Холод внутри

Резервы совершенствования электрических двигателей ещё не исчерпаны
10.09.2018
Майкл Охади

В Соединённых Штатах около половины всей вырабатываемой электрической энергии потребляется электрическими двигателями различного рода. А по миру в целом этот показатель равен 47%. Электродвигатели используются повсюду, достаточно вспомнить насосы водопроводной системы, лифты, вентиляционные системы, метро, электрички, эскалаторы, станки и конвейеры на производстве. Поэтому даже однопроцентная прибавка эффективности электрических двигателей в масштабах всей экономики обещает огромные выгоды. В энергетике при этом возникнет мультипликативный эффект. Сократив электропотребление на собственные нужды, генерирующие предприятия смогут выдать больше энергии в электрические сети.

В некоторых быстрорастущих сферах, например, электроприводном транспорте, необходимы компактные электродвигатели с высокой удельной мощностью. Для создания подобных двигателей нужно решить проблемы их эффективного охлаждения.

Вообще говоря, температура элементов статора и ротора - это крайне важный показатель. Если она превышает предельный уровень всего на 10 °С, срок службы мотора сокращается вдвое. Кроме того, от качества охлаждения обмоток напрямую зависит КПД двигателя: при нагревании медного провода его омическое сопротивление увеличивается, что приводит к дополнительным потерям энергии.

Сегодня мы находимся на пороге серьёзного технологического прорыва. Он ожидается благодаря переходу от традиционной системы внешнего охлаждения (вентилятор плюс рёбра на корпусе двигателя) к внутреннему охлаждению. Как показывают расчёты, это позволит на 70% увеличить удельную мощность (кВт/кг), удвоить удельный вращающий момент (Н·м/кг) и утроить объёмную плотность мощности (кВт/л). Отмечу, что эти расчётные данные получены по отношению к великолепному 120-киловаттному автомобильному электромотору компании Jing-Jin, который сегодня считается лучшим в своём классе. Мотор Jing-Jin имеет систему жидкостного охлаждения, но она отбирает тепло с корпуса, а не с обмоток. По нашему убеждению, это неправильно: лучше отводить тепло непосредственно оттуда, где оно образуется. Кстати, в микроэлектронике отработаны самые разнообразные эффективные методы локального охлаждения.

Внутри статора вдоль обмоток проложены трубки для охлаждения

Сегодня конструкторы электродвигателей во многих странах мира интенсивно работают над непосредственным охлаждением статора и ротора. Задача затрудняется их сложной геометрией и неравномерным характером тепловыделения. Применяются в основном три способа охлаждения: естественный конвекционный, принудительный конвекционный и жидкостный. Один из подходов предполагает специальные рёбра, создаваемые лепестками на наборных пластинах статора.

Есть и другие интересные решения. Например, в Университете Макмастера (Канада) была создана жидкостная система охлаждения электродвигателя с плоскими трубками, проложенными внутри статора по направлению вдоль оси двигателя.

Следующий технологический прорыв, судя по всему, принесёт интеграция двигателей и силовых схем управления ими. Во-первых, такая интеграция позволит сократить потери энергии на подводящих кабелях. Во-вторых, можно будет практически полностью избавиться от электромагнитных полей, которые создают приводные системы с внешним блоком частотного регулятора. В-третьих, ожидается существенное улучшение массогабаритных характеристик. Проект по разработке двигателя со встроенной силовой электроникой запущен в Висконсинском университете в Мэдисоне (США).

Каждую обмотку статора обслуживает свой силовой модуль

Важно отметить, что во всех случаях речь идёт не о добавлении каких-то отдельных элементов, а о комплексной переработке всей конструкции с привлечением учёных-материаловедов, включая специалистов по старению и разрушению материалов, чтобы получить по-настоящему надёжную и долговечную систему.

Когда мы сокращаем массогабаритные характеристики двигателя, мы получаем многогранный синергетический эффект. Например, если речь идёт об электроприводном транспорте, снижаются требования к ёмкости батарей, улучшаются грузоподъёмность и аэродинамика.

Об авторе: Майкл Охади - директор исследовательской программы агентства ARPA-E

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы