Колеса гибридных автомобилей

Первое "мотор-колесо" было изобретено Ф.Порше. Инженер Порше не стал «изобретать велосипед», а взял серийный двигатель постоянного тока, закрепил его статор на оси, а на ось ротора навесил колесо. Просто и гениально. Но вот вес такой конструкции оказался великоват – 115 кг, а это для переднего колеса многовато будет. Эта неподрессореная масса на дорогах того времени создавала много трудностей в управлении машиной, да и вибрация от нее, передаваемая на кузов, гасилась очень плохо. Увы, гибридный привод Порше, поначалу поразивший воображение, в силу неразвитости электротехники тех времен пришлось списать в утиль. Все-таки ДВС и дизель обещали более заманчивую перспективу. Но идея мотор-колеса и электротрансмиссии оказалась живучей при постройке тяжелой транспортной техники. Все инженерные расчеты подтверждали, что проще и удобнее генерировать момент тяги непосредственно в месте применения, а именно в колесе, чем иметь громадные потери в трансмиссии, когда нагрузка исчисляется десятками или сотнями тонн.

В эпоху гибридных и электромобилей колесо переместилось на более значимое место, чем это было ранее. На него зачастую возлагается функция силового агрегата, движетеля транспортного средства. Уже в ближайшее время колесо могут ждать весьма существенные перемены.

Двенадцать лет назад в лабораториях компании Michelin началось создание экологически чистого электрического колеса будущего, вмещающего в себя весь автомобиль, не считая кузова и сидений: двигатель, трансмиссию, подвеску, рулевое управление и тормозную систему.Схема мотор-колеса Michelin Active Wheel: два электродвигателя, электрическая подвеска, тормозные механизмы с электромагнитными актуаторами – все это помещается внутри обода автомобильного колеса.

Авто с электрическими мотор-колесами обладают рядом веских преимуществ перед традиционными. В первую очередь это отсутствие множества сложных и тяжелых передаточных механизмов между двигателем и колесом – сцепления, трансмиссии, приводных валов и дифференциалов. Во-вторых, отменная динамика: компактные и легкие электрические моторы способны развивать крутящий момент вплоть до 700 Н•м даже на самых низких оборотах. 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. Ну и в-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения – все продвинутые электромеханические алгоритмы типа ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и так далее запросто прошиваются в управляющий софт и воздействуют на каждое отдельное колесо.

За перечисленные преимущества мотор-колесо расплачивается столь же существенными недостатками. Главный из них – масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели мотор-колес нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Для традиционных автомобилей лишний вес в конструкции трансмиссии не критичен. Но для колес действует совершенно другой принцип. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижает комфорт и управляемость, повышает износ подвески, передает на кузов вибрации. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто.

Компания Siemens VDO представила свою концептуальную разработку eCorner, которая объединяет в колесе двигатель, подвеску, тормоза и рулевое управление автомобиля. Разработчики уверенны, что в будущем автопроизводителям будет достаточно создать кузов и установить на него колеса - машина готова.

Разрез колеса eCorner: 1 - обод, 2 - встроенный электромотор, 3 - тормозной механизм EWB, 4 - активная подвеска, 5 - электропривод рулевого управления

Электродвигатель в eCorner располагается непосредственно на ободе колеса и может работать не только при разгоне, но и при торможении, регенерируя электроэнергию и заряжая батареи. При этом специалисты компании уверяют, что коэффициент полезного действия (КПД) у подобного электродвигателя может достигать 96%. Для сравнения КПД самых совершенных бензиновых и дизельных двигателей не превышает 45%, а перспективные гибридные силовые установки будущего смогут достигнуть только 85% КПД.

В случае, когда тормозного момента двигателя недостаточно, остановить машину помогут дисковые тормоза с электронным управлением EWB. Колодки здесь прижимаются к диску не гидравлическими цилиндрами, как на обычных машинах, а двумя электромоторами. Такая конструкция позволяет управлять торможением каждого колеса автономно и избавляет автомобиль от громоздкой и ненадежной единой тормозной системы.

