Мотор-колесо для электромобиля становится все более популярным элементом компоновки электротранспорта. Узнайте больше, как это работает в действующих моделях.
Недавно презентованный отечественный электромобиль El Panda имеет не один, а 4 двигателя, выполненных в виде мотор-колеса. Хотя такая конструкция и выглядит прорывной технологией, на самом деле идея двигателей, заключенных в колесо, далеко не нова. На автомобиле Lohner-Porsche 1900 года выпуска уже стояло мотор-колесо, хотя, конечно и не такое совершенное как нынешние.
Купить такой двигатель в каком-нибудь китайском магазине тоже не составляет особого труда. Да и стоимость их достаточно приемлема.
Проблема заключается в управлении такими двигателями и совместимости их с уже разработанными моделями электромобилей. Поставить электродвигатель на любой автомобиль вместо бензинового проще, так как не нужно переделывать всю конструкцию. Тяжелые мотор-колеса увеличивают неподрессоренную массу, хотя и освобождают место под капотом для размещения батареи.
Поэтому до настоящего времени такие двигатели ставят, в основном, на небольшие легкие городские электромобили, которыми легко управлять на гладкой дороге. Кстати, перспективная российская Панда как раз к таким и относится.
Лидерами в разработке колесных двигателей, пожалуй, можно считать компании Michelen и Protean. Если первая уже давно производит такие колеса, мощностью 15 кВт каждое, то вторая занимается серьезными исследованиями в этой области.
Примером может служить электромобиль-внедорожник Ford F 150, на который еще в 2008 году Protean поставила 4 мотор-колеса мощностью в 100 л.с. каждое! Правда, вес одного колеса составлял 31 кг, зато оно в себя включало и тормозную систему и активную подвеску. Активная подвеска позволяет за доли секунды регулировать колебания, которые возникают при движении. Достигается это за счет электрических сигналов от контроллера.
Благодаря тому, что целый ряд блоков автомобиля становятся ненужными – трансмиссия, подвеска, сцепление – управление становится более быстрым и точным, ведь теперь не требуется передавать усилия через посредников.
Конструкция электромобиля с мотор-колесами позволяет значительно экономить заряд батареи:
Все это позволяет экономить до 20% энергии, а значит и подзарядку батарей можно производить реже. Главной задачей современных мотор-колес является максимальная совместимость с уже имеющимися конструкциями автомобилей. В идеале в обычный кузов должен встраиваться блок управления, а обычные колеса меняются на моторы. Но, конечно, пока такая совместимость остается только в мечтах.
hifak.ru
Для начала разберемся, что ж такое электромобиль. Что бы не придумывать заумных терминов, скажем просто: это обычный автомобиль, у которого вместо двигателя внутреннего сгорания, электрический двигатель, получающий энергию от автономного источника (топливных элементов или аккумуляторов). Данное устройство не стоит путать с транспортными средствами, имеющими электрическую передачу, тролейбусами или трамваями, так как принцип его действия несколько иной, но об этом чуть позже.
Многие автолюбители будут удивлены, узнав, что свое развитие электромобиль начал почти 180 лет назад, за пол века до того как появились первые автомобили, а причиной их «рождения» стало открытие электромагнитной индукции. Понятное дело, что ученные практически сразу начали искать пути активного применения открытого явления. И вот, в 1841 году, к вниманию общественности было представлено первое электрическое транспортное средство – тележка, оборудованная электромотором.
По сути, это и был первый электромобиль, хотя некоторые ученные с этим не согласны, утверждая, что в период с 1830 до 1840 года, уже было представлено как минимум три похожих конструкции: первая Робертом Андерсоном, вторая – Робертом Девидсоном и третья – Томасом Девенпортом. Все они могли передвигаться со скоростью до 4 км/час, имели большой вес и были крайне неудобны в использовании. Ах если бы ученные тех времен, могли додуматься до изобретения современных аккумуляторных батарей, дело пошло бы гораздо быстрее. Но они встали на правильный путь, положив начало этого процесса!
Прошло каких-то 25 лет и в 1865 году француз Гастон Планте представил миру предка известного сегодня автомобильного аккумулятора. Конечно, он был далек от совершенства и не подходил для практического применения, однако, принцип его работы, дал толчок действиям других изобретателей. И вот, к началу 80-х годов ХIX века, начали создаваться достаточно емкие и сравнительно легкие аккумуляторы, а главное – такие устройства можно было заряжать. Это событие создало настоящий бум в мире электромобилестроения, а период с конца XIX до начала ХХ века, считают «золотым веком» развития электромобиля. Самое парадоксальное, что на фоне всех этих событий практически никто не верил в возможность использования двигателя внутреннего сгорания. Среднестатистическое транспортное средство того времени, имеющие электрическое питание, могло развивать скорость до 30 км/час, весь день ездило без подзарядки, а электромотор бесшумно работал в любых условиях, не требуя переключения передач.
Сейчас в это трудно поверить, но такая конструкция выгодно отличала электромобиль от грохочущего и капризного автомобиля, оставляющего после себя запах гари, бензина и требующего ручного переключения передач. Конечно, обеспеченные люди, которые могли себе позволить приобрести безлошадное средство передвижения, отдавали предпочтение первому варианту, тем более, что управлять им с легкостью могли женщины и пожилые люди.
