Революционный электромотор Magnax в 5 раз мощней традиционных - «Технологии»

Производственные машины, автомобили, грузовики, мотоциклы, а теперь и самолеты, как более века назад предсказывал Эдисон, постепенно переходят на электрические двигатели. И преимущества этого, помимо уменьшения вредных выбросов, очевидны: более тихая работа, снижение требований к техническому обслуживанию, повышение производительности и эффективности, а также более гибкое использование источников энергии.

Более того, электромоторы способны выполнять роль генератора, превращая механическую энергию в электричество, и естественно работать как обычный двигатель, выполняя обратное.

Долгое время электромоторы имели стандартную конструкцию, которая была очень проста в изготовлении. Но бельгийский стартап Magnax разработал новый мотор, который теоретически может получить гораздо большую мощность и крутящий момент и сделал его коммерчески практичным. Сейчас он как раз проходит испытания на электромобилях. Если все пройдет успешно, то, как утверждают разработчики, широкое применение таких моторов позволит улучшить производительность техники, снизить операционные расходы и вредные выбросы.

В стандартном электромоторе внутри стартора размещен ротор. Благодаря магнитам, расположенным по окружности, магнитные поля статора и ротора взаимодействуют: магниты отталкивают или притягивают друг друга в такой последовательности, чтобы поддерживать вращение ротора и создавать крутящий момент. Таким образом, мотор преобразует электрическую энергию в механическую энергию. Если же двигатель работает как генератор, процесс идет в обратном порядке.

Чтобы еще больше уменьшить вес, размер и стоимость мотора, электромагнитное взаимодействие необходимо было фундаментально пересмотреть. Это как раз то, что и сделали в Magnax, создав безъякорный электромотор с аксиальным потоком. Специалисты разместили статор в прокладке между двумя роторами. При таком расположении статор просто действует как носитель электромагнитных потоков, а не ярмо ротора. Устранение ярма – в данном случае стального цилиндра, который составляет около двух третей массы статора – экономит огромное количество веса.

В результате более чем вдвое увеличивается удельная мощность мотора по сравнению с более ранними осевыми двигателями с рычажным креплением и в четыре раза по сравнению с традиционным двигателем (как, например, в BMW i3). Эффективность обеспечивает прямолинейное направление магнитного поля, от одного ротора через статор к другому. Также уменьшается и износ металла. Для изготовления такого мотора требуется на 40 процентов меньше меди, и на 20 процентов меньше магнитов.

Разработчикам предстояло преодолеть ряд проблем, прежде всего механических. Поскольку отсутствовало ярмо для соединения отдельных зубцов статора, необходимо было найти другое решение для создания статора с достаточной прочностью и жесткостью, чтобы надежно удерживать зубцы под воздействием мощных электромагнитных сил.

Возникли вопросы и по охлаждению. В стандартных моторах тепло, как правило, выводится через каркас вокруг статора, в Magnax такого элемента нет вообще. Здесь тепло выводится благодаря специальной конструкции медных радиаторов.

Еще одной проблемой является непосредственно само производство. Электромоторы с осевым потоком всегда было трудно изготовить из-за сложности конструкции. Поэтому они до сих пор не вышли в крупное серийное производство, что приводит к их более высокой стоимости. Magnax сейчас строит собственную производственную линию и планирует начать выпустить 25 000 двигателей в год к 2022 году, а затем увеличить количество их до сотен тысяч.

В 2017 году было продано электродвигателей на общую сумму около 97 миллиардов долларов США. Но их средняя эффективность остается ниже 90 процентов. В то же время в ходе испытаний в Гентском университете прототип двигателя Magnax показал КПД от 91 до 96 процентов. В компании подсчитали, что, повышение эффективности всех двигателей в мире всего на 1 процент позволит снизить энергопотребление двигателей на 94,5 тераватт-часа и сократить выбросы углекислого газа 60 миллионов метрических тонн в эквиваленте.

Источник: spectrum.ieee.org