Una delle sfide maggiori per i produttori di auto elettriche sarà quella della miniaturizzazione delle componenti. Una delle più importanti sicuramente sono le batterie ma anche il motore ha una importanza fondamentale. Poter disporre di sistemi di propulsione che siano alloggiati nell’interno dei cerchi ruota in un corpo unico potrebbe consentire degli schemi di progettazione per guadagnare spazio per i passeggeri e per le batterie. L’automobile così come la conosciamo, con l’utilizzo di questo tipo di propulsore nelle ruote e tutti i comandi di collegamento con le ruote by wyre libera la scocca permettendo nuove frontiere progettuali e nuovo sfruttamento dei volumi interni per una vivibilità sempre maggiore utilizzando meglio al tecnologia che l’elettrico in futuro può garantire.
Ci sono almeno tre società che associati ad altrettanti costruttori di automobili stanno lavorando su questo tema in modo incessante con prototipi interessanti già messi su strada. Una è la Protean Electric, società americana che sta collaborando con la FAW-Volkswagen per un motore elettrico interno alle ruote. Il progetto consiste nell’utilizzo di un nuovo motore elettrico per auto che fornisce, a detta del produttore americano, più potenza e coppia abbinato ad una maggiore densità di potenza rispetto al passato. Ogni ruota viene quindi motorizzata con una propria elettronica di controllo istallata all’interno del motore che comunica con il veicolo utilizzando il sistema di controllo principale. Le caratteristiche dei motori Protean sono lo sviluppo di 75 kW ovvero 100 CV di potenza di massima. Maggiore densità di coppia per un peso complessivo di 34 kg. Una maggiore capacità rigenerante in fase di frenata, che consente un recupero fino all’85% dell’energia cinetica disponibile per poi essere immagazzinata in apposite batterie. Il motore elettrico va inserito tranquillamente all’interno di una ruota stradale da 18, una misura ormai ad appannaggio anche di utilitarie.
Un altro costruttore che si è cimentato in questo campo è la Schaeffler Ag che collabora attivamente con la Ford, approntando un prototipo perfettamente funzionante su base Fiesta. Il sistema della Schaeffler Ag è denominato come E-Wheel Drive . Il veicolo scelto non è un caso. L’ azienda tedesca ha scelto una compatta per dimostrare la sua efficacia. La Fiesta E-Wheel Drive è mossa mediante due Schaeffler E-Wheel che vengono installati nei passaruota posteriori. Tutti i componenti necessari per l’azionamento del motore, la frenata e il controllo del veicolo come i sistemi di sicurezza, ESP e altri sono integrati nel gruppo ruota elettrico. All’interno è compresa anche l’elettronica di controllo, il sistema frenante, e il raffreddamento tutti all’interno del cerchione. I dati tecnici dell’ E-Wheel Drive sono di una potenza massima di circa 40 kW per unità, ed una potenza continua di 2 x 33 kW, ciò equivale ad una media di 110 e 90 cavalli rispettivamente. L’unità mozzo ruota viene raffreddato a liquido, che in questa versione Beta può sviluppare l’impressionante valore di coppia pari a 700 Nm. Rispetto al primo prototipo che usava come base una Opel Corsa, l’ E-Wheel Beta presenta quindi un aumento di potenza di circa un terzo, così come 75% in più di coppia. La tensione elettrica del convertitore ad alta tensione è 360-420 V. L’unità mozzo ruota ha un peso totale di 53 kg, con un ingombro di 16 litri, il che lo rende collocabile in un cerchio molto più diffuso della concorrente americana con la misura di 16 pollici.