А Вы знаете, кому принадлежат первые рекорды скорости? Правильно, и тут не обошлось без электрических машинок. В 1895 году, впервые провели официальные «гонки», в которых победил электромобиль француза Шарля Жанто, установив рекорд скорости - 63 км/час, а уже в 1899 году, неизвестная ранее новинка, не только достигла 100-километрового скоростного рубежа, но и превысила его. В этом случае, разогнавшись до 105 км/час, отличился электромобиль бельгийца Камилема Иенатци.
В том же 1895 году, русский инженер-изобретатель Ипполит Романов, создал первый электрический омнибус, вмещающий в себя 17 пассажиров. Идея конструкции машины, была позаимствована у английских кебов (извозчик размещался позади пассажиров, на высоких козлах). Такой экипаж мог быть двух- или четырехместным, а диаметр передних колес, превосходил задние. Первый в мире электромобиль использовал свинцовый аккумулятор системы Бари, который имел 36 вольтовых столбов и требовал подзарядки каждые 64 километра (60 верст). Разработку данного экипажа, переняли у американских моделей фирмы «Моррис-Салом», выпускающей автомобили с 1898 года.
Первое десятилетие ХХ века, принесло электромобилям еще большую славу. Где они только не использовались: в качестве такси, карет скорой помощи, пожарных автомобилей и других видов общественного транспорта, что стало возможным благодаря увеличившейся скорости и дальности поездок.
Однако, сторонники применения двигателей внутреннего сгорания не сидели сложа руки и занимались активным усовершенствованием своей идеи. Со временем, они смогли добиться желаемого результата – бензиновые двигатели стали вытеснять электрические. А помогло им в этом, сразу несколько факторов:
- во-первых были открыты богатые месторождения нефти, что быстро привело к массовому изготовлению дешевого бензина;
- во-вторых, началось строительство новых дорог и развитие сети старых, а это позволило совершать дальние поездки, для чего электромобили не были приспособлены; в-третьих, из-за сравнительно большого веса и намного меньших скоростных возможностей, интерес общественности к электромобилям заметно упал, а все внимание переключилось на более выгодные, в этом плане, автомобили.
Однако, главным фактором резкой популярности бензиновых двигателей, стала более совершена конструкция транспортного средства, которая, к тому же, обходилась значительно дешевле. Таким образом, к 1920 году, среди всех транспортных средств, электрические машины занимали только 1%, а в 1930 - их и вовсе перестали выпускать.
Как мы только что отметили, бензиновые и электрические машины, внешне ничем не отличаются, а значит при встрече с таким «чудом техники», Вы можете и не понять, какой именно автомобиль (или лучше сказать, электромобиль) находится перед Вами. Единственной особенностью, выдающей электрическое транспортное средство в процессе движения, есть практически полное отсутствие звука работающего двигателя. Однако, при всей внешней схожести, принцип работы этих двух видов, существенно отличается. Начнем с того, что под капотом электромобиля вместо двигателя внутреннего сгорания находится электрический агрегат, получающий питание от аккумуляторных батарей. Они выполняют роль своеобразного «топливного бака» и обеспечивают электромотор необходимой рабочей энергией.
Также, в конструкции этого транспортного средства предусмотрен контроллер, являющий собой блок управления электродвигателем, который обеспечивает равномерную подачу тока в сеть между аккумуляторами и силовым агрегатом. Благодаря имеющимся в наличии переменным резисторам, формируется сигнал о количестве нужной энергии, после чего он поступает на контроллер. Когда электромобиль прекращает движение, работа данного устройства тоже останавливается, а при нажатии на педаль «газа» (акселератора) оно опять начинает обеспечивать подачу электрического тока на мотор. Для повышения безопасности, в педали акселератора электромобиля вмонтировано два потенциометра. Контроллер считывает с них импульсы и соответственно получаемым данным, совершает регулировку мощности силового агрегата. Если устройство зафиксирует между сигналами, хотя бы одно, даже самое незначительное отличие, то реакция на них будет полностью отсутствовать.
Частота подаваемых импульсов, равна 15000 раз в секунду, а учитывая, что человеческий орган слуха не способен ее улавливать, работа контроллера и электромотора остается для нас практически бесшумной.
Основой деятельности электрического двигателя является принцип электромагнитной индукции, который связывают с появлением электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока. Двигатель электромобилей переводит электрическую энергию в необходимую механическую, при чем коэффициент его полезного действия составляет 85-95%. Такая идея далеко не новая, а в основе любого подобного мотора лежит эффект, обнаруженный Майклом Фарадейем еще в 1921 году: при взаимодействии магнитного поля и электрического тока – возникает непрерывное вращение.
Как видите, принцип работы электромотора значительно отличается от ДВС, однако, что касается остальных составляющих конструкции электромобиля, то они практически такие же как и в бензиновом варианте: есть коробка передач, подушки безопасности, тормозная система и т.д.
Главное достоинство современных электромобилей – это выгодность эксплуатации. В первую очередь, намного дешевле обходится «топливо», ведь цены на бензин растут с каждым днем, а электрическая энергия, все таки, несколько доступнее. Даже тот факт, что одного заряда батареи хватает лишь на 50-60 километров, не является преградой, так как большинство людей за один день не проезжают и этого расстояния.
