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
Куда делась атомная бомба Гитлера? Физики увидели то, что упустили историки
Ученые подчеркивают: многие из громких мифов 1940-е годов, скорее всего, не выдержат проверки реальными фактами...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Самая известная мумия Южной Америки снова «заговорила»: последние ее месяцы были очень мрачными
Археологи говорят: именно на этой жестокой практике держалась вся империя инков...
В морском льду Антарктиды протаяла дыра площадью с Португалию. Теперь ученые знают, почему
Эксперты говорят: сбой ледового ритма опасен для Мирового океана и планеты в целом...
Что будет с Азовским морем? Российские ученые просчитали четыре варианта развития событий
Исследователи объяснили, почему при любом раскладе море не будет прежним. Но каким тогда?...
За 320 миллионов лет Земля как минимум 4 раза опрокидывалась набок
Поразительное, но такое заваливание идет прямо сейчас. И геологи рассказали, как и почему это происходит...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Он помогал нести крест Христу: надпись на саркофаге проливает свет на библейского персонажа
2000-летний гроб был найден еще 1941 году, но ученые до сих пор не пришли к какому-то общему мнению. Почему?...
40 000-летний подводный город нашли в Турции: почему официальная наука против такой даты?
Интересно, что древний объект находится недалеко от горы Арарат, где прямо сейчас ищут легендарный Ноев ковчег...
Раскрыта 217-летняя тайна: искусственный интеллект взломал зашифрованное письмо Наполеона
Нейросети последних лет — это реальный прорыв: только за несколько недель было вскрыто более 30 безнадежных шифров...
Что случится с Сибирью к 2080 году: прогноз красноярских ученых и эксперта NASA
Арбузы вместо мерзлоты, большая ложка дегтя и открытый финал — в одном из самых обстоятельных исследований о будущем России...
Кита лечили тем, от чего обычно умирают: этот эксперимент изменил медицину
Одиннадцатилетняя белуха угасала от неизлечимой болезни, и тогда ученые пошли на рискованные опыты...
Искусственная гравитация: ученые рассказали, появится ли вообще главная фишка из фантастических фильмов в космосе
Космические инженеры знают три способа обмануть невесомость. Но пока рабочий из них только один, да и то есть нюансы...
Аура цвета индиго: как появился этот феномен и кем в итоге стали уникальные дети
Их называли будущим человечества, но чуда не случилось. Разбираемся, почему так произошло...