Двигатель мотор-колеса выполнен в виде торцевой асинхронной машины. Статор закреплен на шасси транспортного средства и выполнен в виде кольца, шихтованного из магнитной ленты и расположенного коаксиально оси. Колесо выполнено в виде ротора, имеющего форму диска, изготовленного из магнитного материала, закрепленного на оси и выполненного с возможностью вращения. Торцевая поверхность диска обращена к торцевой поверхности статора, при этом аксиальный зазор между ними выбран минимально возможным. В состав мотор-колеса входят блок управления и обратимый преобразователь напряжения и частоты с молекулярным накопителем электроэнергии. Предпочтительно диск выполняют с встроенной беличьей клеткой, а его поверхность, обращенную к статору, выполняют с покрытием, которое выполняется из материалов, обладающих высокой электропроводностью. В результате повышается эксплуатационная надежность мотор-колеса с уменьшением габаритов и веса. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к транспортным средствам и может быть использовано в мотор-колесах транспортных средств, перемещающихся по рельсовому, рельсострунному или дорожному полотну.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является мотор-колесо, служащее двигателем каждого колеса транспортного средства, содержащее асинхронную машину, статор которой закреплен на транспортном средстве, а выводы его обмоток подключены к фазным выводам бортового или контактного источника электроэнергии, при этом ротор встроен в колесо с радиальным зазором относительно внутренней цилиндрической поверхности статора (см. патент США 5222568, кл. 180-65.5, oп. 1993). В известном устройстве статор жестко закреплен на оси транспортного средства и выполнен в виде массивного основания, на котором установлен пакет из стальных пластин с обмоткой вокруг них. Ротор выполнен в виде элемента, имеющего в поперечном сечении С-образную форму и короткозамкнутую обмотку, расположенную на внутренней поверхности этого элемента и обращенную к статору, и установлен в подшипниках. Блок управления выполнен с использованием компьютера, Недостатками известного устройства является значительный вес и большие габариты, что обусловлено большим весом статора и наличием С-образного элемента в роторе. Известное мотор-колесо имеет низкую эксплуатационную надежность вследствие повышенного износа крепежных элементов ротора, соединяющих его с подшипниками и ободом, на котором установлена шина. Задачей изобретения является уменьшение веса и габаритов мотор-колеса при одновременном повышении его эксплуатационной надежности. Решение указанных задач обеспечивается новым мотор-колесом транспортного средства, содержащем двигатель, выполненный в виде асинхронной машины, статор которой жестко закреплен на транспортном средстве, при этом выводы его обмоток подключены к фазным выводам бортового или контактного источника электроэнергии, ротор, встроенный в колесо, и блок управления, причем ротор выполнен в виде колеса, имеющего форму диска, изготовленного из магнитного материала и закрепленного на оси, выполненной с возможностью вращения, статор жестко закреплен на шасси транспортного средства и состоит из кольца, шихтованного вдоль образующей магнитной ленты, выполненного с радиальными пазами и установленного коаксиально оси, и катушек многофазной обмотки с выводами, расположенных в пазах кольца, причем торцевая поверхность диска размещена с аксиальным зазором относительно торцевой поверхности кольца статора, образуя с ним торцовую асинхронную машину; при этом предпочтительно в мотор-колесо дополнительно вводить обратимый преобразователь напряжения и частоты с молекулярным накопителем электроэнергии, содержащим блок управления и включенный в рассечку между выводами катушек и источником электроэнергии; в диск встраивать беличью клетку, изготовленную из материала, обладающего высокой электропроводностью, например из меди или латуни; поверхность диска, обращенную к статору, выполнять с покрытием из материала, обладающего высокой электропроводностью; диск выполнять с ободом по периметру, в котором устанавливают шину. Выполнение статора в виде шихтованного кольца из ленты, изготовленной из магнитного материала, позволяет значительно снизить вес его в сравнении с известным мотор-колесом и одновременно повысить напряженность магнитного поля, направленного к диску. Выполнение ротора в виде колеса, имеющего форму диска, изготовленного из магнитного материала, позволяет не только снизить вес мотор-колеса в сравнении с известным вследствие отсутствия промежуточных крепежных элементов, но одновременно повысить эксплуатационную надежность. Диск закреплен на оси и поэтому отсутствует износ промежуточных элементов, имевший место в известном мотор-колесе, поскольку в заявленном устройстве колесо непосредственно входит в состав двигателя. Размещение торцевой поверхности диска с аксиальным зазором относительно торцевой поверхности статора позволяет выполнить двигатель в виде торцовой асинхронной машины, которая обладает рядом преимуществ в сравнении с асинхронной машиной с радиальным зазором в известном мотор-колесе. Наряду с уменьшением веса и габаритов повышается жесткость конструкции, улучшаются условия теплоотвода и повышаются удельные весовые и энергетические характеристики. Предпочтительно зазор между торцевыми поверхностями ротора и статора выбирать минимально возможным, поскольку при зазоре, превышающем несколько мм, уменьшается электромагнитное поле в зазоре, а при зазоре 1 мм возможно задевание колеса о статор. Предпочтительно в заявленное мотор-колесо дополнительно вводить обратимый преобразователь напряжения и частоты