164487932.

Добавил сам проект, правда внутри много лишнего осталось от проекта общения по CAN, но мотору не мешает.

Мотор-колесо для электромобиля: устройство, плюсы, минусы, известные разработчики

Идея использования электродвигателя интегрированного непосредственно в колесо электромобиля или гибрида, не нова, и уже давненько разработчики проявляют к ней повышенный интерес, естественно, не просто так. Тут всё дело в том, что подобная конструкция даёт электрокару очень большие возможности. В теме я хочу более подробно рассказать об этом, безусловно передовом изобретении, на которое ведущие производители просто не могут не обратить внимание, уж слишком много выигрышей даёт мотор-колесо электромобилю.

Содержание:

• Устройство и преимущества мотор-колеса.
• Недостатки мотор-колеса.
• Мотор-колесо Michelin.
• Мотор-колесо Protean Electric.
• Отечественные разработчики мотор-колёс (Дуюнов и Шкондин).

Устройство и преимущества мотор-колеса

1. Первое, что сразу начинает понимать более-менее разбирающийся в технике человек — мотор-колесу не требуется большое количество дополнительного оборудования. Отсутствует множество элементов, передающих тягу на ведущие колёса! Какие рядовой обладатель электрокара с мотор-колесом может получить выгоды от такой упрощённой и более совершенной конструкции?

Пониженная за счёт отсутствия ряда компонентов масса электрокара, позволит преодолевать на одном заряде больше километров. Не стоит забывать и о том, что в таком автомобиле будет и меньшее количество трущихся деталей, что также благоприятным образом отразится на пробеге. Подобная техника обойдётся при покупке дешевле и кроме того, её обслуживание и ремонт, также не отберут у хозяина много денег. Ещё чем может порадовать МК, так это надёжностью, ведь устройство электрокара в таком случае отличается простотой и всем давно известно, что чем проще механизм, тем он надёжнее. Отсутствие «лишних» агрегатов, позволило инженерам предоставить больше полезного места для пассажиров и перевозимой поклажи. Кроме того, это даёт возможность дизайнерам и конструкторам применять самые смелые решения.

2. Следующее, что нельзя не заметить — превосходная динамика электромобиля оборудованного мотор-колёсами. Компактные и легковесные электромоторы интегрированные в колёса, выдают максимальное значение крутящего момента с первых же оборотов. Показатель тяги может доходить до цифры 700 Нм.

3. Управляемые мотор-колёса делают транспортное средство ими оборудованное очень манёвренным. Причина данного обстоятельства проста: каждое МК может крутиться с разной частотой и в разных направлениях. Авто благодаря такой специфике может развернуться на 360 градусов, припарковаться в стеснённых условиях и практически мгновенно адаптироваться к состоянию дороги.

4. Значительно упрощается устройство очень важной для любого электрокара системы рекуперации.

5. Под МК практически идеально можно подстроить любую систему активной безопасности, которая сможет влиять на колёса индивидуально.

Недостатки мотор-колеса

Казалось бы, устройство практически идеальное — бери и ставь на поток, но, не так всё просто! Имеет место несколько не решённых на данный момент проблем. Основной из них является большое количество механизмов, которые нужно как-то разместить внутри обода. Высокооборотистые электрические двигатели, требуют наличия понижающего редуктора. Он должен обладать скромными габаритами и быть герметичным. Естественно, механизм добавит некоторое количество веса к общей массе мотор-колеса.

Солидная неподрессоренная масса, то есть, слишком тяжёлые колёса, могут негативно повлиять на комфорт и безопасность. К этому можно смело добавлять повышенный износ элементов подвески и передачу на кузов повышенного уровня вибраций. Оптимальная масса мотор-колеса без учёта резины, для среднеразмерного транспортного средства, должна варьироваться в пределах 10-30 килограмм. Вся проблема в том, что разработчикам весьма затруднительно войти в эти жёсткие ограничения.

Мотор-колесо Michelin

Данный французский бренд стал популярен во всём мире не только благодаря разработкам высококачественной резины, он ещё прославился тем, что его специалисты занимаются исследовательской деятельностью в области создания экономичного и экологически чистого транспорта. А самое главное, что касается нашей темы, Мишлен уже 15 лет занимается разработкой инновационных мотор-колёс предназначенных для электрокаров. Изделия «Michelin active wheel» в составе своей конструкции имеют тяговый электромотор, компоненты управления, элементы подвески, а также тормозной системы. Такие высокотехнологичные приспособления можно устанавливать как на передней оси электромобиля, так и на задней.

Общая масса такой конструкции не более 35 кг, что является вполне приемлемым результатом. Основной упор инженеры делали на миниатюрный электродвижок собственной разработки, который является сегодня на рынке самым компактным агрегатом подобного типа. Небывалое соотношение его мощностного потенциала к его весу, предоставляет конструкторам уникальную возможность снизить неподрессоренную массу ходовой части средства передвижения. В принципе, подобной затеей задавались и другие производители с мировым именем, к примеру Mitsubishi и Siemens, однако их проекты так и не дотянули до массового производства.