Chi invece fa un deciso passo in avanti su questa tecnologia è la Michelin. Il colosso del pneumatico ha una divisone che esplora tutte le possibilità che il futuro può offrire all’ automotive dal punto di vista della salvaguardia dell’ambiente. Il progetto Michelin si chiama Active Wheel System ed è un sistema dotato di due motori elettrici alloggiati all’interno della ruota, uno che si occupa della trazione e la frenata e un altra unità per il controllo elettrico delle sospensioni attive. Questa soluzione rende nettamente rivoluzionario il progetto Michelin rispetto ai concorrenti citati sopra. Non c’è più infatti nessun motore sotto il cofano, il sistema di sospensione è completamente diverso da come è inteso sui modelli odierni. Non esiste più nemmeno la classica trasmissione con cambio marcia, differenziale e semiassi per portare movimento alle ruote, tutte le componenti essenziali sono stati integrati nella stessa ruota. Senza motori, trasmissioni e sistemi ausiliari, si lasciano liberi gli spazi che una volta dovevano essere progettati per la sicurezza per assorbimento degli impatti. Le auto possono essere più piccole, leggere ed avere uno spazio più funzionale rispetto alle dimensioni esterne per trasportare più persone e merci. Tecnicamente ogni motore Michelin pesa 42 kg sviluppando una potenza di 30 kW raffreddato ad acqua per una dimensione simile ad un motorino per avviamento. Il motore ha una serie di ingranaggi che azionano direttamente il mozzo. Un secondo motore elettrico invece opera la regolazione delle sospensioni attive tramite una cremagliera e pignone che sostituisce in pieno ed efficacemente l’azione di un normale ammortizzatore idraulico. Insieme, i due motori ruota anteriori sviluppano una potenza di 60 kW (81 CV), che possono toccare un picco fino a 120 kW (163 CV) per brevi istanti. Una vettura con questa tecnologia dovrebbe coprire il classico 0-100 km in 10 secondi con una velocità massima di 140 km / h. L’accordo tra Michelin e Heuliez Will prevedono diverse configurazioni del sistema, abbinati a diversi moduli di batterie agli ioni di litio, che offrirebbe dai 150 ai 400 km di percorrenza. Il sistema Michelin lascerebbe addirittura al cliente la scelta di utilizzare diversi moduli di batterie a seconda delle esigenze in un ottica di massima flessibilità. L’ Active Wheel è in grado di recuperare energia in frenata per aumentare la percorrenza dei veicoli. I motori elettrici nelle ruote hanno un efficienza del 90%, rispetto a circa il 15% di efficienza per un veicolo endotermico convenzionale come un utilitaria.
I costruttori di auto e di sistemi elettrici quindi si stanno dando da fare per avere un veicolo elettrico il più funzionale ed economico possibile sul mercato. Ora il passo sta ai produttori di batterie, che devono trovare sempre nuovi metodi di ricarica veloce per rendere una volta per tutte efficienti le alternative elettiche rispetto alle comode vetture endotermiche. Una ricaduta sull’immediato di questa corsa alla miniaturizzazione dei motori elettrici ha portato vantaggi nell’introduzione di alternatori e motirini di avviamento più efficienti e potenti, soprattutto resistenti per i sistemi di start end stop indispensabili per le attuali vetture ibride. Ormai ci sono costruttori che già usano alternatori a 48v che hanno due velocità con un minicambio all’interno per gli avviamenti a freddo ed a caldo. Questi alternatori/motori possono essere anche usati come spinta per motori endotermici ai bassi regimi creando una soluzione microibrida. Come sempre è la meccanica classica che mostra i suoi limiti rispetto alla nuova tecnologia. Infatti per far funzionare questo alternatore/motore necessita un impianto elettrico adeguato sia nella potenza che nelle specifiche di sicurezza. Inoltre tutto il comparto delle cinghie e tendicinghia di comando dovono essere riprogettate con un costo che si rifletterebbe pari pari sulla manutenzione sulle spalle del cliente finale. Un utilità maggiore invece viene per i sistemi ibridi. Infatti i motori elettrici così rimpiccioliti possono essere usati in diretto collegamento con l’asse delle ruote non alimentate dal motore termico. In questo modo si ha la possibilità di poter andare sia in modalità elettrica che in modalità ibrida trasformando il veicolo in una trazione integrale intelligente in tutto e per tutto. Si possono eliminare collegamenti meccanici di alberi, differenziali e semiassi che assorbono una quantità enorme di energia. In questo modo i costruttori applicano alla meccanica attuale motori elettrici intanto che la nuova tecnologia sia resa accessibile per costi ed affidabilità per i clienti. La strada è tracciata, indipendente dalla lungimiranza o meno di certi capitani di industria perennemente in ritardo, nessun costruttore può lasciare la via dell’elettrico. Passando attraverso l’ibrido le autovetture moderne stanno andando verso una nuova disposizione delle componenti interne, un nuovo modo di intendere l’auto che già comincia ad affacciarsi con il prototipo Google.
