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!

Городские авто «переобуют» в мотор-колеса

Наверное, все помнят из школьного курса физики, что электродвигатель состоит всего из двух деталей: ротора, который вращается, и статора, что неподвижен. Так вот, если мы превратим статор в ось, а на вращающийся ротор наденем автомобильную шину, то перед нами получится не что иное, как мотор-колесо. Именно такое «чудо» недавно было создано в США.

Казалось бы, чего проще — вот так сделал и бери себе поезжай! Однако в реальной жизни все оказалось совсем не так просто, как кажется на первый взгляд.

Первым автомобилем, имевшим мотор колеса, стал «продвинутый» Lohner-Porsche (1900) — первый в мире гибридный автомобиль, в конструкции которого были применены мотор-колёса. Успеха он не имел, поскольку на нем были очень тяжелые и громоздкие свинцово-цинковые аккумуляторы, и он не столько ездил, сколько их заряжал.

Впрочем, идея мотор-колеса после этого отнюдь не умерла, а получила свое инженерное воплощение в оригинальных двигателях для… карьерных самосвалов. Как правило, это огромные машины, которые по обычным асфальтовым дорогам не ездят, а день и ночь колесят по уходящим в глубины земли рудным или алмазным карьерам, перевозя на поверхность за каждую поезду десятки, а то сразу и сотни тонн породы!

Как эти «чудовища» устроены проще всего рассмотреть, скажем, на примере Komatsu 930E-3SE — флагмана японского производителя такого рода необычной техники. Полная масса автомобиля — 504 тонны, мощность двигателя — 3500 лошадиных сил, а перевозит он в своем «чреве» (то есть в кузове!) до 290 тонн груза. Для того, чтобы сдвинуть такую громадину с места, у автомобиля под капотом имеется 18-цилиндровый турбодизельный двигатель мощностью 3500 лошадиных сил, который способен давать 1900 оборотов в минуту.

Кстати, этот силовой агрегат может похвастаться не только высокой мощностью и потрясающим крутящим моментом, но и немалым весом — 10 тонн! И эта цифра не кажется совсем фантастической, особенно, когда узнаешь, что в его системе смазки «плещется» 340 литров моторного масла, а в систему охлаждения заливается 719 литров антифриза. Причем в отличие от обычных автомобилей, где маховик двигателя соединен с ведущими колесами через коробку передач, в карьерных самосвалах самой популярной является схема с мотор-колесами. В ней двигатель всю свою мощность отдает не механической трансмиссии, а генератору переменного тока, питающего тяговые электромоторы, а они как раз и являются мотор-колесами, так до сих пор и не появившимися на массовых легковых автомобилях.

Крутящий момент от электродвигателей передается на гигантские колеса не напрямую, а через компактные редукторы, поэтому объем масла, необходимый для работы каждого редуктора, составляет всего 95 литров. С таким силовым агрегатом максимальная скорость Komatsu 930E-3SE составляет 64,5 километров в час, что для такой махины совсем немало, и проблема тут состоит не в том, чтобы ее разогнать, а в том, как остановить. Над этой задачей трудится гибридная тормозная система, состоящая из трех подсистем: основной, вспомогательной и стояночной.

Основная система — гидравлическая, многодисковая, с раздельными контурами передней и задней оси и масляным охлаждением тормозных дисков. Максимальное давление тормозной жидкости в контуре составляет 172 атмосферы и при этом во время торможения общая площадь поверхности трения составляет почти 10 квадратных метров! Но даже такая система не может в одиночку справляться с гигантом, поэтому ей на помощь приходит вспомогательная — электродинамическая система торможения.

Во время торможения тяговые электромоторы переключаются в режим генераторов, и вся вырабатываемая ими электроэнергия превращается в тепло на нагрузочных резисторах. Мощность, рассеиваемая на резисторах, в пике может быть более 4000 киловатт! В то время как среднее значение этого параметра составляет 2900 киловатт. Стояночная тормозная система — с сухими тормозными дисками, способна удерживать полностью загруженный автомобиль на 15-процентном уклоне.

О чем это говорит? Да только о том, что все это техническое совершенство всего лишь результат действия закона спроса и предложения. Есть спрос — есть и предложение в виде оформленного технического решения, и даже необходимость в настоящих реках топлива и масла тут никого не останавливает! А вот как обстоит дело с городским автомобилем на мотор-колесах?