Мотор-колесо Protean Electric

Казалось бы, МК для электромобилей имеет все шансы стать массовым продуктом, предлагая потребителю большое количество преимуществ. Однако многие разработчики так не посчитали и столкнувшись с непреодолимыми конкретно для них техническими трудностями, решили отказаться от подобных проектов. Жаль конечно, но, остались и энтузиасты, например в лице американской фирмы Protean Electric, которая уже очень близко подошла к созданию практической конструкции.

Их система называется Protean Drive, она была успешно испытана на таких машинах как Volvo C30, Mercedes-Benz SLS AMG Coupe, Vaxhaull Vivaro, а также Ford F-150. В конце 2012-го года, авторитетное заокеанское издание Car and Driver, внесло изобретение Protean Drive в десятку самых перспективных технологий 2013-го года. По ходу работы над многообещающим проектом, было оформлено 23 патента! Рабочий образец инженеры показали в апреле 2013-го года.

МК Protean Drive предназначается для эксплуатации на электрокарах и гибридах. Технология может быть легко адаптирована к уже производимым моделям либо может применяться для переоборудования транспортных средств с ДВС в гибридные модификации. Система позволяет организовать автомобилю любой тип привода: передний, задний и на все четыре колеса. Комплект состоит из электродвигателя, инвертора и блока управления с ПО. Всё это богатство непринуждённо вмещается внутри обычного 18-24-дюймового колеса. Protean Drive даёт возможность повысить энергетическую экономичность больше чем на 30%, в зависимости от возможностей АКБ и режима движения.

Разработка Protean Electric предлагает весьма привлекательные показатели удельной мощности — 110 лошадиных сил и тяги — 800 Нм. При таких показателях, оборудование имеет массу всего 31 кг. Устройство превосходит другие разработки и по возможностям рекуперации: для подзарядки аккумулятора используется до 85% энергии торможения. Естественно, данное обстоятельство положительным образом влияет на дальность пробега на одном заряде, конкретно, речь идёт о 30-процентном увеличении преодолеваемой дистанции.

Отечественные разработчики мотор-колёс

Не обошла стороной данная идея и инженеров из России — Дуюнова и Шкондина. Оба уже наделали много шума в Интернете. Но к сожалению, не на техническом совершенстве их изобретений делают акцент пользователи (хвалят в основном они сами себя), а на попытках надуть народ. На форуме есть несколько статей этому посвященных:

Но как бы там не было, почитать о подвигах кулибинов интересно, тем более, что оба постоянно угрожают технической революцией.

Нельзя упустить из виду тот факт, что в 2017-ом году был представлен прототип компактного ситикара оборудованного двумя парами мотор-колёс Дуюнова. Концепцию мини-кара разработал сам Дмитрий Дуюнов и транспортному средству было дано два рабочих названия: Zetta и ElPanda. Каждое мотор-колесо выдаёт мощность 18,1 kW, итого, получается 72,4 kW, а в переводе на лошадиные силы — это 98 лошадок, что для такого автомобильчика весьма солидной цифрой является. Про крутящий момент и говорить нечего, он у этого маленького аппарата подобен суперкару оборудованному ДВС — в сумме 800 Нм! В качестве источника питания, выступают Li-ion аккумуляторы ёмкостью 10 кВт·ч, которых, если верить предоставленной разработчиками информации, должно хватить на обеспечение 200 км пробега на одном заряде.

Машина построена на масштабируемой архитектуре и может увеличиваться до любых размеров. Кузов представляет собой сварную раму, изготовленную из стеклопластиковых панелей. Масса авто составляет 820 килограмм, однако применение алюминия, позволит снизить вес до 555 килограмм.

В конце 2018-го года, во Всемирной паутине всплыли изображения новой версии, которая получила название «Zetta Модуль 2». Внешний вид миниатюрной машинки был преобразован, однако технические характеристики деятели оставили без изменений.

Ожидается, что электрокар будет поставляться потребителю в нескольких комплектациях пассажирской модификации. Компоновка возможна как переднеприводная, так и полноприводная. На данный момент проект находится на стадии опытно-промышленного производства и ожидает сертификацию. В год планируется выпускать более 10 тыс. единиц Zetta. Однако на территории РФ будет оставаться только половина этих электрокаров, остальная же партия предназначена для экспорта. Себестоимость продукции пока не разглашается.

Заключение

Простота и эффективность мотор-колеса для электромобиля не может не привлекать внимание разработчиков со всего мира, постоянно стремящихся сделать своё оборудование более совершенным. Конечно, как и любое оснащение, мотор-колесо имеет недостатки, но всё равно, некоторые специалисты делают на него ставку и в будущем, скорее всего эти минусы будут сведены к минимуму. При этом очень приятно, что в этой области преуспели и российские изобретатели. Глядишь, не сегодня-завтра, народ будет колесить по городским улицам на суперсовременных, высокотехнологичных и доступных для широких масс электромобилях отечественного производства!