Современные летающие автомобили и их будущее

Человечество уже не один век мечтает о создании персонального авиатранспорта, но только с развитием автопромышленности у инженеров и писателей-фантастов начал вырисовываться образ идеального средства передвижения, которым и должны стать аэромобили. Пожалуй, многие согласятся, что огромным вкладом в развитие летающих машин стали sci-fi фильмы – прежде всего, речь идет о трилогии “Назад в будущее” Роберта Земекиса, хотя были и другие довольно изобретательные картины: например, “Человек с золотым пистолетом”, “Бегущий по лезвию”, “Вспомнить все” и “Пятый элемент”.

Впрочем, из-за недостаточно развитого технического прогресса долгое время мечты оставались мечтами и автомобили никак не хотели переходить в вертикальную плоскость. Но шли годы, перспектива быстрого и доступного перемещения из точки в точку B становилась все более реальной, и к сегодняшнему дню у нас в распоряжении есть целый ряд многообещающих проектов, готовых к массовому производству. О самых любопытных из них мы сегодня и поговорим.

Opener BlackFly

Это мультикоптер на электрической тяге от канадского стартапа Opener. Первый тестовый полет данный автомобиль совершил в 2017 году, а публичный запуск состоялся 12 июля 2018. По заявлениям создателей, запас хода BlackFly составляет 40 км, максимальная скорость равна 62 км/ч, а чтобы зарядить аккумулятор на 100% потребуется всего 30 минут. У автомобиля имеется баллистический парашют на случай экстренной посадки и автопилот для самостоятельного возврата домой.

Для управления BlackFly не требуется лицензия пилота, однако перед тем как сесть за руль необходимо будет пройти тренинг от Opener и сдать письменный экзамен.

Terrafugia Transition

В отличие от Blackfly, Transition впервые поднялся в воздух еще 10 лет назад, 5 марта 2009. С одной стороны, благодаря этому у компании Terrafugia за плечами гораздо больший опыт в инжиниринге и три законченных прототипа, но столь ранний старт проекта имеет свои недостатки, самый очевидный из них — не самая практичная конструкция. Дело в том, что Transition разрабатывался в те годы, когда не были распространены популярные сегодня миниатюрные квадрокоптеры, поэтому Terrafugia избрала “самолетный” подход, оснастив Transition боковыми складными крыльями, лишив свой продукт возможности вертикального взлета.

По этой причине, для разгона автомобилю требуется взлетная полоса. Кроме того, Transition относится к категории спортивных самолетов, а его водителю нужна лицензия пилота. С другой стороны, наличие крыльев позволяет добиться большой дальности хода – 644 км на одной заправке. При передвижении по воздуху Terrafugia Transition может развивать скорость до 161 км/ч, по земле – 100 км/ч.

Aeromobil 4.0

Работа над этим летающим автомобилем ведется еще дольше, чем над Transition: впервые об Aeromobil заговорили в 1990 году. Aeromobil 4.0 разрабатывается одноименной словацкой компанией, возглавляемой Штефаном Кляйном, Юраем Вакуликом и их идейным вдохновителем Дином Кейменом, более известным, как создатель сигвея. Как понятно из названия, это уже четвертая версия модели. Словаки не стали изобретать велосипед и еще на ранних стадиях конструирования отбросили вариант с вертикальным взлетом, из-за чего для взлета Aeromobil требуется полоса протяженностью 400 м. Что касается технических характеристик, длина Aeromobil 4.0 составляет 6 м, ширина в сложенном состоянии равна 2.25 м, размах крыльев 8.8 м. Максимальная скорость на земле и в воздухе составляет 160 км/ч и 360 км/ч соответственно. При полном 90-литровом баке Aeromobil способен преодолеть 750 км, при этом мощные двигатели обеспечивают грузоподъемность в 960 кг

За 29 лет компания прошла через многое, в том числе, и через крушения во время тестов: к примеру, во время испытаний в 2015 аппарат рухнул с высоты 310 метров, к счастью, пилот успел катапультироваться. Предзаказ на аэромобиль был открыт в начале 2017 года, цены варьируются от 1.2 млн евро за базовую версию до 1.5 млн за полную комплектацию. Первые поставки запланированы на 2020.

Kitty Hawk Flyer

В 2018 основатель Google Ларри Пейдж и экс-глава секретной лаборатории Google X Себастьян Трун опубликовали видео, на котором показан одноместный летательный аппарат под незамысловатым названием Flyer. В силу ограничений, вызванных компактными размерами, технические характеристики Flyer оставляют желать лучшего: да, аппарат весит всего 113 кг, но и разгоняется он лишь до 32 км/ч, а одной зарядки хватает на скромные 20 минут полета на высоте не более трех метров. За создание Flyer отвечает компания Kitty Hawk (“Кошачий коготь”), принадлежащая Труну.