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Non so…. ci vedo 2 limiti non trascurabili:
1 il peso delle masse non sospese triplica, ed ha effetti disastrosi sull’handlig
2 con tutte le botte che prende una ruota non so quanta vita possa avere un motore che subisce continuamente violente accelerazioni impulsive… pensate quante ne prende prima di arrivare 100000 km…
Ottima panoramica sullo stato dell’arte: la ruota -motore è il naturale obiettivo della trazione elettrica che oggi può avvalersi dei sistemi “brushless” per una più flessibile e raffinata regolazione della velocità, ruota per ruota, indipendenti l’una dall’altra e dal numero di ruote. Non dimentichiamoci che il motore elettrico offre la coppia perfetta per la trazione.
Si raggiunge così l’aderenza totale (trazione/frenatura integrale) rivoluzionando l’architettura generale di qualsiasi veicolo, giacché la trasmissione e distribuzione dell’energia è affidata a collegamenti elettrici. Il punto dolens resta la generazione e/o accumulo di energia elettrica a bordo. Se per la generazione si usa un gruppo termogeneratore (propulsione ibrida: motore termico + generatore elettrico) nasce il problema del costo/peso di tale gruppo. Se si può attingere direttamente a batterie di adeguata capacità e rapidità di carica (fondamentale in generale, ma particolarmente in frenatura a recupero) siamo alla vera auto elettrica, ma il traguardo di batterie allineate con i livelli raggiunti dagli altri equipaggiamenti elettrici, a meno di qualche colpo di genio, è ancora lontano, anche per potenze al limite minimo dei veicoli stradali in uso oggi.
Rispondo ai due quesiti. Il limite del problema del peso delle masse non sospese, in effetti riguarda le sue soluzioni della Ford e Volkswagen che conservano gran parte della meccanica originale in aggiunta al gruppo propulsore elettrico. Invece il sistema Michelin ha come ottima resa il fatto che tutta la massa contempla anche la sospensione con per un peso complessivo che varia di poco rispetto al mozzo, gruppo frenante e sospensione completa. Per quello che riguarda l’affidabilità del sistema sulle buche, le case costruttrici non fanno altro che rispondere alle esigenze sempre più pressanti che i governi chiedono in materia di rispetto ambientale, sta a noi cittadini chiedere ai governi di fare la loro parte nel dare delle infrastrutture decenti per circolare non si può demandare tutto ai costruttori. Il secondo quesito è interessante. La tecnologia per la ricarica della batteria e per la miniaturizzazione delle stesse non è ferma al palo e non sta con le mani in mano. Si stanno studiando sistemi di ricarica veloce. Da questo punto di vista mai come in questa era vengono in aiuto le corse. Sia nelle Endurance con il garage speciale di Le Mans che con la Formula E si stanno sperimentando sistemi di ricarica ad induzione. Giusto per fare due esempi ci sono due prototipi marcianti in Giappone di Honda con una citycar completamente autonoma con pannelli solari al punto da fungere da centrale per la casa la sera quando si torna, e un prototipo Toyota che sarà a breve presentato anche in Europa di berlina media compatta con propulsione mediante fuell cell, cioè con la produzione elettrica affidata da una piccola centrale ad idrogeno. Quindi non demordete. Nonostante Giornale Motori possa dare l’idea di essere un blog molto conservatore non mancheremo di stare sulla cresta dell’onda per informarvi su cosa guiderete in futuro.