Конструкция электромобилей значительно проще: нужно всего лишь замкнуть электрическую цепь и контролировать уровень ее напряжения, при чем сложные механизмы, типа карбюраторов, инжекторов или фильтров полностью отсутствую, а это значит, что такие машины не нуждаются в частом и дорогом обслуживании. Бесспорным преимуществом электрокаров есть и отсутствие вредных выхлопных газов. Конечно, для зарядки аккумулятора требуется сжигать уголь, мазут или газ, но в общем счете, с точки зрения экологической ситуации, все это не так катастрофично, как эксплуатация беспрерывно пыхтящего автомобиля. К тому же, КПД электромоторов составляет 90-95%, что несомненно выше чем у ДВС с их 40-60%.
Еще одним фактом, выставляющем электромобили в выгодном свете, есть их бесшумный режим работы. Если для жителей маленьких городков, подобное преимущество не существенно, то для населения мегаполисов – это более чем весомый аргумент, ведь постоянный шум на улицах, хорошо слышен и в квартирах.
Тем не менее, нельзя сказать, что электрические машинки полностью «безгрешны». Самым главным их недостатком является ограниченность заряда батареи, запаса которой (без подзарядки) на длительные поездки не хватит. К тому же, они занимают слишком много места в салоне машины, а строк их эксплуатации не отличается долговечностью – через каждых два-три года детали придется менять. Учитывая, что стоят аккумуляторы немало, становится понятным, почему большинство автомобилистов считает их главным слабым звеном электрокаров. Еще одним минусом, эксперты называют низкие динамические характеристики, исходя из которых, электрические моторы до сих пор уступают бензиновым собратьям.
Также, существенной проблемой, актуальной в основном для жителей северных стран, есть отсутствие системы нормального обогрева салона. Дело в том, что обычный автомобиль, при нагревании двигателя, отдает тепло непосредственно внутрь кузова транспортного средства, за счет чего там создаются комфортные температурные условия (имеется ввиду холодная пора года). В случае с электромобилем, все несколько сложнее: электромотор не способен нагреваться, а значит ему нечего предложить салону и для обогрева последнего, приходится использовать дополнительную энергию.
Однако, все описанные недостатки – временное явление. Технический прогресс не стоит на месте и в скором времени, мы уже не вспомним о теперешних проблемах электромобилей, что в будущем позволит таким машинам стать еще популярнее.
Вот, кажется, только поняли, что из себя представляет электромобиль, как тут еще одна диковинка – гибридное транспортное средство. На самом деле, здесь также нет ничего сложного, а название говорит само за себя - это автомобиль и электромобиль в одном флаконе. Другими словами, гибридное авто для своей работы использует более одного источника энергии. В современном мире, такими источниками, чаще всего, есть совместное использование электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания. Подобное решение ограждает ДВС от работы при малых нагрузках, а также позволяет реализовать рекуперацию кинетической энергии, повышая тем самым топливную эффективность всей установки. Вторым, существующим видом гибридных автомобилей есть машины, в которых ДВС совмещен с моторами, работающими на сжатом воздухе.
Обратите внимание! Средства передвижения, работающие на электромеханической трансмиссии (тепловозы, трактора, танки и т.д.) не считаются гибридами. Первый автомобиль, оснащенный гибридным приводом – это Lohner-Porsche, разработанный в 1900-1901 годах конструктором Фердиналом Порше. Первым американским разработчиком, считается Виктор Воук, который начал создавать гибридные автомобили в 60-х – 70-х годах.
На сегодняшний день, самым популярным в мире гибридным транспортным средством, является Toyota Prius. На рынки Украины, данная модель поступила в продажу лишь в апреле 2010 года, в то время как до осени того же года, ее владельцами по всему миру, стали более 2 млн. человек (мировой дебют состоялся в 1997 году). Сегодня, можно приобрести уже третье поколение Prius, но и это еще не конец: недавно стартовали продажи подзаряжаемой версии гибрида и версии с более вместительным багажником.
Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.
Была ли эта статья полезна?Да Нет
auto.today
Электромобили двигаются под действием электричества, которое первоначально попадает к ним из обычной домашней электросети и запасается в автомобильных перезаряжаемых аккумуляторах.
Такому автомобилю не нужна коробка передач, применяемая в двигателях внутреннего сгорания. Потому что вал электродвигателя здесь присоединен прямо к колесу. Электричество питает мотор, и мотор крутит колесо, которое двигает машину. Сейчас сделаны опытные электромобили с одноразовым запасом энергии на борту, достаточным для 130-мильного пробега. Эти автомобили намного меньше загрязняют окружающую среду и работают значительно тише, чем автомобили, "кушающие" бензин. Пожалуй, главным недостатком электромобиля является то, что ему требуется шесть часов на полную зарядку аккумуляторов.
Если взглянуть на приборную панель электромобиля (рисунок выше), то видно, как просто сделан рычаг управления передачами, — по той причине, что в машине нет коробки передач. Все, что должны показывать приборы на панели, это число оборотов в минуту двигателя, скорость автомобиля и уровень зарядки электрической батареи.