Помимо Flyer, Kitty Hawk занимается созданием летающего двухместного такси Cora. На его крыльях расположены 12 двигателей, позволяющих взлетать как горизонтально, так и вертикально, поднимаясь на высоту до 900 м. Но Cora не является автомобилем, поскольку его крылья не складываются и у него нет полноценных колес для езды по дорогам.

PAL-V Liberty

Это один из немногих летающих автомобилей, которые можно купить уже сегодня. Liberty производится нидерландской компанией PAL-V, основанной в 2001 и, фактически, являющейся одним из пионеров в разработке персонального авиатранспорта. В 2010 PAL-V заключила соглашение с голландским производителем трициклов Carver, благодаря чему PAL-V свела к минимуму затраты на создание ходовой части для наземного передвижения.

Конструкция Liberty довольно необычна: для езды по дорогам у него есть три колеса, а при необходимости подняться в воздух, аппарат за 5-10 минут раскладывает 3 горизонтальных лопасти, после чего ему необходимо 330 м для взлета и 30 м для посадки. Для того, чтобы приобрести PAL-V Liberty вам понадобится не только €300-400 тысяч, но и прохождение специального летного курса.

Lilium Jet

Немецкий стартап Lilium совсем недавно (в мае 2019) объявил об успешном завершении испытаний своего аэромобиля. Если точнее, 4 мая в закрытом ангаре в Мюнхене их прототип взлетел на высоту 1-2 метров, завис в воздухе на какое-то время и плавно приземлился. Это уже не первый тест Lilium Jet – 20 апреля 2017 Lilium Eagle (бывшее название модели) совершил первый полет над мюнхенским аэродромом Миндельхайм-Матцис. В обоих случаях в автомобиле не было ни водителя, ни пассажиров, аппарат управлялся дистанционно с земли.

В текущей версии Lilium Jet установлены 36 электромоторов, которые могут использоваться как для горизонтального, так и для вертикального взлета/посадки, причем все 36 двигателей будут активны только для набора высоты и приземления, во время полета аэромобилю от Lilium хватит и 10% этой мощности. Максимальная скорость Jet ограничена на отметке 300 км/ч.

Проблемы на пути аэромобилей

Современные VTOL-автомобили (Vertical Take-Off and Landing, система вертикального взлета и посадки) находятся в зачаточном состоянии. Так, основатель и технический директор компании Wirth Research Ник Уирт считает, что главным препятствием на пути к популяризации VTOL станут не технические сложности, а отсутствие законодательства, четко описывающего правила вождения в воздушном пространстве.

Заместитель главного редактора британского журнала Aerospace Билл Рид придерживается аналогичного мнения: “Если таких машин станет много, то вы получите в воздухе некое подобие дорожных пробок – в таком случае вам придется определять высоту полетов, разграничивать воздушные коридоры и вводить другие правила, регулирующие нормы движения летательных аппаратов данного типа над городами”.

Новый прорыв в создании двигателей для электромобилей

С каждым годом электромобили приобретают всё большую популярность в мире. Крупнейшие автопроизводители могут предложить марки и модели в соответствии с любыми запросами и бюджетом. Будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя в качестве основной движущей силы. Именно от его показателей, наряду с возможностями аккумуляторной батареи, зависят наиболее важные характеристики электромобиля

В связи с популярностью и экологичностью электромобилей, электроскутеров, промышленных квадрокоптеров и других электрических машин рынок электродвигателей в двадцать первом веке быстро растет. На конец 2019 года только на внутреннем рынке Китая насчитывается больше 400 производителей электромобилей. На рынок приходят новые технологии производства электродвигателей и аккумуляторных батарей – такой прорыв делает электротранспорт всё более доступным.

Класcика

Казалось бы, что можно придумать новое, отличное от существующего? Ведь работа современного электродвигателя основана на известном принципе электромагнитной индукции, в основе которого лежит получение электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и вращающегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток, на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, за счет которого и вращается ротор. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот

Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок

Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок показал, что практическое применение в электромобилях получили электроприводы следующих типов: вентильные электродвигатели, асинхронные частотно-управляемые, электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением и электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Сопоставление достоинств и недостатков этих двигателей с учетом эксплуатационных требований дает следующие результаты. Наиболее высокий КПД имеют вентильные электродвигатели. КПД электродвигателей постоянного тока и асинхронных электродвигателей примерно равны, однако в последнее время асинхронные частотно-управляемые двигатели, имеющие электрические машины с малым скольжением и более точное электронное управление на основе специализированных быстродействующих микроконтроллеров с набором соответствующих датчиков (векторное управление), достигают КПД, сравнимый с КПД вентильных электродвигателей.

