Колесо электродвигатель: Как работает мотор-колесо? Об электровелосипедах

Как работает мотор-колесо? Об электровелосипедах

Мотор-колесо – бесщеточный синхронный электромотор постоянного тока, интегрированный в ступицу колеса. Электрические моторы данного типа не используют вспомогательных механизмов для передачи мощности от электродвигателя к колесу и лишены компонентов, подверженных трению, кроме подшипников в редукторных моделях. Электромотор, передаточный механизм и колесо объединены в общий узел, что придает ему высокую эксплуатационную надежность.

Типы мотор-колес

Ступичные электродвигатели предназначаются для монтажа в переднюю или заднюю вилку велосипеда (с различными размерами дропаута оси), бывают разной мощности, с выполненной заспицовкой в обод или без нее. В зависимости от внутреннего устройства они бывают:

  1. Редукторные – с интегрированным планетарным редуктором. Такие модели компактны и легковесны, не создают сопротивление при езде с отключенным мотором, имеют отличные тяговые качества и обеспечивают уверенное преодоление подъемов. Но они производятся небольшой мощности – 250–500 Вт, поэтому высокие скорости развить не позволяют. 
  2. Прямого привода – безредукторные. Производятся мощностью от 500 В до нескольких киловатт и позволяют получить скорость вплоть до 100 км/ч и более. Но прямоприводные моторы уступают редукторным моделям по тяговым характеристикам, а в отключенном состоянии оказывают сопротивление при накате. Для комфортных поездок по холмистой местности мощность МК прямого привода должна составлять не менее 1500 Вт.

Различия в устройстве мотор-колес

При наличии планетарного редуктора возрастает крутящий момент мотор-колеса, но ограничиваются его скоростные возможности. При использовании редукторного МК вы сможете легко преодолевать подъемы, но при езде на прямолинейных участках скорость будет умеренной – в среднем до 30–35 км/ч.

У прямоприводных моделей все наоборот – доступны более высокие скорости, но крутящий момент ниже, т.е. тяговые характеристики у редукторного МК на 350 Вт и прямоприводного МК на 1500 Вт примерно одинаковы. По надежности редукторные модели немного уступают прямоприводным, т.к. в конструкции редуктора есть планетарная передача с 3 шестернями из пластика. Их примерный ресурс – 6000–9000 км пробега. Зато редукторные модели обеспечивают лучший накат и позволяют легче крутить педали при отключенном моторе.

Прямоприводные модели имеют предельно простую и надежную конструкцию без шестеренок, более высокий КПД и способность к рекуперации энергии. Внутри такого устройства находятся статор и ротор – жестко зафиксированная ось колеса с обмотками и втулка с мощными постоянными магнитами. Это традиционная схема 3-фазного двигателя переменного тока.

Как работает мотор-колесо?

Независимо от того, как устроено электроколесо – с редуктором или без него, принцип его работы одинаков. В статоре в виде многолучевой звезды из электротехнической стали появляется магнитное поле. При взаимодействии с постоянными магнитами оно инициирует вращение ротора. На лучах статора есть обмотки, и когда по ним идет ток, лучи превращаются в электромагниты. Они притягивают постоянные магниты на роторе и инициируют вращение ротора.

Для получения нужной мощности и равномерного вращения колеса статор имеет несколько десятков обмоток. Но в результате они соединяются в 3 и чередуются по окружности: 1-2-3-1-2-3… На противоположной стороне на роторе есть магниты из редкоземельных материалов. Когда на обмотки поступают импульсы напряжения, происходит активизация их магнитных качеств, взаимодействие с магнитами и вращение ротора.

Импульсы поступают на обмотки поочередно и четко в нужные моменты времени. Определяют эти моменты находящиеся на статоре датчики Холла. Они отслеживают взаимное расположение ротора и статора, откликаются на магнитное поле и отправляют сигналы на контроллер. На основании полученных сведений контроллер своевременно подает на обмотки статора импульсы напряжения. Обмотки превращаются в электромагниты, вступают во взаимодействие с постоянными магнитами ротора и заставляют его вращаться. Наглядно принцип работы бесколлекторного электродвигателя представлен на картинке.

Элементы управления мотор-колесом

Интенсивность вращения ступичного электромотора регулируется рычагом газа. При смене его положения меняется число импульсов напряжения, подаваемых в единицу времени на обмотки. В результате меняется и скорость езды. В ручки тормоза также встроены датчики, которые в свою очередь отключают подачу питания на электрический двигатель при торможении.