и молекулярный накопитель электроэнергии. Преобразователь значительно упрощает управление мотор-колесом за счет уменьшения непроизводительного расхода электроэнергии. Введение молекулярного накопителя электроэнергии позволяет уменьшить мощность источника электроэнергии, к которому подключено мотор-колесо, за счет использования энергии, поступающей в накопитель при торможении транспортного средства. Выполнение диска с встроенным беличьим колесом позволяет снизить электрические сопротивление вихревым токам, возникающим в диске при взаимодействии с магнитным полем обмотки статора. Этому же способствует и покрытие торцевой поверхности диска материалом, обладающим высокой электропроводностью, например медью или латунью. При движении транспортного средства по дорожному полотну предпочтительно колесо, имеющее форму диска, выполнять с ободом по периметру диска с размещением в нем шины транспортного средства, что способствует повышению эксплуатационной надежности мотор-колеса. Приложенный чертеж изображает заявленное мотор-колесо транспортного средства, перемещающегося по рельсам рельсострунной транспортной системы (продольный разрез). Мотор-колесо транспортного средства содержит шасси транспортного средства 1, колесо 2, имеющее форму диска из магнитного материала, закрепленного на оси 3, установленной в цапфах 4, статор 5, выполненный в виде шихтованного кольца из ленты, изготовленной из магнитного материала и установленного коаксиально оси, и многофазных катушек 6, 7 с фазными выводами 8, 9; при этом диск установлен с аксиальным зазором 10 относительно торцевой поверхности статора, кроме того, показан рельс 11, по которому перемещается мотор-колесо; элемент крепления статора к шасси 12. Не указаны входящие в состав заявленного устройства источник электроэнергии, блок управления и обратимый преобразователь напряжения и частоты с молекулярным накопителем электроэнергии. Диск 2 изготавливается из магнитного материала, например из Армко или Ст. 10, Ст. 20, Ст. 40. Диск 2 крепится на оси 3 различными способами. Например, он может быть запрессован на колесо или присоединен к колесу посредством болтовых или винтовых соединений и т.п. Ось 3 выполняется с возможностью вращения, например посредством размещения ее в цапфах или подшипниках. Статор 5 выполняется в виде шихтованного кольца из ленты, изготовленной из магнитного материала, например из различных магнитных сталей, получаемой посредством проката. Кольцо с обмоткой статора располагается коаксиально оси 3 и жестко крепится к шасси 1 транспортного средства. Блок управления предпочтительно выполнять на микропроцессорах с соответствующими программами. Обратимый преобразователь напряжения и частоты выполняется на транзисторах и тиристорах, включая микроэлектронные платы и элементы. Молекулярный накопитель электроэнергии использует явление формирования барьерного электрического поля на межфазной поверхности электронного и ионного проводников (см. Иванов А. М. и Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя, "Электричество", 1991, 8, с. 16-19). Конструктивно молекулярный накопитель электроэнергии выполняется обычно в виде последовательно соединенных конденсаторных элементов с двойным электрическим слоем, размещаемых в корпусе с клеммами. Заявленное мотор-колесо транспортного средства работает следующим образом. В момент старта после воздействия блока управления от бортового источника электроэнергии на фазные выводы 8, 9 многофазных катушек 6, 7 подается напряжение требуемой величины и частоты. Возникающее вследствие этого в зазоре 10 вращающееся электромагнитное поле приводит в движение диск 2 и транспортное средство разгоняется до заданной скорости в соответствии с требуемыми значениями напряжения и частоты, вырабатываемыми обратимым преобразователем после поступления команды с блока управления (не указан). После движения с установившейся скоростью транспортное средство тормозится при подходе к станции или светофору. При торможении асинхронная машина мотор-колеса переводится блоком управления в генераторный режим и часть энергии аккумулируется при этом в молекулярном накопителе электроэнергии. Накопленная энергия может быть использована затем при следующем цикле разгона и движения транспортного средства. Заявленное мотор-колесо транспортного средства в сравнении с известными позволяет существенно уменьшить вес и габариты благодаря многофункциональному использованию колеса. Помимо того, что оно используется для передвижения транспортного средства, колесо, имеющее форму диска, изготовленного из магнитного материала, используется и в качестве ротора торцевой асинхронной машины. Масса и габариты заявленного мотор-колеса уменьшаются примерно в 1,5-2 раза в сравнении с известными. Вследствие передачи тягового момента на колесо электромагнитным путем без использования промежуточных механических механизмов упрощается конструкция мотор-колеса и повышается его эксплуатационная надежность.www.findpatent.ru
Вчера мы рассказывали про модифицированный Ford Fiesta с задним приводом и электромоторами прямо в колесах. Сегодня же мы расскажем про технологию компании Protean, которые шагнули немного дальше коллег из компании Schaeffler
Что может быть проще и гениальнее, чем запихнуть мотор не в кузов автомобиля, а прямо в колесо? Расположение мотора прямо в колесе дает множество преимуществ. Именно таким принципом руководствовались в компании Protean, когда создавали инновационный электромотор, расположенный непосредственно в колесе автомобиля. Кстати, подобную схему работы демонстрирует Mercedes-Benz SLS AMG Electric Drive, у которого в каждом колесе спрятано по двигателю.
