Аксиальный двигатель – новая надежда автомобилистов и авиаторов

Быстрое развитие транспорта на электрической тяге выявило множество новых задач и проблем. И дело не только в изготовлении легких, недорогих, с длительным ресурсом, аккумуляторов. Двигатели тоже требуют к себе внимания. Сегодня усилия конструкторов направлены на разработку компактного, мощного мотора с большим КПД.


Один из вариантов силового агрегата на электрической тяге – двигатель с осевым потоком (зазором). Ряд компаний, а именно – английская YASA, бельгийская Magnax, словенская EMRAX и другие (исследования проводит и «Роллс-Ройс») активно занимаются разработками нестандартного электромотора, называемого аксиальным.


Одна из его особенностей заключается в том, что его можно устанавливать как на автомобили, так и самолеты, корабли. Но сначала стоит разобраться, что это за устройство и как оно работает.

Сравнение с обычными электродвигателями

Используемые сегодня агрегаты характеризуются радиальным, т. е. направленным перпендикулярно от центра к краям, магнитным потоком. Электромоторы подобного типа также называют бесщеточными синхронными (BLDC) или аксиальными. Другая их особенность заключается в применении магнитов из редкоземельных химических элементов, располагаемых вдоль ротора. От первого из них начинается поток, пересекающий небольшой воздушный зазор между статором и вращающейся частью электромотора. Главный минус традиционного движка заключается в относительно больших габаритах и массе. Даже для самого компактного электрокара потребуется агрегат весом свыше 45 кг.

Особенности двигателя с осевым потоком

Главная – направленность магнитного поля параллельно оси мотора. Принцип действия подобного устройства описал и запатентовал Никола Тесла еще в 1889-м году. Хотя ранее Майкл Фарадей уже делал такой двигатель-демонстратор. В нем постоянные магниты размещены на роторах (их два – по одному с каждой стороны), между которыми находится статор.


Поток получается прямой и одномерный. Это дает возможность применять для изготовления магнитов стали, в которых есть ориентированные зерна, что повышает в конечном итоге КПД двигателя.

Как все это работает

Сначала необходимо подать напряжение на обмотки статора, чтобы создать на них поле, которое уже есть у ротора с постоянными магнитами. В результате получается взаимодействие: они то отталкиваются, то притягиваются друг к другу. Имеются в виду статорные и роторные магниты. Вращение передается на вал, к которому присоединяются нужные механизмы.

Плюсы и минусы двигателя с осевым потоком

Наиболее заметное преимущество – габариты и масса по отношению к мощности. Например, у «полного» электрокара BMW i3 на 1 кг мотора (общий вес 41 кг) приходится три киловатта отдачи. В то время, как у аксиального агрегата (например, Magnax AXF225 массой 14 кг) данный показатель достигает почти 15 кВт – т. е. в пять раз больше! Все это приводит не только к лучшей динамике, но и увеличению запаса хода примерно на 10 %. Из других плюсов стоит выделить возможность более эффективного охлаждения. Поток воздуха либо жидкости вдоль оси быстрее рассеивает тепло и понижает температуру. И последний положительный момент – удобное управление двигателем: можно с высокой точностью контролировать скорость вращения ротора и значение крутящего момента.


А что с другой, отрицательной стороны? Конструкция более сложная, если сравнивать с обычным мотором, у которого радиальный магнитный поток. Отсюда – более высокая стоимость обслуживания. Правда, у аксиального двигателя все обмотки активны на 100 %, т. к. нет т. н. «выступов» и медь не тратится впустую. И еще один момент заключается в необходимости точного изготовления устройства и его размещения. Надежность работы может нарушить сильная вибрация или воздействие иных магнитных полей. Но достаточно теории – пора переходить к практике: где и кем устанавливаются электродвигатели с осевым потоком?

YASA

Это британская компания, которую летом 2021-го года купил Mercedes-Benz. Надо сказать, что произошло это как раз в то время, когда англичане уже заключили договор на поставку электромоторов с осевым потоком для спорткаров «Феррари». Видимо, немцы чувствуют перспективность подобных двигателей!


И первой машиной, куда поставили инновационный мотор, стал футуристичный Mercedes-Benz Vision One-Eleven. По внешнему виду автомобиль можно назвать «отсылкой» к модели С111, «гремевшей» в 60-е и 70-е годы минувшего века. У новой машины тоже двери типа «крыло чайки», заниженный «передок» и такой же цвет кузова, как у «предков». К сожалению, подробностей о технических характеристиках электрокара не сообщают. Известно, что вес нового мотора составляет примерно треть от массы предшественников.


Подобные двигатели уже стоят на электрокаре McLaren Artura. Предполагается: в недалеком будущем ими укомплектуют серийные «Мерседесы». Производством моторов с осевым потоком займется предприятие, принадлежащее немецкой компании – Berlin-Marienfelde. Концепт Vision One-Eleven на конвейер не поставят, однако ряд идей, примененных в ходе его постройки, наверняка используют.

Magnax

Название компании произошло от слияния слов «магнитный» и «аксиальный». Фирма более десяти лет занимается исследованиями в области создания двигателей с осевым потоком. При этом особое внимание уделяется технологии. Например, используется медная проволока с квадратным сечением, что увеличивает заполняемость обмоток до 90%.


Как уверяют в представительстве компании, первый прототип электродвигателя будет готов к концу этого года. Это агрегат диаметром 27,5 см весом 22,5 кг, могущий развить 400-550 «лошадей»! Также проектируется его «младший брат» массой 7 кг и мощностью 113 л. с. В это верится с трудом: на практике пока у компании есть мотор AXF275, выдающий 407 л. с. при массе в 26,5 кг. Свои электромоторы Magnax планирует устанавливать в мотоциклы, автомобили и на «ветряки».

Emrax (ранее Enstroj)

Фирму можно назвать одной из «старейшей» среди тех, что занимаются производство электромоторов с осевым потоком. Первый агрегат был изготовлен в 2008-м и установлен на электрический самолет. К 2016-му компания уже предлагала целую серию двигателей. Самый маленький имел диаметр 18,8 см. Но даже он выдает пиковую мощность в 95 л. с. при наибольшем крутящем моменте в 100 Н*м. Самый крупный двигатель в модельной линейке – Emrax 348: развивает 571 л. с. при массе в 42 кг. Для увеличения мощности возможно сдваивание силовых агрегатов.


Компания позиционирует свою продукцию, как электромоторы, которые можно устанавливать чуть ли не на любой тип транспорта. Это могут быть велосипеды, мотоциклы, автомобили, самолеты и даже морские суда.

Перспективы аксиальных электродвигателей

Пока еще все возможности, плюсы и минусы этих моторов до конца не изучены. Тем не менее, ведущие автомобильные гиганты полным ходом тестируют агрегаты на своих машинах. Более того: например, Mercedes-Benz заявила о выпуске первых электрокаров AMG с аксиальным двигателем в 2025-м году. Впереди – много идей: так, Вулмер, глава YASA, утверждает: дальнейшее совершенствование моторов с осевым потоком позволит отказаться от …трансмиссии – т. н. скейтборда, находящегося под днищем электромобиля. Освободившееся пространство можно использовать под багажник, АКБ и т. д. Остается только ждать практических результатов.