Электродвигатель будущего: левитирующий ротор и инновационная система управления
Электромобили становятся все более популярными во всем мире, но их развитие сталкивается с рядом проблем, связанных с производством и эксплуатацией электродвигателей. Одна из таких проблем — зависимость от редкоземельных металлов, которые используются для создания мощных постоянных магнитов в роторах моторов. Эти металлы не только дорогие и дефицитные, но и обладают низкой термостойкостью и хрупкостью, что снижает надежность и долговечность двигателей.
Другая проблема — износ контактных элементов в электродвигателях, таких как щетки, коммутаторы и подшипники. Из-за трения и искрения эти элементы подвержены износу и коррозии, что также уменьшает эффективность и срок службы двигателей. К тому же, контактные элементы создают дополнительное сопротивление в цепи, что приводит к потере энергии и перегреву двигателя.
Но что если бы можно было избавиться от этих проблем и создать электродвигатель, который не нуждается в редкоземельных магнитах и не имеет контактных элементов? Такой двигатель был бы более дешевым, эффективным, надежным и экологичным, чем существующие аналоги. Именно такой двигатель представила на выставке IAA Mobility в Мюнхене одна из крупнейших компаний по производству автозапчастей — MAHLE.
Концепция нового двигателя основана на сочетании двух инновационных технологий, разработанных MAHLE в 2021 и 2022 годах. Первая технология — это Superior continuous torque (SCT), которая позволяет создавать электродвигатели с высоким постоянным крутящим моментом без использования редкоземельных магнитов.
SCT основана на принципе синхронного релюктансного двигателя (SRM), который имеет статор с несколькими фазами и ротор с продольными желобами. При подаче тока на статор создается переменное магнитное поле, которое взаимодействует с ротором и заставляет его вращаться. Ротор имеет разную магнитную проницаемость вдоль своей оси, поэтому он стремится выровняться с направлением магнитного поля статора. Это создает крутящий момент, который зависит от угла между осями статора и ротора. Чем больше этот угол, тем больше крутящий момент.
Однако SRM имеет недостатки, такие как низкий коэффициент мощности, высокий уровень шума и вибрации, а также сложность управления. Поэтому MAHLE усовершенствовала SRM, добавив в ротор неодимовые магниты, которые увеличивают крутящий момент и уменьшают потери энергии. Неодимовые магниты также позволяют работать при более высоких температурах, чем редкоземельные магниты, которые теряют свою силу при нагревании. Кроме того, MAHLE разработала интегрированную систему охлаждения маслом, которая циркулирует по всему двигателю и поддерживает оптимальный тепловой баланс. Масло также используется для смазки подшипников и для передачи тепла на другие части автомобиля, например на отопительную систему.
SCT обладает рядом преимуществ по сравнению с другими типами электродвигателей, такими как асинхронные (AC) или постоянного тока (DC) двигатели. SCT имеет более высокий крутящий момент при низких оборотах, что улучшает динамику и управляемость автомобиля.
Вторая технология — Magic Control Technology (MCT), которая позволяет передавать энергию на ротор без контакта и износа. Для этого используется принцип электромагнитной индукции: вращающийся статор создает переменное магнитное поле, которое возбуждает ток в роторе.
MCT основана на принципе бесконтактного электрического машиностроения (CEM), который был предложен учеными из Университета Бристоля в 2019 году. CEM представляет собой новый подход к проектированию и управлению электрическими машинами, который использует электромагнитную индукцию для передачи энергии и магнитную левитацию для поддержания ротора. CEM позволяет создавать электрические машины с высокой эффективностью, надежностью и гибкостью, а также снижать их стоимость и вес.
CEM имеет сложности, связанные с управлением и стабилизацией ротора, который может колебаться из-за неоднородности магнитного поля или внешних возмущений. Для решения этой проблемы MAHLE усовершенствовала CEM, добавив в статор специальные датчики и контроллеры, которые отслеживают положение и скорость ротора и корректируют магнитное поле для оптимального вращения. Кроме того, MAHLE разработала специальный алгоритм управления, который позволяет регулировать частоту и амплитуду тока в статоре для достижения желаемого крутящего момента и скорости ротора.
Новый двигатель MAHLE пока не имеет официального названия, но уже вызвал большой интерес среди посетителей выставки IAA Mobility. Компания планирует продолжать тестирование и совершенствование своего изобретения, а также искать партнеров для его внедрения в серийные автомобили. По словам представителей MAHLE, новый двигатель может стать революционным решением для электромобильной индустрии.
Другая проблема — износ контактных элементов в электродвигателях, таких как щетки, коммутаторы и подшипники. Из-за трения и искрения эти элементы подвержены износу и коррозии, что также уменьшает эффективность и срок службы двигателей. К тому же, контактные элементы создают дополнительное сопротивление в цепи, что приводит к потере энергии и перегреву двигателя.
Но что если бы можно было избавиться от этих проблем и создать электродвигатель, который не нуждается в редкоземельных магнитах и не имеет контактных элементов? Такой двигатель был бы более дешевым, эффективным, надежным и экологичным, чем существующие аналоги. Именно такой двигатель представила на выставке IAA Mobility в Мюнхене одна из крупнейших компаний по производству автозапчастей — MAHLE.
Концепция нового двигателя основана на сочетании двух инновационных технологий, разработанных MAHLE в 2021 и 2022 годах. Первая технология — это Superior continuous torque (SCT), которая позволяет создавать электродвигатели с высоким постоянным крутящим моментом без использования редкоземельных магнитов.
