ТАНГЕНЦИАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Полезная модель относится к области транспортной техники, в частности к созданию эффективных тяговых электромеханических приводов для электромобилей.
Приводы электротранспорта
Многообразие известных схем, конструкций и компоновочных решений приводов электромобилей укладывается в рамки трех основных вариантов:
1) центральный электродвигатель плюс редуктор плюс межколесный механический дифференциал;
2) два бортовых электродвигателя, по одному на каждое ведущее колесо;
3) электромотор-колесо.
Первый вариант наиболее распространен и считается перспективным приводом электромобилей, в том числе с комбинированными силовыми установками (FR N 2200800 А, В60K 17/00, 1974; US N 3888325 А, В60K 1/00, 1975). Такой традиционный привод устанавливается на электромобилях различных концернов, таких как Тесла, БМВ, Мерседес.
Причинами, по которым сложно достичь технического результата является тот факт, что конструкция содержит асинхронный двигатель, в котором высокое потребление электроэнергии на старте и при разгоне электромобиля, имеются также проблемы с потерями мощности при передаче высокого крутящего момента через традиционную трансмиссию, где единственным отличием является замена коробки передач автомобиля с двигателем внутреннего сгорания на понижающий обороты редуктор электромобиля.
Второй вариант привода реализован, в частности, в электромобиле Impact, разработанном концерном General Motors (Автомобильная промышленность США, 1990, №5. - с. 7-9). Использование этого варианта сдерживается дороговизной системы и ее массогабаритностью.
Третий вариант привода направлен на разработку различных мотор-колес (патенты WO 93/08999 А1, 13.05.93, US 6617746 В1, 09.09.2003; RU 2129965 С1, 10.05.1999; RU 2172261 С1, 20.08.2001; RU 2172261 С1, 20.08.2001).
Сложности применения этого варианта связаны с нерешенными вопросами установки электродвигателей большой мощности, когда ротор вращения мотор-колеса становится тяжелым, что приводит к проблемам их эксплуатации из-за запредельного утяжеления самого ведущего колеса. При использовании в мотор-колесах электродвигателей постоянного тока большой мощности, возникают большие пусковые и переходные токи при начале движения и ускорении электромобилей, что влечет за собой потребность увеличения емкости аккумуляторов.
Анализ патентов показывает, что все выше перечисленные варианты приводов совершенствуются в направлении оптимизации конструкции и электросхем самих электродвигателей. При этом мало внимания уделяется совершенствованию механической передачи крутящего момента от привода на ведущее колесо, где передача мощности традиционным способом неэффективна, и особенно при увеличении диаметров колес электромобилей.
Известен привод электромобиля, содержащий преимущественно питаемый от преобразователя частоты трехфазный асинхронный электродвигатель, связанный через редуктор с полуосями колес и систему управления. Согласно изобретению, двигатель выполняет также функцию межколесного дифференциала, что позволяет исключить механический дифференциал. Привод обладает улучшенными габаритно-массовыми показателями и дешевле в производстве (Патент РФ №2146623, МПК В60K 17/00).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата, является то, что конструкция содержит асинхронный электродвигатель, крутящий момент от которого передается через традиционную трансмиссию с большими потерями передаваемой мощности. Использование электродвигателей большой мощности влечет за собой высокое тепловыделение, требует сложной системы управления и высоковольтных источников питания.
Известен электрический привод транспортных средств, сущность которого заключается в том, что на корпус статора электрического привода дополнительно устанавливается внутренний магнитопровод с зубцами, если он исполняется как индукторный двигатель. Если в качестве внешнего магнитопровода с зубцами установлен индуктор, состоящий из постоянных магнитов, то дополнительно также устанавливается внутренний индуктор с постоянными магнитами. Использование постоянных магнитов в качестве внешнего и внутреннего индукторов статора необходимо, если для транспортного средства требуется повышенный крутящий момент. Согласно изобретению, технический результат заключается в снижении потребления электрической энергии и повышении крутящего момента (Патент РФ 2509665, МПК В60L 11/00).