В предыдущей статье блога VoltBikes рассказывается о том, какое напряжение лучше выбрать для электровелосипеда.

Технология мотор-колеса сделала следующий шаг :: Автопортал Третий Рим

13 мая 2019

Elaphe L1500 – первое серийное безредукторное мотор-колесо


Александр Климнов, фото Elaphe


Как известно самым компактным и экономичным типом электротрансмиссий считается мотор-колесо, где тяговый электродвигатель встроен непосредственно в ступицу колеса без промежуточных элементов привода, но… одной из главных проблем такого «активного колеса» до сих пор была необходимость наличия внутреннего зубчатого редуктора, который позволял синхронизировать работу высокооборотного электромотора с вращающимся с гораздо меньшим числом оборотов автомобильного колеса.


Естественно такой редуктор весил немало и это вело к повышению неподрессоренных масс ходовой части и снижению КПД, а значит, нивелировало все преимущества системы, при том, что в идеале она должна была полностью избавить конструкторов от проблем с внутренней компоновкой и развесовкой электромобиля, а также повысить его маневренность. И вот, похоже, данная давняя техническая проблема стала на шаг ближе к решению.


Словенская компания Elaphe Propulsion Technologies начинает серийное производство безредукторной электротрансмиссии L1500.


Мотор-колесо Elaphe L1500 достигает самых высоких на рынке значений крутящего момента для тяговых электродвигателей, создавая максимальный крутящий момент 1500 Н•м без использования каких-либо зубчатых колес.


Максимальная мощность электродвигателя в мотор-колесе может достигать выходной мощности более 110 кВт (147 л. с.) и вписывается в обод колеса размерности 19 дюймов или более. Мотор-колесо L1500 совместимо со всеми типами привода: на заднюю ось, переднюю или полным приводом. Соответственно с таким мотор-колесом легко можно сделать и ТС со всеми управляемыми колесами, а также не представляет сложности осуществление рекуперативного режима, а также применение всех современных систем активной безопансости от ABS до управления вектором тяги.    


Двигатель Elaphe L1500D отличается уникальной компактной кольцевой компоновкой вокруг стандартных поворотных кулаков и фрикционных тормозных систем.


Высокопроизводительные мотор-колеса Elaphe предназначены для интеграции в транспортные средства, начиная от небольших гибридов и электромобилей и заканчивая внедорожниками и легкими коммерческими автомобилями, практически без переделки и модернизации их серийных колесных ступиц и прочей механики ходовой части.

Наиболее примечательными особенностями мотор-колес Elaphe выступает сочетание их чрезвычайно высокого крутящего момента, малого веса и уникальной по своей компактности кольцевой компоновки вокруг стандартных поворотных кулаков и обычных тормозных систем.


Мотор-колесо L1500 D-серии было оптимизировано для мелкосерийного производства, а его более ранние версии были испытаны на нескольких типах транспортных средств, включая легковые автомобили и внедорожники. Компания разворачивает серийное производство небольших партий таких мотор-колес с четвертого квартала 2019 года.


Ранее компания Elaphe продемонстрировала прототипы «мулов» на базе платформ Smart ForTwo, кроссовера BMW X6 и суперкара Audi R8, в том числе продемонстрировав работоспособные решения для тяговых электродвигателей с непосредственным приводом колес.


В ходе недавно проведенных трековых испытаний трансмиссии L1500 на модифицированном прототипе электромобиля, он разгонялся с нуля до 100 км/ч за 3,5 с, что стало рекордом для ТС трансмиссией на мотор-колесах.


Компания Elaphe в настоящее время работает над аналогичными прототипами с другими крупными производителями автомобилей, а также небольшими и начинающими компаниями-производителями электромобилей (стартаперами), и активно ищет партнеров, готовых к новой философии компоновки ТС, которая высвобождает пространство для пассажиров и грузов без полного изменения существующей архитектуры ходовой части и тормозов.

Загрузка

Почему у электромобилей нет четырех моторов в колесах?


Джон Кэри
14385 просмотров
электромобиль, электромобиль, электродвигатели в колесах

Электродвигатели в колесах или ступицах колес не являются новой идеей. Бензиново-электрический гибрид Lohner-Porsche 1900 года, например, приводился в движение электродвигателями, встроенными в ступицы его больших колес с надувными шинами.

