Никола Тесла отмщен, или назад к традиционным двигателям

Попытка автомобильной индустрии снизить зависимость производства от редких элементов приводит к возрождению старомодных электродвигателей.

И снова паникеры в автопромышленности ломают руки в страхе перед возможной нехваткой так называемых «дефицитных материалов», применяемых в наукоемком производстве. Причиной беспокойства Министерства энергетики США являются материалы, используемые при изготовлении ветротурбин, электродвигателей, солнечных фотоэлементов и при проведении энергоэффективного освещения. Столь оживленно обсуждаемые сегодня вещества, доступность которых находится под вопросом, это несколько видов редкоземельных металлов и ряд химических элементов, добавляемых в небольшом количестве в промышленные материалы для улучшения их свойств.

Нельзя сказать, чтобы редкоземельные элементы – скандий, иттрий и лантан, как и четырнадцать так называемых лантаноидов, – были такими уж редкими. Некоторые находятся более чем в достаточном количестве – как, например, никель, медь или цинк. Даже двух самых редких – тулия и лютеция – в земной коре гораздо больше, чем золота и платины.

Всего десятилетие назад Соединенные Штаты были первыми в мире по объему добычи редкоземельных металлов, но огромная открытая разработка в Маунтин-Пас, штат Калифорния, была закрыта в 2002 году, пав жертвой китайских конкурентов с более низкими трудовыми издержками. Сегодня Китай добывает 95% мирового объема редкоземельных металлов, однако правительство приняло решение ограничить экспорт, чтобы удовлетворить внутренний спрос собственного наукоемкого производства.

Наибольшее беспокойство у лидеров промышленно развитых государств вызывает металл неодим – ключевой элемент для создания супермощных постоянных магнитов. За прошедший год цена на неодим возросла в четыре раза, так как электродвигатели с постоянными магнитами стали более популярны, чем аналоги с электромагнитной катушкой. Более дешевые, более мощные и меньшие по размерам, двигатели и генераторы с постоянными магнитами значительно повысили эффективность современных ветродвигателей и электромобилей.

Несмотря на это, далеко не все производители электромобилей бросились изготавливать двигатели с постоянными магнитами. К примеру, в «TeslaRoadster», спортивном автомобиле, созданном на базе модели «LotusElise», не используются редкоземельные металлы. Как и в созданной концерном «BMW» модели «Mini-E», электрической версии культового автомобиля 1960-х – «Mini Cooper». Тем временем, компания-пионер в производстве электромобилей, «ACPropulsion» со штаб-квартирой в Сан-Димасе, штат Калифорния, позаботилась о том, чтобы избавиться от постоянных магнитов. Очевидно, ряд крупных производителей считают слишком рискованным полагаться на единственный источник редкоземельных металлов.

Недавно к поиску альтернативы редкоземельным металлам примкнула и крупнейшая в мире автомобилестроительная корпорация – «Toyota». По словам производителей, для своей постоянно расширяющейся линейки автомобилей-гибридов они разрабатывают новый электродвигатель, в котором не используется неодим. Следуя примеру компании «ACPropulsion», «Toyota» основывает свои новейшие разработки на старом добром асинхронном двигателе переменного тока, запатентованном еще Николой Тесла, сербско-американским изобретателем в далеком 1888 году.

Он представляет собой разновидность вращающегося трансформатора, первичная обмотка которого размещается в неподвижной части двигателя (статоре), а вторичная обмотка присоединена к внутреннему стержню (ротору). Ротор находится внутри статора, но не касается его, имея возможность свободно вращаться вокруг своей оси. Переменный ток, передаваемый на обмотку статора, создает вращающееся магнитное поле, одновременно индуцируя ток на отдельные провода, окружающие ротор. Ротор в свою очередь – при циркулирующем внутри переменном токе – способен создавать собственное вращающееся магнитное поле, которое начинает устремляться к магнитному полю статора, вынуждая ротор вращаться, создавая крутящий момент.

Современные асинхронные двигатели переменного тока, как правило, имеют три и более катушки статора, что делает его работу более ровной и позволяет увеличить крутящий момент. Такие двигатели называют асинхронными, потому что частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. В синхронном же двигателе вращающееся магнитное поле, создаваемое расположенными на статоре обмотками с током, направляет электромагнитный момент напрямую на магнитное поле ротора, вызывая вращение последнего вокруг своей оси синхронно с полем статора. Отсюда, собственно, и название.

В прошлом главной проблемой в применении асинхронных двигателей переменного тока были трудности с варьированием скорости вращения. Сегодня эта проблема решена – благодаря современным полупроводникам. В то же время огромным преимуществом двигателей переменного тока – наряду с простотой и повышенной устойчивостью – всегда была их чрезвычайная стойкость к перепаду температур, а необходимость устанавливать в классическую «ToyotaPrius» систему охлаждения для ее двигателя постоянного тока, существенно утяжеляет автомобиль. В отличие от него, двигатель переменного тока не требует специального охлаждения и, следовательно, может обойтись без тяжелого радиатора, охлаждающего вентилятора, водяного насоса и примыкающих труб.

Кому нужна коробка передач?

Так как двигатели переменного тока могут переносить температуры, при которых постоянные магниты выходят из строя, из них можно выжать гораздо больше –пусть и на короткий промежуток времени, например, на крутом подъеме. Автомобилям-гибридам, таким как, например, «ToyotaPrius» или «ChevroletVolt», приходится полагаться на бензиновые двигатели и коробку передач для дополнительной мощности. В отличие от них «TeslaRoadster» имеет односкоростную трансмиссию – настолько высока гибкость трехфазного двигателя переменного тока.

Свой новый дизайн двигателя переменного тока «Toyota» основывает на разработках Тесла. 52-хкилограммовый трехфазный двигатель родстера по размеру не больше арбуза, однако мощность его равняется 288 л.с. Что еще более поразительно: крутящий момент в 400 ньютон-метров позволяет двигателю совершать до 6 000 оборотов в минуту, что делает традиционную коробку передач просто ненужной. В результате мы имеем легкий, компактный и невероятно мощный двигатель.

В целом, эффективность «TeslaRoadster» составляет 88%, что примерно в три раза выше, чем у традиционного автомобиля. А со своими обширными инженерными ресурсами, «Toyota» сможет улучшить и этот результат.

Увидев это, незаслуженно забытый Никола Тесла был бы доволен.

Economist, перевод с английского – Наталья Коношенко

http://www.economist.com/node/18750574