Что имеем

На сегодняшний день наиболее популярным из существующих электродвигателей для электромобилей остается асинхронный двигатель, созданный ещё в XIX веке. Его конструкция оказалась гениально простой и настолько удачной, что все дальнейшие преобразования не касались принципа действия, затрагивая лишь технологию изготовления тех или иных деталей. Например, модифицироваться могли подшипники, на которых крепился вал двигателя, менялась форма обмоток ротора и статора, однако принцип работы асинхронного двигателя оставался прежним.

К преимуществам двигателей такого типа относятся простота обслуживания и отсутствие подвижных контактов. Здесь нет щеток и контактных колец, питание подается только на неподвижную трехфазную обмотку статора, что и делает этот двигатель весьма удобным для самых разных сфер применения, практически универсальным. Такой двигатель прост в изготовлении и сравнительно дешев, затраты при эксплуатации минимальны, а надежность высока.

Если говорить о недостатках асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, то их несколько. При включении двигателя в сеть пусковой ток довольно велик, при этом пусковой момент значительно меньше номинального. В основном этот недостаток как и проблема регулировки оборотов, преодолевается применением частотного преобразователя, позволяющего плавно повышать обороты, и таким образом обеспечить достаточно высокий пусковой момент. Это достигается тем, что скорость вращения такого электродвигателя зависит от частоты переменного тока, т. е. изменив частоту тока, можно изменить скорость вращения ведущих колёс, что позволяет легко контролировать скорость электромобиля.

Еще одним недостатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является их низкий коэффициент мощности, особенно при малой нагрузке и на холостом ходу, что снижает эффективность данной электрической системы в целом.

Сам электродвигатель — это достаточно совершенное устройство, но, поскольку стремительное развитие отрасли экоавтомобилей только входит в начальную стадию, кардинального изменения принципа работы, улучшение показателей (удельной мощности и экономичности) и его устройства можно ожидать уже в ближайшее время.

Традиционно электродвигатели для автомобилей должны отвечать следующим требованиям:

• иметь безопасное и удобное для эксплуатации устройство;
• обладать высокой удельной мощностью и экономичностью;
• обладать высокой надежностью и безопасностью при длительной эксплуатации;
• иметь компактные габариты;
• работать в широком диапазоне частот вращения с высокими показателями, что позволит электромобилю обходиться без коробки передач.

Новый прорыв

Для электромобиля важна надёжность конструкции и ещё более – высокий кпд электродвигателя. От эффективности работы электродвигателя зависит величина расстояния пробега электромобиля от одной зарядки аккумуляторов, поэтому: чем выше кпд, — тем лучше.

Мировой рынок сбыта электродвигателей стремительно развивается. Согласно новому отчету Grand View Research, Inc. к 2025 году, как ожидается, он достигнет 214,5 млрд. долларов США. Именно быстрые технологические достижения являются основным драйвером роста рынка.

С целью достижения высоких технико-экономических показателей электродвигателя, прежде всего получения максимальной мощности и крутящего момента, при минимальном потреблении энергии необходимо уменьшить ее внутренние потери.

В России запатентован высокопроизводительный оригинальный электродвигатель американской компании Buddha Energy Inc. Примечателен тот факт, что автор электродвигателя является россиянином. В США электродвигатели продаются под торговой маркой HELV Motors. Компания Buddha Energy Inc. занимается разработкой инновационных электронных контроллеров и электродвигателей. Компания имеет патенты на разработку в крупнейших индустриальных странах. Их разработки ориентированы на зеленые технологии и охрану окружающей среды, сокращение использования природных ресурсов.

Особенностью электродвигателя HELV является его форма. Он спроектирован в виде шара таким образом, что полная площадь магнитного поля статора взаимодействует с полной площадью магнитного ротора при минимальном рассеивании магнитного поля, что дает высокий крутящий момент при небольшом размере двигателя.

В ходе стендовых испытаний, сила на валу тестового двигателя массой 2,8 кг и диаметром 119 мм составила 80 Нм. Примечательно, что сам двигатель может развить и большую мощность, но на текущий момент контроллер для его управления рассчитан только на 6 кВт. Таким образом при напряжении в 60 вольт и токе 100 ампер, двигатель показал статический крутящий момент в 80 Ньютон метров при оборотах 3900 об/м. Максимальная мощность двигателя может быть увеличена в несколько раз. Компания работает над созданием контроллера на 22 кВт.