Что же, сегодня уже есть городской двухместный электромобиль Hiriko, который как раз и оснащен мотор-колёсами. Применение данного конструктивного решения позволило реализовать на сверхмалом автомобиле независимый поворот колес, то есть он еще и очень маневренный. Этот автомобиль является коммерческой реализацией проекта CityCar, разработанного в Массачусетском технологическом институте Media Lab с 2003 года, а производится он в Испании, в стране Басков. Кстати, и название его Hiriko на языке басков означает «городской» или «из города».

Теперь вот США порадовали всех любителей экологического транспорта еще одним подобным авто. В Университете штата Огайо разработан необычный электромобиль, управлять которым без бортового компьютера и различных вспомогательных систем просто невозможно. Придумал его адъюнкт-профессор отделения машиностроения Ван Цзюньминь. Причем в отличие от карьерных самосвалов у него нет традиционного двигателя внутреннего сгорания, трансмиссии и дифференциалов.

Каждое из четырех колес приводится в движение собственным электромотором, получающим питание от блока аккумуляторных батарей. Это дает ему возможность совершать самые разнообразные маневры, быстро менять направление движения и делать резкие повороты.

Впрочем, вот так просто делать эти самые резкие повороты нельзя. Водителю на помощь приходит специальный бортовой компьютер, который с частотой до 100 раз в секунду получает и анализирует показатели о положении рулевого колеса, педалей акселератора и тормоза. А уже на основании этих данных вычисляются параметры работы каждого из четырех мотор-колес.

Использованная математическая модель позволяет не только с высокой точностью рассчитать нужный крутящий момент, но и обеспечивает новое авто такими возможностями, которые недоступны обычным автомобилям. Например, этим достигается очень хорошая маневренность и отзывчивость на каждый поворот руля. Причем во время движения одно или несколько колес могут притормаживаться, а оставшиеся — продолжать движение с прежней скоростью. Так что направления движения может воспроизводиться им идеально.

Разработка автомобиля началась в 2009 году при поддержке Управления научно-исследовательских работ ВМС США. Затем в феврале 2012-го команда Вана получила пятилетний грант в размере 400 тысяч долларов, что, в общем-то, не так уж и много, однако и немало. Новый электромобиль создан на шасси коммерческого внедорожника и весит приблизительно 800 кг. В каждое колесо установлен электрический двигатель мощностью 7,5 кВт, питание которого обеспечивается 15-киловаттным блоком литий-ионных аккумуляторов. С центральным компьютером моторы связывает электрический кабель.

Колоссальным преимуществом автомобиля является нулевой выброс вредных газов в атмосферу. А подзаряжать батареи можно при помощи возобновляемых источников энергии. Испытания в различных условиях показали, что точность маневрирования в ответ на действия водителя равна 10-20 см. Заряда аккумуляторов хватает на 8-10 часов езды с остановками.

Специалисты, впрочем, признают, что коммерческий вариант автомобиля вряд ли появится раньше, чем через 5-10 лет. Дело в том, что необходимо улучшить реакцию его бортовой компьютерной и механической систем, а также реализовать необходимые средства обеспечения безопасности водителя и пассажиров.

Следует заметить, что в последнее время в качестве двигателя для электромобиля мотор-колеса используются все чаще и чаще, особенно в концепт-карах. Исключением стал лишь Volage — спортивный электромобиль, построенный силами фирм Venturi и Michelin, который скоро должен будет поступить в продажу. Все активные системы безопасности, такие как ABS, ESP, Brake Assist и Traction Control, в таком автомобиле можно соединить в один управляющий софт, после чего они смогут воздействовать на каждое колесо по отдельности. Добавим к этому ещё и мобильность данной системы и её способность регенерировать энергию при торможении.

Конечно, у мотор-колес есть и определенные недостатки. Попробуйте-ка запихнуть кучу механизмов внутрь маленького обода. Понятно, что вес колеса при этом увеличится, а это плохо скажется на управляемости, повысится износ подвески автомобиля, увеличится передача вибрации на кузов. Доказано, что идеальный вес автомобильного колеса должен составлять 10-30 кг. Инженерам Michelin удалось вписаться в этот жесткий лимит: их тяговый электродвигатель Active Wheel весит всего 7 кг, а остальная механика системы укладывается в 11 кг.

Ну а существенных недостатков у самого электродвигателя просто нет. Зато есть большие сложности в его питании. И вот именно несовершенство источников пока не дают использовать электродвигатели внутри колес (как, впрочем, и просто электродвигатели!) в массовом коммерческом автомобилестроении.

Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен

Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.