Принципиальная схема электромобиля
Электромобиль движется под действием электрической энергии, которую он первоначально запасает в своих аккумуляторах (рисунок ниже). При движении автомобиля электрическая энергия приходит на электромагнитный разъем. Оттуда под управлением водителя и сигналов от датчиков энергия поступает на электродвигатели, которые крутят колеса и заставляют автомобиль двигаться.
Схема заряда аккумуляторов электромобиля
Электро-зарядное устройство автомобиля нужно для того, чтобы бортовые аккумуляторы накопили новую электрическую энергию взамен истраченной на движение автомобиля. Устройство получает энергию для зарядки через обычную электро-розетку, какие стоят в жилых домах.
Мощный постоянный магнит, находящийся внутри электродвигателя, позволяет вращать колесо без ведущего вала и шестеренок, применяемых в обычных автомобилях. Поэтому в электромобиле нет дифференциала, передаточных устройств с шестеренками и коробки передач. Энергия там идет от электродвигателя прямо на колеса.
В модели электромобиля "Дестини 2000" (Destiny 2000) сочетается применение солнечных панелей и аккумуляторов с кузовом из стекловолокна.
information-technology.ru
|
Статья:   Токмаков Н.М.
Речь пойдет о деле жизни увлеченного экологическим транспортом человека, Советского офицера, Российского полковника Бозноскова Валерия Васильевича. Валерий Васильевич, проведя всю свою военную часть жизни на полигонах и в горячих точках африки и ближнего востока, после выхода в отставку отдался любимому увлечению - экологическому транспорту. А именно электромобилям, наиболее перспективной альтернативе ближайшего будущего. Он активно участвует в интернет-форумах электромобильной тематики, создает собственный сайт и форум, прилагая массу усилий поддерживая его оживленную работу. Валерий Васильевич ставит целью показать, что не только концерны могут осуществить постройку электромобиля, но и простой человек способен изготовить себе электромобиль, зарегистрировать и пользоваться на общих основаниях. Для популяризации идеи было создано несколько образцов электротранспорта, создан Центр экологического транспорта, ведется работа в правительстве Москвы по созданию московского серийного электромобиля. За последние годы создано несколько экземпляров электротехники, а именно электрическая Монза, грузовичек Портер, электрический трайк, электрический мотоцикл Сузуки, электрический багги, в стадии трансформации находится автомобиль SMART.А теперь непосредственно об изделиях:
Первый результат получился удачным и вдохновил автора на продолжение работ. Электромобиль имеет хорошую динамику и управляемость. В интернете Вы можете найти ролики с показательными выездами электромобиля. Время разгона до 100 км/час 14 секунд, пробег на одной зарядке без остановок 60 км, дневной пробег (с остановками) 75 км, максимальная скорость 120 км/час.
Первая фотография дает представление как изменилась приборная панель (торпеда) бывшего автомобиля. На ней прибавился вольтметрэ на 120 вольт и амперметр. Далее можем видеть коммутационную аппаратуру, которая использована в электромобиле:контактор, шунт, реостат для регулирования оборотов двигателя,автомат на 1500 ампер для защиты от перегрузок и коротких замыканий. На одной из последующих фотографий видим тяговый двигатель с пиковой мощностью 60 кВт, размером по классификации производителя 8" (восемь дюймов). И замыкает галерею снимков фотография зарядного устройства Зиван на 132 вольт с мощностью зарядного тока 3 кВт. В связи со значительным интересом к электромобилю он был капитально отремонтирован, перекрашен кузов, перетянута обивка салона, заменены декоративные элементы кузова. Электро-MONZA является одним из двух официально зарегистрированных в ГИБДД электромобилей, имеет номерной знак. Видеоролик можно получить с ресурса RUTUBE: http://rutube.ru/tracks/205904.html?v=4c673a528749dcdcb942c5382d975a1d
Переделка автомобиля заняла всего 3 месяца с учетом ожидания заказанных деталей и аккумуляторов. Работу выполняли два человека. Грузовик не подпадает под ограничения для грузовых автомобилей, кроме этого имеет льготы как электрофицированное транспортное средство. Грузовик с электродвигателем имеет более лучшую динамику чем с родным турбодизелем. Время заряда аккумуляторов с накопительной мощностью 25 киловатт составляет 6-8 часов. В августе сего года (2009) получены регистрацмонные документы и сейчас электрический грузовик на законных основаниях может быть участником дорожного движения. 
В процессе регистрации обнаружилось некоторое изменение порядка сертификации в НАМИ. Сейчас надо представить аналоги транспортного средства. Дело в том что при регистрации "ГАЗЕЛИ-электро" компания "ГАЗ" сертифицировала некоторые агрегаты, например,моторы и контроллеры Azure Dynamics/Solectria, вакуумник GAST, батареи ThunderSky и некоторые другие. Претенденту на сертификацию проще пройти процедуру если использует эти агрегаты. С неизвестными китайскими регистрироваться будет сложней. 