Francamente, non ho mai individuato nel blog Giornale Motori tendenze conservatrici. Quanto alle batterie, certamente sono in molti impegnati a migliorare la situazione: si può solo affermare che la ricerca in tal settore ha preso crescente impegno in tempi decisamente più recenti (comunque datati) rispetto a quelli concernenti tutto il settore dell’elettrotecnica. Come si sa, il problema attiene alla capacità delle batterie, al loro peso e volume e alla possibilità di carica in tempi brevi o estremamente brevi (recupero energetico in frenatura). La carica rapida in fase di “rifornimento” statico è relativamente più a portata di mano di quella in fase di frenatura dove l’ideale sarebbe convertire una percentuale assai rilevante dell’energia cinetica in gioco in tempi minimi che sono quelli di frenatura.
Inoltre, sussiste l’esigenza di erogare correnti elevate in accelerazione: quest’aspetto è meno critico rispetto agli altri, ma importante per garantire una potenza paragonabile a quella media dei veicoli di oggi.
Conclusione: il tema è tuttora più che aperto e, al di là di notizie sparse che giungono da questo o quel laboratorio, tuttora non si hanno evidenze di concrete realizzazioni in grado di mutare in modo davvero profondo il panorama attuale.
Purtroppo questo campo non è facile. Come disse un ing che conoscevo un tempo, non si tratta di palloni che si gonfiano. La tecnologia va avanti e la strada è tracciata. L’industria meccanica è molto più lenta di quella elettronica per una questione di ammortamenti dei macchinari che a volte necessitano di decenni che per forza di cose rallenta lo sviluppo. Ma la strada è tracciata e tornare indietro non credo sia possibile.
Vi ricordo che i primi record di velocita’ furono fatti con motori eletrici e che gia’ agli albori della storia automobilistoca si usavano auto elettriche perche piu’ affidabili dei primi motori endotermici.la propulsione elettrica smise di avere senso quando il motore elettrico divemto’ motorino di avviamento per i motori endotermici.con cio’ voglio dire che le auto elettriche saranno solo auto da citta’.quindi ben venga il motore nella ruota visto che sara’ montata su una macchina che non ha velleita’ sportive.complimenti per l’articolo
io i semiassi li terrei, il motore al centro lontano da sporco/acqua/vibrazioni mi piace di piu’, anche perche’ occupa talmente poco spazio….
Sono ormai trascorsi due anni, dal vostro interessante articolo, ma se uno di noi dovesse montare queste possibili ruote la stradale e la motorizzazione che provvedimenti prenderebbe nei nostri confronti? Quando siete stati dal gommista avete mai provato a spostare una delle ruote posteriori di un grande trattore agricolo facendo perno sull’asse centrale? o per fare una tale operazione fate forza sul battistrada? perché agite in questo modo? applichiamo lo stesso principio alle moto ruote e forse serviranno un numero inferiore di batterie.
Per la precisione il mio veicolo monta ruote 220/55 R 19, pertanto se qualcuno dispone di due motoruote che non ne modifichino la meccanica (ossia che non mi costringano a togliere i freni a disco che resterebbero per la motorizzazione) comunichi la sua disponibilità alla redazione di Giornale Motori. Per quanto riguarda l’energia, da inviare alle batterie, proviamo a montare degli alternatori a magneti permanenti da almeno 1kW con delle turbine tipo Pelton facciamo i nostri percorsi, studiamo, registriamo, poi riprendiamo il confronto (nella maggior parte dei nostri veicoli possiamo montarne almeno 6, il problema è che ogni alternatore andrebbe a costare almeno 600 €, se si riesce a trovare un finanziatore forse i passi verso l’ibridazione delle attuali auto sarebbero più veloci).
