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.