Скачать видеоролик для просмотра можно здесь: http://electroauto.ru/video/electric_morocycle.wmv или здесь http://www.youtube.com/watch?v=hFoycCb_Yno
В заключение не лишне сообщить, что дешевый электромобиль удовлетворяющий большинству требований к автомобилю возможен. Валерий Васильевич пришел к такому выводу из следующих соображений: 1. Электромобиль в бюджетном варианте может проехать до 100 км за день. 2. Основной путь большинства людей живущих и работающих в городе из дома до работы и обратно не превышает 50-60 километров, а это основной ежедневный маршрут. И действительно если подумать, то становится ясно, что этот основной маршрут съедает много денег на бензин, при том, что половину времени в пути люди стоят в пробке. При этом бензин продолжает потребляться, а электромобиль в этот момент стоит не потребляя ни одного ватта энергии. Помимо этого свойство аккумуляторов таково, что при простое они немного самоподзаряжаются. Так, что для электромобиля это выгодно в двойне. 3. Электромобиль может радовать владельца дешевизной эксплуатации, динамичностью, способностью передвигаться в тех местах, где нахождение коптилкам запрещено. Езда происходит в полной тишине. 4. В мире идет процесс электрофикации транспорта. Автопроизводители разрабатывают серийные электромобили. В ближайшие годы электромобили начнут сходить с конвейеров массовым потоком.
Примечание: Весной этого года (2009 г.) на заседании правительства мэр Москвы Юрий Лужков заявил, что необходимо переводить внутригородской транспорт на электротягу. По его мнению, электромобили благоприятно повлияет на экологию города, и эта работа является очень важной. Планируется открытие заправок для электромобилей с использованием льготных ночных тарифов на электроэнергию, предоставить преоритет электромобилям по доступу в центр города, льготы по парковке.
Нынешний мер пока умалчивает судьбу экологического транспорта.
elektrocar.narod.ru
Чистое подкапотное пространство без подтеков масла, плюс дополнительное багажное отделение вместо моторного отсека. В это трудно поверить, но если во владении находиться электрокар компании Tesla Motors – Tesla Model S, то это возможно. Причем сам двигатель находиться не где-нибудь, а между задних колес, и как будто интегрирован в шасси.
Электрический двигатель модели Tesla S – настоящее чудо конструкторской мысли, но к сожалению, данных о нем не так много. Для тех, у кого он вызвал настоящий интерес, была представлена замечательная возможность детально рассмотреть его на одном из стендов российского автосалона. Но больше всего поражают не столько детали двигателя, сколько его мощностные характеристики. Мощность в 400 л.с, которую дает двигателю современная литий-ионная батарея 85 кВт, способна разогнать автомобиль до сотни км/ч всего за каких-то 5,5 секунды. Максимум скорости, которую может дать электрокару двигатель, размером с большой арбуз – 200 км/ч. Причем крутящий момент будет варьироваться в зависимости от комплектации, но в пределах от 400 до 600 Hm. Как было замечено ранее, весь блок находиться на задней оси автомобиля, причем двигатель находиться под батареей и совмещен с инвертором, на которого возложена вся работа по управлению.
Что касается электроэнергии, то она подается через медные провода, буквально впрессованные в статор. При изготовлении самого корпуса статора была применен специальный сплав, преимущество которого – высокая теплопроводимость. Плюс ко всему, в его задачу входит и отвод излишков тепла от деталей работающего двигателя, которые находятся в постоянном движении. Охлаждающая жидкость подается через специальные разъемы, а теплоотводящий контур способствует охлаждению и самой батареи. Главное преимущество «малыша»-мотора, хотя многие спорят, что это недостаток – бесшумность его работы. А Вы как думаете, представляет ли угрозу для безопасности пешеходов, бесшумная работа двигателя, и является ли это преимуществом для самого водителя?
Нравится
Лайк
Ретвит
+1
teslafor.me
В настоящий момент у нас уже имеется некоторая теоретическая база для расчета параметров электромобиля (автомобиля): Силы, действующие на электромобиль (автомобиль). Основываясь на предшествующих выкладках, сейчас можно заняться более увлекательным делом – расчетом параметров двигателя электромобиля. Сказанное далее также будет касаться и расчетов двигателя автомобиля. Однако для ДВС параметры крутящего момента изменяются в зависимости от частоты вращения, по-этому расчет требуемых параметров двигателя автомобиля сложнее, и не будет приведен далее, хотя смысл расчетов сохранится и в этом случае.
Для правильного выбора двигателя электромобиля нужно знать такие характеристики как номинальная и пиковая мощности, а также значение крутящего момента и частоты вращения вала. Номинальная мощность используется для поддержания заданной постоянной скорости. Пиковая мощность требуется для разгона электромобиля. Знание мощностных характеристик двигателя потребуется для расчета параметров аккумуляторной батареи и контроллера. Знание крутящего момента и частоты вращения вала электродвигателя требуется для определения параметров редуктора и выбора самого двигателя.
Для расчета минимально необходимой для движения частоты вращения двигателя воспользуемся уже известной нам формулой:
ν = (2*π*r*n*3,6)/(uкп*uгп)
Где:
Из нее выводим нужную нам фомулу вычисления частоты вращения вала двигателя:
n = (ν*uкп*uгп)/(2*π*r*3,6)
Поскольку многие двигатели маркируют частоту вращения вала не в герцах, а в оборотах в минуту, то для перевода величин полученный результат в Гц необходимо умножить на 60.
Расчет максимального крутящего момента будет посложнее. Однако, мы сможем справиться и с ним... Приведу формулу баланса сил (да простят мне отцы-основатели механики, что формула получилась в скалярном виде из-за ограничений HTML:), необходимую для описания равноускоренного движения электромобиля (автомобиля):
Fтяги = Fкач. + Fпод. + Fвозд. + Fин.