Allora, modificare il proprio veicolo fuori dalle sue specifiche di omologazione non è possibile per la legge italia. E possibile apportare miglioramenti marginali, solo dopo previo nulla osta concesso dalle case che prevede comunque l’aggiornamento della carta di circolazione. Questo per avere un uso stradale della vettura modificata secondo le tu4 specifiche Giovanni.
Per quello che riguarda il resto, si può sempre realizzare un prototipo nel proprio garage e verificare in luogo privato come una pista i suoi effetti. Il mondo era pieno una volta di ottimi tecnici che si inventavano nuovi modi di sfruttare la meccanica dove le grandi case non possono per volontà o limiti di costi.
Non abbiamo ben capito tutto ciò che Giovanni vorresti utilissare e come farlo per la brevità del messaggio, andrebbe quanto meno spiegato nel dettaglio il progetto per capirne le potenzialità. Noi a Girnale Motori, abbiamo una buona formazione tecnica, una buona capacità di analisi e talvolta diamo ottime valutazioni delle soluzioni e le potenzialità. Una delle aziende che si sta prodigando per omologare ruote con motori elettrici nelle ruote, cosa che potrebbe far usare il sistema in after market come un cerchio in lega è la Schaeffler o la Continental.
Infine Giovanni, noi possiamo darti il massimo spazio una volta che hai un prototipo, usare quando possibile il nosto mezzo mediatico per diffondere la tua idea. Quindi a parte la nostra preparazione ti invitiamo a sviluppare su carta con un progetto ben studiato e presentabile e su strada con un prototipo funzionante. I risultati concreti portano finanziatori per forza di cose.
In bocca al lupo.
Daniele Amore
Giovanni
Prima di comunicarvi il mio pensiero, sulla moto-ruota, vorrei ringraziarvi per l’interesse mostrato con la risposta, interesse non ceto dimostrato dalle case automobilistiche.
La diversa modalità di impostazione, da me ipotizzata, per la moto-ruota nasce da una tipologia di guida utilizzata quando avevo il Land Cruiser Toyota con cui riuscivo a percorrere 16 km con un litro di gasolio, anche se per rendere più efficiente il sistema sarebbe bastato disporre un semplice motore ausiliario che avrebbe permesso di superare gli attriti e i rallentamenti giustificati anche dalle leggi della fisica.
Oggi diverse case automobilistiche come la Mitsubishi o l’Audi etc., stanno realizzando i così detti veicoli plug-in che, orientativamente, al massimo riescono a percorrere circa 50 km in modalità elettrica, il che vorrebbe dire che riuscirei a risparmiare circa l 1,5 di gasolio (non so se valga la pena spendere 50.000 € per un simile risparmio). La moto-ruota che si vuole realizzare dovrebbe sostituire almeno quei grossi motori elettrici di cui queste auto sono dotate.