Однако описанный электродвигатель не решает вопрос снижения больших пусковых и переходных токов при начале движения и ускорении транспортного средства, что приводит к быстрому износу аккумуляторов и ухудшению теплового режима.
Известно электро-инерционное устройство к электромобилю, принятое за прототип, привод которого содержит приводной электродвигатель, передачу и маховик, корпус которого выполнен в виде трубы с вырезом. Маховик размещен концентрично внутри корпуса, а его вал размещен в подшипниковых опорах, установленных в торцах трубы, и имеет два конца, выступающих из опоры. На одном конце размещен шкив, на другом - зубчатое колесо муфты сцепления, выполненное с возможностью привода от шестерни стартера. Приводной электродвигатель размещен на месте выреза корпуса, ось его вала параллельна оси вала маховика, а сам вал двигателя выступает за пределы корпуса и снабжен шкивом. При этом шкивы валов маховика и электродвигателя соединены между собой ременной передачей (Патент РФ №2230220, МПК: F03G 3/08).
К недостаткам известного приводного устройства относятся большие стартовые механические нагрузки и высокие пусковые токи электродвигателя, которые связаны с необходимостью раскручивать маховик весом около 150 кг. Этот привод использует традиционную трансмиссию при передаче крутящего момента на оси ведущих колес, что приводит к потребности применять электродвигатель с повышенной мощностью из-за известных потерь на трение при передаче мощности.
Как правило, в электромобилях крутящий момент передается таким же традиционным способом, как и в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Крутящий момент от электродвигателя передается на полуоси ведущих колес электромобиля через приводную ось и через узел понижающего редуктора с дифференциалом. В редукторе ведущая шестерня через коническую передачу с пониженной скоростью передает вращение ведомой шестерне. Затем через сателлиты дифференциала и полуоси вращение передается ведущим колесам.
Вращению колес препятствует сила трения, которая появляется между колесами и поверхностью дороги. Во время вращения ведущие колеса создают окружные тангенциальные силы, которые действуют на дорогу, стремясь как бы оттолкнуть ее назад. Для получения необходимой силы для движения колес и, соответственно, электромобиля необходим соответствующий крутящий момент.
По известной формуле крутящий момент равен произведению тангенциальной силы на радиус приложения этой силы: М кр.=F⋅R, где М кр. - крутящий момент, F - приложенная сила, R - радиус приложения силы.
Тогда
оси
оси
кол
кол
М кр. - F ⋅ R = F ⋅ R,
где М кр. - передающийся крутящий момент,
оси
кол.
F, F - тангенциальная сила передачи вращения на полуоси и на шину ведущего колеса,
оси
кол.
R, R - радиус приложения силы на полуоси и на шину ведущего колеса электромобиля.
Таким образом, при равенстве крутящих моментов, чем больше радиус, тем меньше приложенная сила, и наоборот. Если принять во внимание, что радиус колеса значительно больше радиуса полуоси и ведомой шестерни редуктора, то на такую же величину разности будет увеличиваться и тангенциальная сила на поверхности полуоси. Такая передача мощности через полуоси ведущих колес неэффективна. Это связано как с потерями при передаче мощности через громоздкую трансмиссию, так и с потребностью усиления всех узлов и деталей трансмиссии для передачи высокого крутящего момента с большими усилиями скручивания полуосей самих колес. Например, в заднеприводной модели Tesla Model S при передаче крутящего момента до 500 Нм через традиционную трансмиссию, полуоси привода ведущих колес испытывают не только большой крутящий момент, но и высокую тангенциальную скручивающую силу около 25000 Н. Так, например, в электромобилях Тесла при мощности электродвигателя 420 л.с. огромный крутящий момент ломает полуоси и убивает редуктор (см. teslaservice.kiev.ua).
