Новый компактный бесколлекторный электродвигатель
В России запатентован новый электродвигатель необычной шарообразной конструкции. Его первые натурные испытания прошли успешно, двигатель использовался как лодочный мотор. Изобретатели уверены, что в будущем новый высокопроизводительный электродвигатель найдёт широкое применение.
Популярность электромобилей, электроскутеров, промышленных квадрокоптеров и других полезных устройств с электрическим двигателем стремительно растёт. Вместе с ними на рынок приходят всё более совершенные и компактные конструкции электродвигателей, которые способствуют тому, что электротранспорт становится более доступным для населения.
В 2020 году изобретатель Рубен Даниэльевич Меджлумян запатентовал (RU 2 726 153 C1) в России высокопроизводительный бесколлекторный электродвигатель. Он более лёгкий и компактный по сравнению с коллекторными двигателями такой же мощности при том же крутящем моменте на валу. Необычная шарообразная форма обеспечивает эффективное взаимодействие магнитных полей статора и ротора. Автор изобретения – россиянин, а в США эти электродвигатели продаются под торговой маркой «HELV Motors».
Бесколлекторный двигатель с редуктором
В последнее время активно возрос интерес к бесколлекторным или, как их ещё называют, «бесщёточным» двигателям постоянного тока, обеспечивающим более надежную, эффективную и менее шумную работу. В коллекторных двигателях постоянного тока ток передаётся на вращающуюся часть мотора (ротор) с помощью скользящих по коллектору контактов – щёток. Щётки со временем изнашиваются и могут вызвать искрение. Поэтому коллекторный двигатель не следует использовать для работ, где требуется длительный срок эксплуатации и надежность. Конструкция коллектора также увеличивает размеры и массу мотора.
Заявленный компанией двигатель мощностью 60 кВт будет весить не больше 9.7 кг, а диаметр не превысит 22 сантиметров. Скорость вращения топовой модификации двигателя составляет 30 000 оборотов в минуту при напряжении в 400 вольт, а пиковая мощность электродвигателя в линейке продукции – 95 кВт.
В частности, мотор диаметром 119 мм и массой 2.5 кг при мощности электродвигателя 1.5 кВт создаёт крутящий момент на валу 32 кгс при частоте вращения 3 700 оборотов в минуту.
Такие характеристики дают возможность устанавливать его на электромотоциклы, квадрокоптеры и даже на электромобили. Натурные испытания были проведены в 2020 году на реке Волга, где электродвигатель использовался в качестве лодочного мотора.
Лодочный мотор в корпусе
Конструкция электродвигателя выглядит следующим образом. Неподвижная наружная часть двигателя (статор) выполнена в виде сферы, на которую слоями намотаны катушки электромагнитов. Их полюса равномерно смещены относительно друг друга. Для компактности обмотка может быть выполнена из плоского провода в виде ленты, покрытой изоляцией. Ротор выполнен в виде вала с жёстко закреплённым на нём постоянным магнитом, вектор магнитного поля которого ориентирован перпендикулярно валу. Ось симметрии статора совпадает с осью вращения вала. Такая конструкция помимо уменьшения размеров обеспечивает эффективное взаимодействие магнитных полей электромагнитов статора и постоянного магнита ротора, что увеличивает силу взаимодействия и надежность за счет более плавного вращения ротора, особенно при больших оборотах.
Как работает такой бесколлекторный электродвигатель? При подаче напряжения на одну из катушек статора она превращается в электромагнит, который, взаимодействуя с постоянным магнитом ротора, приводит его в движение. По мере поворота ротора питание контроллером переключается поочерёдно на следующую катушку, магнитные полюса которой смещены относительно предыдущей. Это приводит к непрерывному вращению ротора. В случае одной катушки в нужный момент времени производится переключение полярности полюсов электромагнита.
Использование нескольких обмоток обеспечивает бОльшую равномерность вращения. При этом увеличение количества катушек свыше 12 нецелесообразно, поскольку увеличивает массу и размеры мотора без существенного повышения крутящего момента. Конкретное количество катушек выбирается исходя из требований на габариты мотора.
Процесс намотки катушки мотора.
Из-за явления электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает в металлических деталях токи Фуко (вихревые индукционные токи), приводящие к их нагреву и потере энергии. Чтобы уменьшить этот нежелательный эффект, статоры синхронных и асинхронных электрических моторов изготовлены из набора изолированных между собой пластин из тонкого железа.
Компания «Buddha Energy Inc.» пошла иным путём и разработала корпус статора электродвигателя «HELV Motors» из композитных материалов, что позволило не только убрать эффект токов Фуко, но и уменьшить вес двигателя. Кроме этого, композитный материал статора позволяет легко придавать ему нужную форму без использования дорогостоящего оборудования для обработки металла. Это тоже снижает стоимость электродвигателя.
Любопытно, что идея создания сферического электродвигателя родилась не на базе теоретических изысканий, а на основе экспериментальной проверки взаимодействий магнитных полей ротора и статора. Расчет точного взаимодействия магнитных полей внутри композитов – задача непростая. Но команда проекта нашла свой оригинальный, нестандартный подход. На 3D-принтере был напечатан лабораторный стенд, на котором и проводились испытания нескольких десятков вариантов обмоток статора. В результате был найден вариант, который удерживал ротор наилучшим образом. Всё остальное было делом техники.
3D-модель первого лабораторного стенда
При механическом раскручивании вала извне, например, ветряком, водяной турбиной, двигателем автомобиля или любым другим устройством данный электродвигатель переходит в режим генератора и выдает электроэнергию, которая может быть накоплена или потреблена внешними устройствами.
Компания «Buddha Energy Inc.» пока не предоставила информацию о точной дате старта продаж двигателей «HELV Motors» в России, но есть надежда, что электродвигатели станут доступны на рынке в третьем квартале 2021 года.
E-mail: sales@helvmotors.com
На правах рекламы