Negli attuali autoveicoli le ruote ricevono il movimento rotatorio al centro e per capire la potenza in kW utilizzata si usa la seguente regola che chiede di moltiplicare la coppia (espressa in Nm) per la velocità di rotazione espressa dal motore in giri/minuto, per poi dividere il tutto per 9550, ottenendo in tal modo la potenza del motore a quel determinato regime. Se però a tale regola applichiamo la legge della leva di secondo genere, ecco che il raggio del cerchione funge da leva e come tale serve una Fm assai minore per superare la Fr (presente al centro, che al momento a 100km/h possiamo ipotizzare l’utilizzo di 50 kw). Per controbilanciare 1820 kg (Fr) con una leva di 22 cm bastano 0,245 kg di (Fm), proviamo ad applicare la stessa legge della leva di secondo genere per i kw o Fr presenti al centro ruota (se tale regola, con una buona sperimentazione, risulta applicabile non abbiamo di certo necessita di utilizzare motori elettrici da 60 kw). Una ruota 225/55R 19 ha una circonferenza pari a m 2,19, a 100 km/h esegue 761,03 rpm però non mancano motori elettrici asincroni AC trifase da 18 / 22 kw, da 2200 / 2800 rpm (max 7500 rpm), con 200 / 220 Nm, lung 364 mm, diam 280 mm, peso 80 kg (ma anche da un minor ingombro e peso) che potrebbero fare al caso nostro. Naturalmente lasciamo fare i calcoli a chi di dovere, poi sarà solo la sperimentazione a determinare il motore più performante per un tale uso. Questa tipologia di motori elettrici ha il vantaggio di poter lavorare a tensioni diverse 48 / 72 / 96 Vdc, offrendo così anche una potenza nominale variabile. Non dobbiamo tralasciare che ai nostri veicoli pur chiedendoli sempre 761,03 rpm non sempre utilizzano 50 kw alcune volte 60 ma anche 40 o 30 kw, dunque servono due motori elettrici versatile in grado di dare quanto realmente necessario senza sprechi (applicando però la seconda legge della leva di secondo genere si riducono (di molto) anche i kw necessari). Essendo questi dei motori AC dovrebbe funzionare anche da generatore elettrico quando è necessario rallentare la velocità del veicolo.
Superato questo grande ostacolo, resta il problema di quale tipologia di trasmissione del movimento adottare per trasferire la rotazione del motore elettrico al punto più estremo del cerchione e da questi alla ruota. Che io sappia si possono usare diversi sistemi: per contatto diretto, catene, organi rigidi (ciascuno con i suoi attriti e dispersione di energia), rapportando i diversi movimenti ed il giusto numero di giri non stiamo creando niente di complicato. Così il problema consiste nel verificare se i cerchioni in uso nelle ruote delle nostre auto sono in grado di reggere un tale lavoro e sul come o dove disporre il motore elettrico (visto questo potrebbe essere obbligato a fare gli stessi sobbalzi o movimenti vari, eseguiti della ruota) per meglio proteggerlo da acqua, polvere e possibili urti/colpi dovrebbe essere posizionato nel luogo più alto possibile (anche se in asse troviamo l’ammortizzatore).
Se questa è una parte dell’idea, di un possibile veicolo ibrido, è comunque indispensabile verificare se e come il tutto sia realizzabile nella pratica, il problema di fondo restano comunque i fondi per poter eseguire gli acquisti necessari e ricompensare chi si rende disponibile ad eseguire i vari lavori per la messa in pratica dell’idea, non certo le officine o i laboratori di meccatronica presenti nel territorio.
Nell’illustrare questa parte dell’idea, spero di esser stato sufficientemente chiaro, anche se capisco benissimo che altri potrebbero …… ma solo questo non basta, per il resto possiamo riparlane ……. dopo, anche se già in questo modo porterebbe offrire dei risultati sufficienti (come dico ai miei alunni non accontentatevi della sufficienza occorre raggiungere il massimo, anche se vi sarà sempre qualcuno in grado di dimostrarvi che il massimo è ancora oltre).
Giovanni
vorrei retificare un dato che erroneamente ho inserito, quando parlo di ” Per controbilanciare 1820 kg (Fr) con una leva di 22 cm bastano 0,245 kg di (Fm), proviamo ad applicare la stessa legge della leva di secondo genere” in realtà servono 82,72 kg, pertanto occorre sostituire i 0,245 kg con 82,72 kg. Così se il cerchione, come nel mio caso, ha un raggio di 19 cm servono 95,80 kg +/-.
Egregio Giovanni, possiamo discutere della cosa nel dettaglio usando la mail personale riferita a me stesso daniele.amore@libero.it
aspetto il suo materiale