Сегодня электродвигатели в колесах можно найти во многих электромобилях. Просто ни один из них не является серийным автомобилем или внедорожником. Колесные двигатели производства Bosch популярны в небольших электросамокатах, таких как китайская марка Niu. Втулочные двигатели с прямым приводом также довольно широко используются в электрических велосипедах.

ПОДРОБНЕЕ: Полный совет по электромобилям и часто задаваемые вопросы
ПОДРОБНЕЕ: Объяснение технологии электромобилей

Тем не менее, некоторые компании разрабатывают четырехколесные электромобили с двигателями в колесах.

Хотите получать последние новости и обзоры электромобилей на свой почтовый ящик? Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку!

Компания Lordstown, расположенная в США, кажется, ближе всего к производству. Основанный в 2018 году завод стартапа в Лордстауне, штат Огайо, был куплен у General Motors. GM также инвестировала в компанию 75 миллионов долларов США.

В электромобиле Lohner-Porsche 1901 года использовались электродвигатели в колесах

Завод в Лордстауне собирает предсерийные версии своей первой модели Endurance ute. Полномасштабное производство должно начаться в сентябре 2021 года, и компания заявляет, что у нее есть 100 000 (необязательных) предварительных заказов на большой пикап с двойной кабиной.

Хотя Lordstown производит моторы внутри каждого колеса Endurance, заслуга в их разработке принадлежит компании Elaphe. У этой словенской команды есть лицензионное соглашение с Lordstown.

Шасси пикапа Lordstown Endurance и его четыре электродвигателя в колесах

Endurance имеет «первую в мире полностью электрическую систему привода на колеса, созданную для работы», по словам энтузиастов с большой буквы в Лордстауне. отдел маркетинга.

Lightyear One не похож на Lordstown Endurance, но у него также есть четыре мотора в колесах. Представленный в 2019 году, этот ультра-аэродинамический и очень дорогой пятиместный седан из Голландии планируется запустить в производство в конце этого года. Инженеры Lightyear, одержимые эффективностью, разработали двигатель, используемый в колесах One, с нуля.

Электромобиль Lightyear One с электродвигателями в колесах

И Lightyear, и Lordstown подчеркивают преимущества двигателей в колесах. По их словам, они простые, энергоэффективные и экономят место. Чего они не упоминают, так это того, что есть недостатки…

Стоимость — один из них. Четыре мотора в колесах будут дороже в производстве, чем один или два мотора на шасси.

Тогда есть практические проблемы. У колесных двигателей тяжелая жизнь. Они подвергаются тем же ударам и нагрузкам, что и само колесо. Как и пассажиры электромобиля, двигатели, установленные на шасси, защищены подвеской от неровностей и ударов, а дополнительная изоляция обеспечивается монтажными втулками.

В колесных двигателях также возникает проблема, где разместить тормоза, которые обычно находятся внутри колеса. Хотя рекуперативное торможение может выполнять большую часть работы по замедлению электромобиля, по соображениям безопасности они также должны быть оснащены фрикционными тормозами.

Технология электродвигателей в колесах, разработанная Elpahe

Еще одна проблема заключается в том, что двигатели в колесах увеличивают то, что инженеры называют неподрессоренной массой. По сути, они увеличивают вес, который должен контролироваться амортизаторами системы подвески. Поэтому инженерам сложнее сделать так, чтобы электромобиль с моторами в колесах ехал плавно и хорошо управлялся.

А моторы в колесах, как правило, тяжелые штуки. Это немного усложняется, так что обратите внимание…

Выходной крутящий момент электродвигателя пропорционален объему его ротора. Не проблема обеспечить высокий крутящий момент, но мощность — другое дело. Проще говоря, мощность — это крутящий момент, умноженный на обороты двигателя, а двигатели в колесах не вращаются очень быстро. На скорости 100 км/ч колесо стандартного размера вращается со скоростью менее 1000 об/мин.

Схема, показывающая компоненты колесного электродвигателя, разработанного поставщиком компонентов Protean 9.0002 Эта неизбежная взаимосвязь означает, что моторам в колесах нужны большие роторы, чтобы вырабатывать достаточную мощность для обеспечения производительности, удовлетворяющей клиентов. Поскольку роторы изготавливаются в основном из магнитной стали, они тяжелые.