Где:
Теперь подставим в уравнение уже известные нам формулы:
(ηтр. * Mе * uкп * uгп)/r = ƒ*m*g*cosα + m*g*sinα + Cx*S*ρ*ν2/2 + m*a*σвр
Где:
Формула получилась большой... Далее добавим недостающие элементы получившейся мозаики, сделаем формулу гигантской и преобразуем ее в подходящий для дальнейшего кодирования вид:
Mе = (ƒ*m*g*cosα + m*g*sinα + Cx*S*ρ*ν2/2 + m*(ν/(3,6*t))*(1,05 + 0,05*u2кп ))*r/(ηтр. * uкп * uгп)
Приведенных выше расчетов уже хватает для того, чтобы рассчитать необходимые параметры двигателя. Выбираем двигатель с несколько большими значениями эффективного крутящего момента и частоты вращения вала, что позволит провести дальнейшие расчеты уже на основе модели с реальным двигателем.
Как мы помним со времен учебы в школе, для определения мощности, требуемой для поддержания постоянной скорости, необходимо знать значение силы, которая уравновешивает действие сил, препятствующих движению и значение самой скорости. Перемножая эти параметры, получаем значение номинальной мощности. Формулу приводить не буду, так как пальцы устали. Кому было сложно вообразить формулу по описанию пишите, исправлюсь, когда пальцы отдохнут:).
Аналогично можно рассчитать пиковую мощность, потребляемую мотором во время разгона (скорость разгона нужно взять среднюю), только в этом случае для точности рассчетов надо вычислить среднее значение силы сопротивления воздуха за время разгона. В калькуляторе электромобиля я не буду возиться с дифф. уравнениями, а просто рассчитаю среднее значение численным методом (применяется не из-за отвращения к алгебре, а только для упрощения и без того сложной ситуации, чтобы было меньше ошибок).
Да. Мы сделали еще один маленький шаг одного человека на пути к калькулятору электромобилей, однако это громадный шаг для всего человечества. И все это благодаря Интернету. Заходите через несколько недель, будем тестировать предварительную версию калькулятора электромобилей...
Copyright © Дмитрий Спицын, 2007.
sdisle.com
Нурбей Гулиа, Сергей Юрков
Электромобиль – транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся от электромотора питаемого электробатареей, появился впервые в 1838 году в Англии. Электромобиль существенно старше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поначалу он опережал автомобиль по скорости и объему выпуска, но не смог стать серьезным конкурентом автомобилю. На наш взгляд, это происходит, в основном, из-за недостатков электромобилей, питаемых от электроаккумуляторов.
Вопреки бытующему мнению о высокой экономичности аккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергия топлива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортного средства всего на 15% и менее. Это происходит из-за потерь энергии в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для аккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах, как в тяговом, так и в генераторном режимах, а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии. Для сравнения, дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует в механическую энергию около 40% химической энергии топлива. При большом распространении аккумуляторных электромобилей, а особенно с учетом сказанного, им просто не будет хватать электроэнергии, вырабатываемой электростанциями мира. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира.
Проблемы снимаются при питании электромобилей от так называемых первичных источников электроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива. В первую очередь, такими источниками являются топливные элементы (ТЭ), потребляющие кислород и водород. Кислород можно забирать из воздуха, а водород, в принципе, можно запасать в сжатом или сжиженном виде, а также в так называемых гидридах. Но реальнее его получать из обычного автомобильного топлива прямо на электромобиле с помощью конвертора. Эффективность топливных элементов несколько снижается, но зато не меняется вся инфраструктура топливозаправочного хозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок – около 50%. Такие топливные элементы и конверторы разработаны, в частности, и российскими предприятиями, с которыми сотрудничают авторы статьи.
Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка – высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов. Это, во-первых, невозможность рекуперации энергии при торможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во-вторых, низкая удельная мощность топливных элементов.
При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400...600 Вт·ч/кг), удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Это делает массу топливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, очень большой. Например, для электромобиля с максимальной потребной мощностью 100 кВт и электробуса с максимальной потребной мощностью 200 кВт, это соответствует массам топливных элементов 1670 и 3330 кг, соответственно. Если прибавить массы тяговых электродвигателей, примерно равные 150 и 400 кг, соответственно, то получаются массы силовых агрегатов, совершенно неприемлемые для легкового электромобиля, и требующие пятитонного прицепа для электробуса.
Делаются попытки снижения массы топливных элементов с использованием в качестве промежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающих высокой удельной мощностью. Однако, и этот путь недостаточно эффективен, так как лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильной техники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55 Вт·ч/кг и 0,8 Вт·ч/литр. В таком случае для накопления всего 2 кВт·ч энергии (это значение рекомендовано специалистами как для электромобилей, так и для электробусов), потребуется около 3000 кг или 2,5 м3 конденсаторов, что нереально. Меньшие значения запасаемой энергии существенно снижают динамические качества машины. Кроме того, при коротком замыкании мощные конденсаторы могут загореться, что очень нежелательно для транспорта. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной.
Супермаховик – маховик, изготовленный навивкой из волокон или лент на упругий центр. Удельная энергия супермаховика на порядок больше значений данного параметра для лучших монолитных маховиков, к тому же он обладает свойством безопасного разрыва, не дающего осколков [1].