Подвеска у eCorner также встроена внутрь колеса. Она снабжена датчиками, которые постоянно следят за давлением в шинах и определяют уровень сцепления колеса с поверхностью. В соответствии с показателями этих датчиков электроника настраивает подвеску так, чтобы автомобиль сохранял устойчивость и высокую плавность хода. При этом, подвеска eCorner снабжена компактными электродвигателями, которые поворачивают колеса вокруг вертикальной оси независимо друг от друга. Например, все четыре колеса автомобиля можно повернуть в одну сторону, и машина поедет боком.

На Франкфуртском салоне фирма "Бриджстоун" (она занимается не только шинами) продемонстрировала "революционный динамический демпфер для мотор-колес". Разумеется, подробно об устройстве не рассказывали. Но суть в том, что, во-первых, удалось подвесить электромотор внутри колеса, а во-вторых, добиться того, чтобы его колебания были противофазны колебаниям самого колеса и при сложении взаимно уничтожались.

Новое мотор-колесо в разрезе: 1 - колесо; 2 - амортизатор; 3 - пружина; 4 - мотор; 5 - подвеска мотора. Хитрые крестообразные элементы позволяют мотору перемещаться внутри колеса и передают крутящий момент.

Фирма обещает в ближайшее время довести свое изобретение до ума, то есть до серийной зрелости, а заодно разрабатывает специальные шины, которые позволят максимально использовать преимущества изобретения.

Компания Protean Electric, разработчик инновационных электрических ступичных мотор-колес для привода легковых автомобилей, объявила имя нового президента. Им стал Боб Парселл. Этот дядя знаменит тем, что с 1994 по 2002 годы руководил одним из самых перспективных проектов в истории автоиндустрии – разработкой электромобиля EV-1 для General Motors Corporation.

Protean Electric разрабатывает и производит полностью интегрированные электрические безредукторные мотор-колеса PD18 размера 18 дюймов семейства Protean Drive. Ими был оснащен показанный в Париже Volvo ReCharge.Каждое мотор-колесо оснащается встроенным инвертором и процессором, который через шину CAN связан с блоком управления системой System ECU. System ECU синхронизирует работу всех четырех мотор-колес шасси. В случае отказа одного, двух и даже трех колес, компьютер мгновенно перераспределяет нагрузку на оставшиеся. При этом электромобиль теряет в динамике, но сохраняет управляемость на нормальном уровне.

Процесс торможения и бленд механического и электрического сопротивления управляется встроенным в System ECU внешним модулятором производства Continental или Bosch. Когда водитель жмет на тормоз, контроллер тормозной системы определяет возможность торможения за счет переключения мотор-колес в режим генератора. Если этого будет достаточно, то механические тормоза не активируются, позволяя генератору восстановить максимальное количество электричества из кинетической энергии шасси. Механические тормоза при необходимости обеспечивают дополнительное тормозное усилие или полностью заменяют электрические компоненты при их отказе.

Инженеры Protean утверждают, что с точки зрения управляемости электромобиль с системой привода Protean Drive на порядок надежнее конкурентов – каждое его колесо работает в индивидуальном режиме в зависимости от внешних условий и нагрузки. Кроме того, эффективность регенеративного торможения в мотор-колесах также намного выше, чем в электромобилях с ведущим мотором и традиционными механическими приводами.
Критически важный аспект применения мотор-колес – рациональное использование энергии аккумулятора и, как следствие, повышение запаса хода электромобиля на 50%.