Обычно с целью уменьшения воздействия токов Фуко на металл электродвигателя, а, соответственно, уменьшения потерь на нагрев, статоры синхронных и асинхронных электрических машин изготовлены из набора изолированных между собой пластин из тонкого железа. На электродвигателях марки «HELV Motors» компании Buddha Energy Inc. корпус статора выполнен из композитов, что позволило уменьшить его вес и максимально сократить потери от эффекта токов Фуко. В двигателях HELV не используются металлические сердечники, это позволяет значительно снизить вес двигателя без потери мощности. Особенно это важно для квадрокоптеров и вертолетов.

Благодаря специальному корпусу (крышке) диамагнитного статора все магнитные поля ротора и катушек концентрируются на небольшой площади и не выходят за пределы двигателя, что позволяет создавать высокую мощность при низком потреблении электроэнергии.

Композит статора дает возможность легко придавать ему нужную форму без использования дорогостоящего оборудования для обработки металла. Это позволит дополнительно снизить стоимость готовых электродвигателей.

Статор изготовлен таким образом, что двигатель может быть установлен как вертикально, так и горизонтально.

К преимуществам электродвигателя HELV следует также отнести:

• небольшие габариты и малый вес;
• максимальный крутящий момент, который доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя;
• возможность получения рекуперативной энергии;
• экологически чистая работа;
• минимум движущихся деталей, требующих замены или ремонта;
• отсутствие необходимости в коробке передач автомобиля.

Компания Buddha Energy Inc. предлагает ряд высокоэффективных низковольтных электродвигателей нового поколения на основе оригинально расположенных магнитных полей под торговой маркой «HELV Motors» мощностью от 5,6 кВт до 75 кВт

Так электродвигатель HELV мощностью 5,6 кВт при макс. 5600 об / мин, требует напряжения 75 В и потребляет ток до 100 А, в зависимости от нагрузки. В зависимости от модели двигателя обороты составляют от 65 до 75 оборотов на Вольт.

В целом к преимуществам электродвигателей компании «HELV Motors» следует отнести: малый вес и компактный размер, низкое потребление напряжения, умеренный нагрев при работе и большой крутящий момент вала в сравнении с низким энергопотреблением. Сферические катушки статора имеют низкое сопротивление, что позволяет создавать сильные магнитные поля внутри катушек при низком напряжении.

По имеющейся информации можно предположить, что авторы разработки изобрели нечто уникальное, которое может осуществить новый виток в энергетике, в понимании использования сил природы на благо человечества.

В целом изобретателям удалось решить сложную техническую задачу — смоделировать точное взаимодействие магнитных полей в пространстве, в том числе внутри композитов. Они также проверили магнитные взаимодействия полей на практике. С этой целью на 3D принтере был напечатан лабораторный стенд для проверки взаимодействия магнитных полей ротора и статора. После проверки нескольких десятков вариантов обмоток статора был найден вариант, при котором взаимодействие полей статора и ротора происходило наилучшим образом. Всё остальное было делом техники. На этом же принципе сконструирован шарообразный электродвигатель HELV.

Как утверждают авторы разработки, моторы HELV с их соотношением размеров и мощности — это нечто фантастическое. Реализация данного изобретения стала возможной благодаря новым доступным материалам и новым идеям, которые стали ключевым фактором успеха прорывного эксперимента — изобрести что-то новое, что-то важное. При доводке конструкции синхронизировать контроллер с электродвигателем HELV было достаточно непросто. Контролировать его на высоких нагрузках еще сложнее. Но на сегодняшний день изделие почти готово к массовому производству.

Компания утверждает, что двигатель рассчитанный на мощность 40 кВт будет весить не больше 9,7 кг, а диаметр будет не больше 22 сантиметров. Такие характеристики дадут возможность устанавливать данный двигатель на электрические автомобили, лодки, электромотоциклы и квадрокоптеры. В 2019 году компания заявила, что скорость вращения топовой модификации двигателя составляет 30 000 оборотов в минуту при напряжении в 400 вольт, а пиковая мощность электродвигателя в линейке продукции составляет 95 кВт. Данная модель еще не представлена в линейке продукции компании.

Таким образом, произведен прорыв в создание самых современных и эффективных электродвигателей. Остаётся только правильно подобрать его мощность для достижения заданных технических характеристик автомобиля. Требуемая мощность, во многом зависит от типа трансмиссии. Если электродвигатель будет подключен к колёсам через коробку передач, — то достаточно и небольшой мощности, а если напрямую к дифференциалу, – тогда потребуется двигатель более мощный.

Источник http://www.computerra.ru/238986/sovremennye-letayushhie-avtomobili-i-ih-budushhee/
Источник Источник Источник Источник Источник http://naukatehnika.com/novyij-dvigatelej-dlya-elektromobilej.html