На разработку первых прототипов компания Protean потратила несколько лет, доводя до ума и совершенствуя технологию. Компания дебютировала со своей разработкой на ежегодном Международном конгрессе общества автомобильных инженеров в 2013 году. Последний рабочий прототип был показан на полностью рабочем BRABUS Mercedes-Benz в мае 2012 года.
Компания также демонстрировала свои достижения на примере пикапа Ford F-150, микроавтобуса Opel Vivaro и китайского семейного автомобиля Trumpchi. Protean позиционирует свои внутриколесные моторы в качестве решения как для гибридных автомобилей, так и для электрокаров. Каждый силовой агрегат расположен прямо в ступице колеса, обеспечивая мощность конкретно там, где водителю она требуется и когда требуется.
И раз уж заговорили о мощности, то она есть: каждый из четырех моторов способен развивать 100 лошадиных сил и почти 1000 Нм крутящего момента. Но нельзя забывать, что каждый моторчик весит "всего-то" 30 килограммов, что является неподрессоренной массой — весь этот вес не поддерживается амортизаторами машины, влияя как на общую управляемость, так и на рулевое управление в частности. В Protean заявляют, что этот "лишний вес" может быть скомпенсирован различными способами, но сами способы пока не указывают.
Несмотря на такой недостаток, электромоторы, расположенные прямо в ступице колеса, обеспечивают экономию электроэнергии до 30% в зависимости от размеров батареи. К тому же, они способны возвращать до 85% кинетической энергии торможения. Но одним из самых впечатляющих достоинств этой системы стала возможность с ее помощью модифицировать практически каждый автомобиль.
Пока что, к сожалению, нет никакой информации о том, когда же первые серийные автомобили с разработкой Protean на борту, а вернее, в колесах, будут выпущены на дорожные просторы, но то, что эта технология может помочь сделать каждый автомобиль эффективнее, - факт. Поговаривают, на технологию уже позарились немцы из Mercedes-Benz.
autoutro.ru
В подразделе Электровелосипед раздела Классификация мы рассмотрели варианты электроприводов, используемых в электрических велосипедах, их положительные и отрицательные стороны.
Попробуем проанализировать и сравнить характеристики электродвигателей (комплектов) от двух известных производителей: Golden Motor (Китай) и Cyclone (Тайвань). Golden Motor выпускает наборы с мотор-колесами, а Cyclone — комплекты, использующие цепной привод. Анализ будет основан на данных владельцев электровелосипедов с известного сайта EValbum, характеристик заявленных производителями, и других источников в интернете. Следовательновсе цифры приблизительны, а выводы являются выражением мнения ePowerBikes.ru
Как заявляет Golden Motor, от напряжения мотор-колеса зависит максимальная скорость:24в — 25 км/ч, 36в — 33 км/ч, 48в — 45 км/ч. Эти данные подтверждаются практическими замерами электровелосипедистов. Максимальные скорости у линейки наборов Cyclone начинаются с 42 км/ч и заканчиваются совсем умопомрачительной цифрой — 120 км/ч.
Те велосипедисты, кому скоростей до 30 км достаточно, могут выбрать себе мотор-колеса 24в или 36в. По практическим данным, электровелосипед с мотор-колесом 36в 500 Вт и литий-фосфатным аккумулятором 10Ач развивает максимальную скорость 32 км/ч и способен преодолеть расстояние 30-40 км.
Для тех, кто желает «лететь» со скоростью выше 50 км/ч, подойдут наборы Cyclone от 720 Вт 36в (60 км/ч) до 2×1500 Вт (120 км/ч).
Сравним комплекты с одинаковой максимальной скоростью — 45 км/ч — новый набор MagicPie (Golden Motor) 48в 1000 Вт и Cyclone 24в 500 Вт.