Многие годы идут споры об изобретении российского изобретателя Василия Шкондина "Двигателя Шкондина" (запатентованный впервые в 1991 году именно под таким названием). Двигатель устроен следующим образом. Это «мотор в колесе» — дисковый агрегат, который крепится непосредственно на ось ведущего колеса и управляется без трансмиссии, просто путем регулирования числа оборотов. Соединенный с осью колеса ротор, по периметру которого закреплены постоянные магниты из неодим-железо-борного сплава., вращается в статоре, на котором размещены соленоиды. На соленоиды подаются краткие импульсы тока, создающие переменное магнитное поле, толкающее магниты ротора. Принцип действия двигателя чем-то похож на принцип работы линейного ускорителя: магнитное поле возникает, действует на магнит на роторе строго определенное время и тут же отключается. «Моторы в колесе» традиционной сейчас конструкции вынуждены использовать передачу — понижающий редуктор. «Мотор Шкондина» необходимости в редукторе не имеет: его обороты можно контролировать напрямую.

"Мотор-колесо В. Шкондина" представляет собой импульсную электромашину, сердцем которой является распределительный коллектор. Это устройство преобразует постоянный ток, поступающий из аккумулятора, в переменный многофазный импульсный. Благодаря работе на постоянном токе достигается существенное удешевление всей конструкции по сравнению с аналогами, работающими на переменном токе, так как появляется возможность заменить ряд деталей из дорогой электротехнической стали на детали из дешевого композита.

Имея всего семь деталей, мотор-колесо Шкондина имеет высокую надежность и простоту эксплуатации, а стоимость в десятки раз ниже зарубежных мотор-колес других систем и в два раза дешевле китайских. Изобретение уже опробовано в испытательных партиях электромобилей разного назначения: электровелосипеды, инвалидные коляски и легковые автомобили. Крутящий момент двигателя - 200 Н•м на каждый киловатт мощности, что вроде бы в полтора раза лучше, нежели у ближайших конкурентов.

Российская компания "Центр исследования силовых и энергетических установок" представила свою разработку мотор-колеса.
Мотор-колесо 415 НИЛД предназначено для применения в качестве тягового привода перспективных гибридных грузовых автомобилей, автобусов, тягачей и вездеходов. Мотор-колесо может использоваться в двух опциях в качестве поворотного и неповоротного колеса.

Мотор-колесо 415 НИЛД – это герметичная, маслозаполненная, глубоко интегрированная конструкция, объединяющая, функции колеса, тягового электродвигателя, планетарного редуктора и ленточного тормоза с гидроприводом. Питание осуществляется переменным электротоком от вентильного источника тока. Алгоритм управления поддерживает следующие основные режимы:

 движение вперед с регулированием мощности;

 движение назад с регулированием мощности;

 рекуперативное торможение;

 основное торможение электродвигателем;

 резервное торможение ленточным тормозом;

 движение накатом; движение вперед с заданной постоянной частотой вращения;

 движение назад с заданной постоянной частотой вращения.
Задание режимов работы осуществляется альтернативно от бортового компьютера или органов управления. Номинальная мощность 30 кВт, КПД 90%, Диапазон частот вращения 0-1000 об.мин., максимальный крутящий момент 2570 Нм, крутящий момент электродвигателя 500 Нм,питающее напряжение 300в, масса 60 кг, диапазон рабочих температур от минус 50 град. до плюс 50 град.

Традиционные и широко-распространенные мотор-колеса: Это чаще всего синхронные машины PMSM или ВLDC (вентильные), реже коллекторные, редко но встречаются асинхронные двигатели. Ротор неподвижен, на нем расположена обмотка. Статор, наоборот, совмещен с ободом колеса. На подвижной части мотор-колеса зачастую размещают неодимовые магниты.
Мотор-колеса с двигателем BLDC и синхронные PMSM несколько отличаются друг от друга при внешней схожести, двигатели BLDC имеют лучший крутящий момент при трогании. Отличаются они формой обратной ЭДС наведенной в катушках при вращении ротора. Безщоточный двигатель постоянного тока BLDC имеет трапецевидную обратную ЭДС. Синхронный двигатель с постоянными магнитами PMSM имеет синусоидальную обратную ЭДС. Их обьединенное название PMM - двигатели с постоянными магнитами, имеют трехфазное управление.

Примечание: BLDC - Brushless DC Motor, PMSM - Permanent Magnet Synchronous Machine