При создании полезной модели тангенциального электромеханического привода электротранспорта решалась задача создания эффективного привода другим способом, по сравнению с разработкой новых электродвигателей, а именно снижением мощности электродвигателя за счет передачи крутящего момента напрямую на обод ведущего колеса. Одновременно решались и другие задачи: упрощение конструкции привода электромобиля, уменьшение контактных усилий в узлах передачи крутящего момента и снижение эксплуатационных затрат, в т.ч. и за счет уменьшения емкости аккумуляторов с соответствующим увеличением пробега электромобиля без подзарядки.
Поставленная задача решена за счет того, что передача крутящего момента осуществляется не через редуктор, дифференциал и вращающуюся полуось ведущего колеса, а напрямую от электродвигателя через зубчатую передачу непосредственно на обод ведущего колеса, которое расположено на неподвижной оси с возможностью свободного вращения. Такое техническое решение позволяет уменьшить мощность приводного электродвигателя, его массу, габариты и стоимость. При этом автоматически уменьшается количество и стоимость аккумуляторов. Снижается и себестоимость выпуска электромобиля, в т.ч. и за счет отсутствия в нем редуктора и дифференциала.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1, 2 показан тангенциальный электромеханический привод электромобиля с передачей крутящего момента от электродвигателя на ведущее колесо по варианту установки двух бортовых электродвигателей, по одному на каждое ведущее колесо. Принципиально, эта схема подходит и для других вариантов передачи крутящего момента, в т.ч. и с установкой мотор-колес.
Тангенциальный электромеханический привод представляет собой асинхронный электродвигатель трехфазного переменного тока 1, через ось которого 2 передается вращение на ведущую зубчатую шестерню 3 привода. Электропитание двигателя передается через преобразователь частоты 4. Ведущее колесо состоит из обода 5 колеса с пневматической шиной 6 и закрепленной на ободе зубчатой шестерней 7. Обод 5 колеса через подшипниковый узел 8 установлен на неподвижную ось 9 с возможностью свободного вращения ведущего колеса. Тангенциальный электромеханический привод передает вращение от электродвигателя 1 через ведущую шестерню 3 на шестерню колеса 7. Привод закреплен на подвеске электромобиля, которая обеспечивает жесткое соединение привода с неподвижной осью 9 колеса.
Тангенциальный электромеханический привод работает следующим образом. Электропитание асинхронного электродвигателя трехфазного переменного тока 1 осуществляется от аккумуляторных батарей через инвертор и преобразователь частоты 4. При начале движения электромобиля включается электродвигатель 1 привода. Тангенциальный электромеханический привод передает вращение через зубчатую передачу ведущему колесу электромобиля, в частности, ведущая шестерня 3 передает вращение с понижающей скоростью шестерне 7, закрепленной на ободе 5 колеса. Движение электромобиля осуществляется ведущими колесами, которые расположены на неподвижной оси 9 в свободном вращении через подшипниковый узел 8. Все остальные детали и устройства ведущего колеса, в т.ч. тормоз и подвеска устанавливаются в традиционном исполнении.
Скорость движения автомобиля регулируется оборотами электродвигателя при помощи преобразователя частоты. При этом важным является то обстоятельство, что преобразователь частоты при увеличении-уменьшении оборотов электродвигателя в пределах +/- 30% обеспечивает практически неизменными его мощность и крутящий момент. Двигатель может выполнять функцию генератора, например, при движении под уклон.