SCT основана на принципе синхронного релюктансного двигателя (SRM), который имеет статор с несколькими фазами и ротор с продольными желобами. При подаче тока на статор создается переменное магнитное поле, которое взаимодействует с ротором и заставляет его вращаться. Ротор имеет разную магнитную проницаемость вдоль своей оси, поэтому он стремится выровняться с направлением магнитного поля статора. Это создает крутящий момент, который зависит от угла между осями статора и ротора. Чем больше этот угол, тем больше крутящий момент.
Однако SRM имеет недостатки, такие как низкий коэффициент мощности, высокий уровень шума и вибрации, а также сложность управления. Поэтому MAHLE усовершенствовала SRM, добавив в ротор неодимовые магниты, которые увеличивают крутящий момент и уменьшают потери энергии. Неодимовые магниты также позволяют работать при более высоких температурах, чем редкоземельные магниты, которые теряют свою силу при нагревании. Кроме того, MAHLE разработала интегрированную систему охлаждения маслом, которая циркулирует по всему двигателю и поддерживает оптимальный тепловой баланс. Масло также используется для смазки подшипников и для передачи тепла на другие части автомобиля, например на отопительную систему.
SCT обладает рядом преимуществ по сравнению с другими типами электродвигателей, такими как асинхронные (AC) или постоянного тока (DC) двигатели. SCT имеет более высокий крутящий момент при низких оборотах, что улучшает динамику и управляемость автомобиля.
Вторая технология — Magic Control Technology (MCT), которая позволяет передавать энергию на ротор без контакта и износа. Для этого используется принцип электромагнитной индукции: вращающийся статор создает переменное магнитное поле, которое возбуждает ток в роторе.
MCT основана на принципе бесконтактного электрического машиностроения (CEM), который был предложен учеными из Университета Бристоля в 2019 году. CEM представляет собой новый подход к проектированию и управлению электрическими машинами, который использует электромагнитную индукцию для передачи энергии и магнитную левитацию для поддержания ротора. CEM позволяет создавать электрические машины с высокой эффективностью, надежностью и гибкостью, а также снижать их стоимость и вес.
CEM имеет сложности, связанные с управлением и стабилизацией ротора, который может колебаться из-за неоднородности магнитного поля или внешних возмущений. Для решения этой проблемы MAHLE усовершенствовала CEM, добавив в статор специальные датчики и контроллеры, которые отслеживают положение и скорость ротора и корректируют магнитное поле для оптимального вращения. Кроме того, MAHLE разработала специальный алгоритм управления, который позволяет регулировать частоту и амплитуду тока в статоре для достижения желаемого крутящего момента и скорости ротора.
Новый двигатель MAHLE пока не имеет официального названия, но уже вызвал большой интерес среди посетителей выставки IAA Mobility. Компания планирует продолжать тестирование и совершенствование своего изобретения, а также искать партнеров для его внедрения в серийные автомобили. По словам представителей MAHLE, новый двигатель может стать революционным решением для электромобильной индустрии.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Россия переходит на реактивные дроны: осенью под Орлом заработает крупнейший дронопорт в мире
По словам экспертов, запуски «Герани-5» из Орловской области полностью изменят правила в небе над Украиной...
Вот это поворот в истории: сарматы — вообще не потомки скифов
По словам ученых, это был настоящий демографический шок, когда один народ резко сменил другой...
«Купол света»: почему секретная советская технология снова тревожит американских экспертов?
США почти 40 лет пытается взломать этот секрет, но дальше гипотез дело не продвинулось...
«Парк юрского периода» был неправ: новая информация о тиранозаврах вас очень удивит
Маленькие яйца, детеныши размером с кошку и другие разоблачения голливудских мифов...
Генетическая загадка Арктики: что веками «ломало» ДНК народов Севера?
В крови этих людей ртути в семь раз больше нормы. Как северяне выдерживают такие отравления?...
«Анадырь» для США: как СССР умудрился незаметно завезти ракеты на Кубу
Это была эталонная операция, которая показала, что советские военные способны на невозможное...
Уран на завтрак и обед: в старой советской шахте обнаружены загадочные бактерии
По словам ученым, новое открытие может решить проблемы, связанные с радиацией...
Космос «сводит с ума» за 20 секунд: без гравитации мозг кардинально меняется, рассказали ученые
Если сознание способно столь радикально перестраиваться за треть минуты невесомости, что будет с ним через месяцы или годы?...
«Розовые рыцари» Антарктиды: удивительная история первой зимовки на Шестом континенте
Мало кто знает, что экспедиция осталась жива лишь благодаря «тайной» охоте...
Мумия персидской принцессы чуть не вызвала «войну» между тремя государствами
А потом пришли результаты вскрытия, и все эксперты схватились за головы...
Тайна «молочных морей»: что заставляет океан светиться? Ученые разводят руками
В ход пошли спутниковые наблюдения, но аномалия до сих пор до сих пор не раскрыта...
Сражались на равных с войнами-мужчинами: зачем дочери фараона были похоронены с боевыми луками и кинжалами?
Новое открытие полностью пересмотрело военную иерархию в Древнем Египте...
Химия из другого мира обнаружена в знаменитом метеорите Хиллсборо
Эксперты уверены, что когда-то именно такой астероид доставил на Землю компоненты, из которых образовалась жизнь...