На основании графиков характеристик от Cyclone (jpg) и Golden Motor (pdf) выберем скорость, при которой двигатели работают с наибольшей эффективностью, это 40 км/ч для обоих. При одинаковой потребляемой мощности в этом режиме — 420-440 Вт, у Cyclone момент чуть больше, но этим пренебрегаем. Выходит, что затраты энергии одинаковы на скорости 40 км/ч. Получаем теоретическую цифру 10.5 Втч/км, хотя на практике цифра вероятно будет больше.
Теперь предположим, что перед нами крутая гора. Максимальный момент, развиваемый MagicPie — 27.66 Нм, Cyclone — 38 Нм (без учета передач велосипеда). Самое мощное мотор-колесо от Golden Motor 1000 Вт 48в из набора Prokit 901 способно развить момент в 37.42 Нм.
Для расчета воспользуемся калькулятором электровелосипедиста.Пусть масса снаряженного велосипеда с велосипедистом — 100 кг, подъем 7% длиной 3,5 км.Для преодоления этого подъема необходим момент больше 26 Нм на колесе 26".Затрачиваемая мощность мотор-колеса Magic Pie составит более 1060 Вт при скорости 35 км/ч.Итого затраты энергии — 106 Втч.
Что же делает электровелосипедист с Cyclone-комплектом? Он переключается на самую нижнюю передачу, увеличивая момент и уменьшая скорость в 2,4 раза (для кассеты с максимальной звездой 34Т). При оборотах двигателя 2600 об/мин, момент на валу редуктора — 11 Нм, затрачиваемая мощность — 390 Вт, скорость — 14.5 км/ч. Затраты энергии на преодоление подъема — 94 Втч. Переключение передач позволило велосипедисту Cyclone использовать двигатель с максимальным КПД системы ~83%, против 73% у мотор-колеса Magic Pie .
Как вы уже поняли, наличие системы передач у велосипеда существенно расширяет диапазон эффективного использования комплекта от Cyclone. Кассета 11-34 на колесе 26" позволит изменять крутящий момент от 6 до 60 Нм и развивать скорость в диапазоне 11.5-45 км/ч (обороты двигателя 2100—2900 об/мин) при КПД системы выше 80% (учтены КПД редуктора и цепного привода).КПД мотор-колеса Magic Pie имеет максимальное значение 78% при крутящем моменте 10-16 Нм.
Логично, что при заезде по идеальной поверхности соленого озера Бонневиль в штате Юта, на скорости 40 км/ч, оба тестируемых набора затратят одинаковое количество энергии. Но, как только испытания перейдут в местность с холмистым ландшафтом, набор Cyclone будет экономичнее, чем MagicPie, ну и конечно сможет преодолеть подъемы, которые его сопернику окажутся не под силам.
Еще раз отметим, что более высокая эффективность достигается при использования двигателя Cyclone в диапазоне максимального КПД, расширенного благодаря системе передач велосипеда.
Обратите внимание, что Cyclone 500Вт можно использовать и с аккумулятором 24в 10Ач, если нет необходимости проезжать за раз больше 20-25 км. Правда сэкономить здесь не удастся, т.к. потребуется качественный литий-фосфат, способный отдавать токи до 40А (4С), зато вес батарей уменьшится с 6 до 3 кг.
У качественного LiFePo4 есть возможность заряда токами 4С (за 15 минут). Следовательно, вооружившись зарядкой на 40А, вам нужно лишь каждые 25 км находить розетку на четверть часа, и расстояние перестанет иметь значение (в пределах мест, где есть электричество) Ну и «ложка дегтя» — цена 24в 40А зарядного устройства более 300$.
Подводя итог можно сказать, что с LiFePo4 аккумулятором 24в 20Ач (48в 10Ач) пробег электровелосипедов с рассматриваемыми наборами составит 30-50 км, что подтверждается практическими данными и владельцев мотор-колес, и владельцев Cyclone.
В завершение сравним другие немаловажные характеристики — вес и стоимость.Cyclone 500W с крепежом утяжелит ваш велосипед на 3,5кг., Golden Motor MagicPie на 6,2 кг.Цена с доставкой (конец 2009): Cyclone 500W — 427$, Golden Motor MagicPie — 405$, Golden Motor Prokit 901 1000Вт 48в — 465$.
Цены на доставку в Россию продукции Golden Motor, в реальности выше, чем при расчете на сайте компании (390$ вместо 115$).В итоге: Golden Motor MagicPie — 680$, Golden Motor Prokit 901 1000Вт 48в — 740$.
Актуальные цены смотрите в разделе Анализ цен.
Подробнее о продукции компаний здесь — Cyclone и Golden Motor.
epowerbikes.ru