Существует альтернатива, и в настоящее время ее предпочитают все основные производители электромобилей…

Они выбирают двигатели меньшего размера, которые могут легко вращаться до скорости более 10 000 об/мин. Односкоростная коробка передач, в корпусе которой чуть больше двух шестерен, используется для умножения более низкого выходного крутящего момента. С дифференциалом двигатель может вращать два колеса. Даже с этими дополнительными компонентами установленный на шасси электродвигатель в сборе является удивительно компактным.

Технология колесных электродвигателей, разработанная Elpahe

Таким образом, хотя колесные двигатели могут сэкономить место, их преимущества не так очевидны, как может показаться на первый взгляд. Кроме того, необходимо принимать во внимание вопросы стоимости, защиты от ударов, упаковки тормозов и неподрессоренных масс.

Сложите все это, и нетрудно понять, почему у электромобилей нет двигателей в колесах. Возможно, Lordstown, Lightyear и другие изменят ситуацию, но маловероятно, что они изменят мнение производителей, использующих моторы на шасси с редукторами и дифференциалами.

Вождение электромобиля GM с приводом от двигателя было взрывом!

Технология внутриколесных двигателей может стать основной частью ландшафта электромобилей. GM показала путь своим электрическим демонстратором S-10 два десятилетия назад.

В самом начале 1990-х годов GM занималась преобразованием своего единственного прототипа электромобиля Impact в автомобиль, который можно было бы легко производить. В то время компания экспериментировала с различными силовыми схемами и комбинациями двигателей, чтобы определить наилучшую для своей новой системы электропривода. Мы из первых рук убедились, что GM уделяет особое внимание разработке практичной электрической силовой установки для своего будущего электромобиля EV1 на испытательном полигоне GM в пустыне в Фениксе, штат Аризона. Здесь, 9Редакторы 0018 Green Car Journal провели несколько тестовых автомобилей для программы EV, включая минивэн Chevrolet Lumina APV с электрическим приводом и электрический Geo Storm.

Что было необычным в транспортных средствах, так это применение индивидуальной электрической тяги на каждом переднем колесе с использованием пары двигателей. Ясно, что было над чем работать. Дисбаланс синхронизации в этих тестовых мулах вызывал неравномерность рулевого управления, но инженерное направление присутствовало. В конечном итоге EV1 стал производиться ограниченным тиражом, но с одним электродвигателем. Это, казалось, отодвигало усилия GM с двумя двигателями на историческую сноску в ее стремлении к электрификации.

Как оказалось, это не закончило исследования GM в области двигателей, приводящих в действие отдельные колеса. В 2004 году автопроизводитель создал инновационную систему привода «мотор-в-колесе», которая сильно отличалась от его предыдущих разработок. Компания продемонстрировала эту технологию на гибридном электрическом пикапе Chevrolet S-10, оснащенном встроенными двигателями на каждом заднем колесе. Эту переднеприводную мощность дополнил 120-сильный 2,2-литровый двигатель внутреннего сгорания пикапа.

Разработанные Центром передовых технологий GM и произведенные в Италии, двигатели развивают мощность около 34 л.с. (25 киловатт) каждый и прибавляют в общей сложности 80 фунтов к задним колесам. Автопроизводитель обратился к компании Quantum Technologies, расположенной в Южной Калифорнии, для создания концептуального грузовика. Quantum модифицировала охлаждающую, силовую и электрическую системы автомобиля, а также разработала специальный электронный контроллер и соответствующее программное обеспечение.

Редакторы Green Car Journal когда-то имели возможность протестировать этот S-10 с мотор-колесом в Лос-Анджелесе. Результатом стало подтверждение стратегии GM. S-10 продемонстрировал значительно большую мощность, чем стандартный вариант, и ускорение было определенно впечатляющим. По словам инженеров GM, эти мотор-колеса добавляют примерно на 60% больший крутящий момент при запуске, причем этот крутящий момент доступен мгновенно, схема питания, которая позволяет четырехцилиндровому двигателю работать так же, как шестицилиндровому.

Во время нашего тест-драйва эта концепция двигателя в колесе не рассматривалась GM как система привода электромобиля. Это была гибридная стратегия, которую потенциально можно было добавить к любому количеству моделей автомобилей для обеспечения более высокой производительности и значительного улучшения экономии топлива. Технология не материализовалась как популярное гибридное приложение по мере развития области. Тем не менее, мы видим, что сегодня у колесных двигателей есть очень реальный потенциал в мире аккумуляторных электромобилей, поскольку их отстаивают некоторые автопроизводители и поставщики, такие как Protean Electric и Elaphe Propulsion Technologies.