Такие схемы осуществлены в новейших опытных образцах гибридных электромобилей фирм Mechanical Technology Inc.(США), EDO Energy (США), и известной Ливерморской национальной лаборатории (LLNL, США) [2]. Удельная энергия супермаховиков из кевлара и графита, достигающая сотен Вт·ч/кг, снижает его необходимую массу до нескольких килограммов (при удельной энергии 200 Вт·ч/кг, для накопления 2 кВт·ч потребуется супермаховик массой всего 10 кг). Однако электромашина накопителя, необходимая здесь помимо тягового двигателя, и рассчитанная на максимальную мощность и поэтому весьма тяжелая, снижает эффективность этой схемы. К тому же она, как и тяговый двигатель должна быть обратимой (и мотором, и генератором), что дополнительно усложняет привод.
Оригинальную схему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма "BMW" (Германия). Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам (рис. 1). Тип маховика фирма "BMW" в отчете [3] не уточняет, поэтому используемый накопитель условно назван просто «маховичным».
Рис. 1. Схема гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом фирмы "BMW" (Германия): 1 – источник тока; 2 – система управления; 3 – обратимая электромашина; 4 – дифференциальный механизм; 5 – мультипликатор; 6 – маховичный накопитель; 7 – главная передача
Источник тока 1 через преобразователи и систему управления 2 связан с обратимой электромашиной 3, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина 3 через сложный дифференциальный механизм 4 с мультипликатором 5 связана с маховиком 6 накопителя и главной передачей 7. В результате масса источника тока 1, например, топливного элемента, может быть выбрана исходя из удельной энергии, а не удельной мощности, что снижает ее для электромобиля и электробуса с пробегом, соответственно, 400 и 600 км до 100...150 и 700...1000 кг. Это вполне приемлемо для данных транспортных средств.
Однако непременным недостатком всех схем с электроприводом остается наличие тяжелого и сложного обратимого электродвигателя. Это отражается на экономичности привода и его массе, включая систему преобразователей тока. Мощная электромашина неэкономична при работе на малых мощностях, характерных для разгона (зарядки) маховичного накопителя. Кроме того, в схеме, помимо главной передачи, присутствует сложный по конструкции и управлению дифференциальный механизм с мультипликатором и тремя системами фрикционного управления (муфтами или тормозами), что усложняет и удорожает привод.
Новая концепция электромобиля, предложенная проф. Н.В. Гулиа, состоит в максимальном приближении и унификации устройств электро- и автомобиля. Это позволяет предельно упростить и уменьшить массу силового агрегата транспортного средства, увеличить его КПД и эффективность рекуперации энергии, а также сделать возможным использование существующих шасси автомобилей и автобусов для установки силовых агрегатов электромобилей и электробусов. Последнее обстоятельство должно существенно удешевить машины, в максимальной степени унифицировать их производство с возможностью оперативно менять соотношение количества машин различных типов и программу их выпуска. Кроме того, по желанию заказчика, транспортное средство может быть оснащено как источником механической энергии (обычным или гибридным тепловым двигателем), так и электрической (топливные элементы с супермаховиком), с установкой заменяемых агрегатов в том же двигательном отсеке при полном сохранении всей трансмиссии.
Такая трансмиссия должна быть рассчитана на перспективу, и включать уже не ступенчатую, а бесступенчатую коробку передач. Такие коробки передач уже достаточно широко выпускаются на основе ременных вариаторов с различными типами ремней («тянущих» и «толкающих»), и используются на автомобилях фирм Nissan, Honda, Fiat, Subaru и др.
Московский государственный индустриальный университет (МГИУ) в содружестве с АМО ЗиЛ ведет работы по разработке бесступенчатой коробки передач на основе нового планетарного дискового вариатора [4]. Бесступенчатая коробка передач на основе дискового вариатора новой концепции может использоваться как на легковых, так и на грузовых автомобилях (в том числе и седельных тягачах) и автобусах.
Новый вариатор, рассчитанный на высокие значения крутящего момента достаточно низкооборотных двигателей автобусов, дает возможность применить новую концепцию электромобиля на мощных электробусах. Следует заметить, что для данной схемы не исключается использование бесступенчатой коробки передач любого типа, имеющей достаточную экономичность, малые габариты и массу, соизмеримые с существующими коробками передач.
Схема электромобиля новой концепции представлена на рис. 2. Как и в других гибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии выбирается исходя из критерия удельной энергии, что при исключительно высоком значении этого параметра обеспечивает малые массы, а также объемы топливных элементов. В данной схеме в качестве промежуточного источника энергии использован супермаховик с теми же энергетическими и массовыми параметрами, что и в других гибридных схемах с маховичным накопителем.
Рис. 2. Схема электромобиля новой концепции
Принципиальным отличием данной концепции электромобиля от других гибридных схем является отбор мощности от источника электроэнергии необратимой электромашиной – специализированным разгонным электродвигателем малой мощности, соответствующей эффективной удельной мощности источника электроэнергии. Для упомянутых выше легкового электромобиля и электробуса это соответствует 15 и 20 кВт. Благодаря высокой частоте вращения разгонного электродвигателя – до 35000 об/мин для легкового электромобиля и 25000 об/мин для электробуса, что соответствует частоте вращения разгоняемых супермаховиков для накопителей этих машин, масса их весьма мала, соответственно 15 и 30 кг (это обычные показатели для отечественных конструкций авиационного назначения).