В полезной модели представлена основная концепция тангенциального электромеханического привода электротранспорта. Одной из отличительных особенностей такого конструкторского решения является то обстоятельство, что вращение от электродвигателя на ведущее колесо электромобиля передается напрямую практически без потерь. Таким образом, нет необходимости использовать традиционную трансмиссию с многоступенчатым редуктором. Его здесь нет. При этом если в существующих моделях электромобилей при передаточном числе 1:10 скорость вращения электродвигателя уменьшается при передаче на полуось ведущего колеса соответственно в 10 раз, то в заявленной полезной модели с тангенциальным электромеханическим приводом передаточное число зубчатой передачи на колесе составляет 1:4. Такое соотношение достигается за счет того, что вращение от электродвигателя передается не на ось колеса, а на зубчатое колесо обода колеса через ведущую шестерню привода, диаметр которой в 4 раза меньше шестерни обода колеса.
Таким образом, полезная модель позволяет в разы снизить нагрузку на зубья зубчатых колес и свести к нулю скручивающие усилия на ось ведущих колес, т.к. ось не вращается. При этом приводной электродвигатель нет необходимости форсировать для достижения высоких до 16000 об./мин, здесь достаточно иметь простой по конструкции и более дешевый электродвигатель с оборотами около 6000 об./мин. Такая возможность полезной модели достигается за счет повышенных оборотов ведущей шестерни привода в сравнении со скоростью вращения полуоси с сохранением одинаковой тангенциальной силы для движения электромобиля. Все это приводит к упрощению конструкции привода, снижению нагрузок в передающих механизмах, понижению мощности электродвигателя и снижению себестоимости выпуска электромобиля. При этом соответствующим образом снижается и емкость тяговых аккумуляторов, являющихся основной проблемой развития электромобилестроения.
Отдельные узлы и механизмы могут иметь другое конструкторское решение при сохранении передачи вращения ведущему колесу не через вращающийся вал колеса, а через обод колеса с неподвижным валом. Это касается, например, зубчатой передачи. Другим может быть и сам электродвигатель, например, электродвигатель постоянного тока, при котором отпадает необходимость в инверторе и преобразователе частоты. Полезная модель своим конструкторским решением фактически решает и проблему мотор-колес, которая связана с ростом критического веса ведущих колес при увеличении мощности приводных двигателей мотор-колес.
Полезная модель может иметь более одного электродвигателя на ведущее колесо с функциями мотор-генератора. В этом случае, например, про двух электродвигателях, при наборе скорости или движении по наклонной дороге вверх включаются оба двигателя. Это позволяет быстрее развивать нужную скорость и преодолевать трудный участок движения. На ровной дороге один электродвигатель работает на привод ведущего колеса, а второй как генератор для подзарядки аккумуляторов. При движении по наклонной дороге вниз оба электродвигателя работают как генераторы. Управление работой электродвигателей, например, через датчик устройства торк-сенсор (Torque Sensor), позволит синхронизировать обороты двигателя с оптимальным крутящим моментом. Такая компоновка позволит проводить эффективную подзарядку аккумуляторов в процессе движения, обеспечивая увеличение пробега электромобиля до стационарной перезарядки.
Полезная модель может быть применена и на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Актуальна она и для гибридных автомобилей.
Использование полезной модели наиболее эффективно на транспорте с большими колесами, например, на грузовом транспорте или в карьерных самосвалах для вывозки руды. В этом случае, в традиционном исполнении двигатель должны иметь огромную мощность с таким же большим крутящим моментом для передачи вращения через полуоси со значительно большим диаметром. Предложенный тангенциальный электромеханический привод кардинально решает проблему скручивания полуосей ведущих колес и выхода из строя редукторов из-за высоких напряжений в приводных механизмах грузового автотранспорта. Чем больше колесо по своему диаметру, тем дальше от оси колеса находится сам тангенциальный электромеханический привод и тем меньше нужно энергетических затрат на передачу крутящего момента от электродвигателя на ведущие колеса. Такой подход может ускорить переход от бензодизельных двигателей к электродвигателям на грузовом и гибридном транспорте.
Полезная модель может найти применение и в космической отрасли, когда для луноходов и марсоходов нужны экономичные и легкие электроприводы. Это позволит уменьшить вес этих транспортных средств и снизить мощность энергоустановки от солнечных батарей.