Печатный статор
Иллюстрация: Infinitum Electric
Любой электрический двигатель и генератор содержит вращающийся ротор и неподвижный статор. Второй в основном состоит из электротехнической стали, выполняющей роль магнитопровода, а потому имеет немалый вес. На сталь приходится до двух третей массы электрической машины. Некоторые инноваторы для облегчения конструкции предлагают использовать статоры в виде печатных плат.
Первые подобные двигатели появились около десяти лет назад в электрических газонокосилках и небольших ветровых турбинах. Чтобы заменить тяжёлый магнитопровод с громоздкой медной обмоткой на лёгкую и прочную печатную плату, нужно было переориентировать магнитный поток, направив его вдоль оси вращения ротора. Такое решение обещало снизить вес как самого двигателя, так и всевозможных электроприводных механизмов, обеспечив экономию энергии и материалов. Особенно это важно в случае электромобилей, где двигатель «везёт» самого себя плюс всё остальное.
Инженеры-разработчики по большей части с недоверием отнеслись к идее. Почему?
Во-первых, считалось, что с помощью печатных статоров можно решать лишь деликатные задачи, такие как привод оптических дисков. Однако в 2011 году компания CORE Outdoor Power опровергла это мнение, создав пневмомашину для очистки канав и кюветов от листьев, а также газонокосилку. В обеих использовался двигатель с обмотками из печатных плат, который получился надёжным и малошумным.
Во-вторых, инженеры считали, что печатные статоры пригодны только для малых мощностей. Это убеждение опровергла компания Boulder Wind Power, которая применила такой статор в трёхмегаваттном многополюсном генераторе для безредукторных ветровых турбин. Машина с весьма плавным ходом рассчитана на крутящий момент более двух миллионов ньютон-метров!
Обе компании обанкротились. Boulder Wind Power не смогла найти коммерческие заказы к тому времени, когда деньги инвесторов закончились, а CORE Outdoor Power не вырержала конкуренции с поставщиками более дешёвых моторов. Тем не менее их пионерские решения продемонстрировали возможность практического применения печатных статоров.
Но давайте вернёмся в наше время. Эстафету инновационных разработок подхватила компания Infinitum Electric из Остина (штат Техас). Она разработала плоский двигатель с печатным статором, пригодный для решения целого ряда задач. На рис. 1 показаны элементы, из которых он состоит. В сравнении с асинхронным двигателем переменного тока той же мощности он весит вполовину меньше, имеет вдвое меньшие размеры и меньше шумит при работе. Компания поставляет свои двигатели производителям систем кондиционирования зданий, автомобильным концернам, металлургам...
(источник: Infinitum Electric)
Как мы уже отметили, магнитный поток направлен вдоль оси двигателя. Сформированные на плоском статоре печатные обмотки располагаются параллельно дисковому ротору с постоянными магнитами. Когда через обмотки пропускается переменный ток, ротор вращается. Сердечник здесь воздушный, если можно так выразиться. Между обмотками и магнитами нет ничего, кроме воздуха.
При попытках создать мотор с таким магнитным потоком традиционными способами разработчики сталкивались с серьёзными трудностями. Проводные обмотки выходили громоздкими, для их удержания требовалась специальная несущая структура. Воздушный зазор был настолько широк, что для получения магнитного поля требуемой силы приходилось наращивать массу магнитов.
Компания Infinitum Electric формирует плоские медные проводники на печатной плате из прессованной стеклоткани стандартным способом - с помощью фотолитографии. Поскольку медь и стеклотекстолит имеют одинаковый температурный коэффициент расширения, при переменных нагрузках металл не отслаивается. В многослойной печатной плате выделен отдельный слой для каждой фазовой обмотки. Тем самым снижена вероятность межфазного замыкания и увеличена надёжность статора. Число контактных переходов между слоями сведено к минимуму.
Кстати, дисковый статор можно окружить двумя роторными дисками, усилив результирующий магнитный поток. На рис. 2 показана такая структура в разрезе (сверху вниз): серая стальная пластина первого роторного диска, постоянные магниты на ней, воздушный зазор, зелёный печатный статор, второй воздушный зазор, постоянные магниты и удерживающая их пластина второго роторного диска.
(источник: Infinitum Electric)
В зависимости от назначения двигателя используются разные соединения статорных обмоток. Например, в низковольтных исполнительных механизмах они включаются параллельно, а в промышленных трёхфазных двигателях - последовательно.
Для управления мотором необходим частотный регулируемый преобразователь (ЧРП). Он позволяет плавно разгонять ротор до нужных оборотов, минимизируя пусковой ток. ЧРП также задаёт вращающий момент, если это необходимо.
Стандартные промышленные блоки ЧРП для изделий Infinitum Electric не подходят: в отсутствие стального сердечника статорные обмотки имеют низкое реактивное сопротивление, поэтому компания применяет оригинальные схемы частотного регулирования, оптимизированные под конструкцию мотора. В них используются транзисторы на основе карбида кремния со сниженными потерями переключения. Преобразователь снабжён схемами, позволяющими дистанционно контролировать техническое состояние мотора и прогнозировать его отказы.
Необычные пропорции двигателя (малая длина и большой диаметр) упрощают его охлаждение, так что через медные проводники того же сечения можно пропускать вдвое-втрое больший ток, чем в традиционном двигателе. Возможно дополнительное принудительное охлаждение путём обдува рёбер на внешней поверхности корпуса и продувки воздухом электронного отсека.
Исключив стальной сердечник и минимизировав затраты электротехнической меди, компания сократила вес мотора на 50-65% и его объём на 50-67% (см. рис. 3). Более того, исключены потери энергии на перемагничивание железа и вихревые токи в нём. Не удивительно, что двигатель Infinitum Electric способен работать на больших оборотах, чем традиционные электромоторы. Ещё один интересный эффект - исключение радиальной составляющей магнитного взаимодействия, которая в традиционных электромоторах создаёт только нежелательные вибрацию и шум. Тем более что этот шум может усиливаться из-за резонансов в статорных полостях. При переходе с традиционного мотора на плоский уровень шума снижается примерно на 5 дБ.
Сегодня компания Infinitum Electric по заказу крупного автопроизводителя работает над конструкцией тягового электродвигателя с масляным охлаждением. «Такое охлаждение обещает быть эффективным, поскольку масло покрывает всю поверхность печатной платы, - сообщил представитель компании. - Мы уже утроили плотность мощности, доведя её до уровня в 8-12 киловатт на килограмм». Вполне возможно, что новинка подойдёт и для перспективных самолётов с электротягой.
При подготовке статьи использованы материалы журнала IEEE Spectrum.
Читайте другие наши материалы