Источник энергии и разгонный электродвигатель могут быть объединены в один энергетический блок, сходный по массе и габаритам с демонтируемым с шасси двигателем и его системами. Топливный бак и система питания в принципе могут быть сохранены с добавлением конвертора для получения водорода из топлива. Таким образом, в энергетическом блоке химическая энергия топлива преобразуется в механическую в виде вращения вала, совершенно так же, как и у теплового двигателя. Функцию сцепления выполняет выключатель, подключающий электромотор к источнику энергии.
Таким образом, по желанию заказчика в двигательный отсек может быть установлен любой преобразователь химической энергии топлива в механическую – тепловой двигатель или новый энергетический блок. Далее все, как и в обычном автомобиле, вал энергетического блока соединяется с коробкой передач, в данном случае бесступенчатой. Такая коробка передач уже в недалеком будущем заменит менее эффективные ступенчатые даже на обычных автомобилях. В результате мы получаем электромобиль новой концепции в максимальной степени унифицированный с обычным автомобилем.
Каковы же преимущества электромобиля новой концепции? По сравнению с автомобилем это несравненно более высокая эффективность использования топлива и экологическая безопасность. По сравнению со средним КПД преобразования химической энергии в механическую – порядка 10...15% у тепловых двигателей на автомобилях (не следует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме – 30% у бензиновых двигателей и 40% у дизельных), этот КПД у топливных элементов с конвертором – 50%, а у кислородно-водородных топливных элементов – 70%. Вредные выхлопы у топливных элементов практически отсутствуют. Примерно такие же преимущества у электромобилей новой концепции по сравнению с аккумуляторными электромобилями, с той разницей, что вредные выбросы последних имеют место не на самой машине, а на электростанциях.
По сравнению с наиболее передовыми конструкциями гибридных систем электромобилей с топливными элементами и маховичными накопителями, например, схемой предложенной и осуществленной фирмой "BMW", преимуществом новой концепции является меньшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины. Это обусловлено тем, что в новой концепции электромашина не универсальная, обратимая, а узко специализированная, разгонная, загруженная практически постоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной и при высоких частотах вращения. Второе преимущество заключается в отсутствии сложного дифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами, переключающими режимы. Третье преимущество состоит в том, что процесс регулирования частот вращения и моментов от супермаховика до ведущих колес осуществляется не электроприводом, а механическим вариатором, имеющим высший КПД. В особенности это касается процесса рекуперации энергии при торможении, в результате которого кинетическая энергия машины переходит в супермаховик. Ни по частотной полноте передачи этой энергии, ни по КПД этого процесса, электротрансмиссия не идет ни в какое сравнение с механическим вариатором. И последнее преимущество, о котором уже говорилось – почти традиционная автомобильная схема и соизмеримые габаритно-массовые показатели нового энергетического блока с существующими двигателями, позволяют легко заменять один вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (с обычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный и динамичный электромобиль новой концепции.
На рис. 3 представлена схема городского электробуса новой концепции. Эта схема предоставляет устройству большую гибкость, чем в изображенной на рис. 2 структурной схеме.
Рис. 3. Схема городского электробуса новой концепции: 1– источник тока; 2 – электродвигатель; 3 – механизм реверса; 4 – коробка отбора мощности; 5 – планетарный дисковый вариатор; 6, 7 – карданные передачи; 8 – главная передача; 9 – коническая зубчатая передача; 10 – супермаховичный накопитель
Здесь блок супермаховичного накопителя 10, снабженный своим редуктором 9, расположен независимо от остальных агрегатов и мягко подвешен на раме для уменьшения и без того небольших гироскопических усилий при горизонтальном расположении супермаховика. С помощью коробки отбора мощности 4 и карданных передач 7 этот блок может связываться с вариатором 5 как независимо, так и совместно с электродвигателем 2. Этот электродвигатель может быть соединен с вариатором 5 и независимо от супермаховика, и играть роль полноценного тягового двигателя, в основном, на стационарных режимах движения. Несмотря на то, что электродвигатель 2 в этом случае несколько увеличивается по мощности и массе, энергоемкость супермаховичного накопителя может быть существенно снижена, реально до 0,5 кВт·ч. Это позволяет изготовлять супермаховик из такого стабильного и сравнительно дешевого материала, как стальная углеродистая проволока. Выход из строя (разрыв) супермаховика настолько безопасен, что тяжелого защитного кожуха, существенно превышающего по массе сам маховик, и необходимого при маховике из углепластиков, не требуется. Вариатор позволяет тяговому электродвигателю работать в эффективном диапазоне крутящих моментов и частот вращения, передавая только часть мощности, необходимой для движения электробуса, что благоприятно для его работы.
Следует заметить, что проблема создания эффективного электромобиля, уже давно актуальная в технически развитых странах мира, приобретает особую актуальность в настоящее время в России, благодаря новым программам разработки электромобилей, в которых участвуют и авторы данной статьи.
Источники информации:
Дата публикации:
6 февраля 2000 года
n-t.ru
