О "ре­во­лю­ции" в элек­тро­дви­га­те­лях

Около 200 лет назад Фа­ра­дей из­го­то­вил ра­бо­та­ю­щий про­то­тип элек­тро­дви­га­те­ля, аб­со­лют­но непрак­тич­ный (стер­жень, оку­ну­тый в блю­деч­ко с рту­тью и вра­ща­ю­щий­ся по кругу, если по­дать ток), но чуть ли не впер­вые было по­ка­за­но, как пре­вра­тить элек­три­че­ский ток в непре­рыв­ное ме­ха­ни­че­ское дви­же­ние.

В 1889 году Ми­ха­ил Доливо-​Добровольский по­ка­зал трёх­фаз­ный асин­хрон­ный дви­га­тель, по­до­зри­тель­но по­хо­жий на те­пе­реш­ние: ротор "бе­ли­чье ко­ле­со", рас­пре­де­лён­ные об­мот­ки ста­то­ра и даже схе­мо­тех­ни­че­ское обо­зна­че­ние то же самое, звёзды-​треугольники, всё уже было тогда! Ка­жет­ся, что за такой срок элек­тро­дви­га­те­ли были изу­че­ны вдоль и по­пе­рёк, и оста­лось лишь нето­роп­ли­вое эво­лю­ци­он­ное улуч­ше­ние, битва за единицы-​десятки про­цен­тов, не более того.

Тем не менее, с "воз­вра­ще­ни­ем" элек­тро­мо­би­лей в 21 веке чуть ли не глав­ной "ре­клам­ной фиш­кой" стали но­вей­шие дви­га­те­ли с ре­корд­ны­ми по­ка­за­те­ля­ми, в де­сят­ки раз боль­шей мощ­но­сти на ки­ло­грамм веса, чем рань­ше. Ак­ку­му­ля­то­ры особо не про­ре­кла­ми­ру­ешь, когда они за­ни­ма­ют льви­ную долю веса и всё равно не могут по­хва­стать­ся тем за­па­сом хода, что даёт 50 лит­ров бен­зи­на, а вот мощ­ней­ший дви­жок раз­ме­ром с кулак - "это же круто", можно по­ка­зы­вать пуб­ли­ке дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния и ря­дыш­ком элек­тро­мо­тор и при­го­ва­ри­вать: до чего дошёл про­гресс! А у авиа­мо­де­ли­стов по­яви­лись дви­га­те­ли - "аут­ран­не­ры" на нео­ди­мо­вых маг­ни­тах, раз­ви­ва­ю­щие мощ­ность в сотни ватт при массе мень­ше сотни грамм. 

Неуже­ли из­ме­ни­лись за­ко­ны фи­зи­ки? Или в те­че­нии сотни лет кон­струк­то­ры что-​то про­гля­де­ли, и толь­ко сей­час вдруг на­шёл­ся новый под­ход, поз­во­лив­ший по­лу­чить такие ком­пакт­ные движ­ки? Неф­тя­ное лобби про­ник­ло в каж­дое кон­струк­тор­ское бюро и не поз­во­ля­ло де­лать ком­пакт­ные элек­тро­дви­га­те­ли, пока не при­шла Грет­та и всех не спас­ла за­кли­на­ни­ем How Dare You? Если крат­ко, кое-​какие по­движ­ки без­услов­но есть (те самые единицы-​десятки про­цен­тов), а из­ме­ни­лось в первую оче­редь ТЕХ­НИ­ЧЕ­СКОЕ ЗА­ДА­НИЕ, при­чём в слу­чае с элек­тро­мо­би­ля­ми во мно­гом про­изо­шёл "под­гон под ответ"...

Ба­зо­вые за­ко­ны

Су­ще­ству­ет мно­же­ство раз­ных типов элек­тро­дви­га­те­лей, и у каж­до­го свои под­ти­пы. Ска­жем, есть дви­га­те­ли по­сто­ян­но­го тока: с по­сто­ян­ны­ми маг­ни­та­ми либо с об­мот­ка­ми воз­буж­де­ния. Вто­рые вы­пол­ня­лись па­рал­лель­но­го, по­сле­до­ва­тель­но­го, сме­шан­но­го и неза­ви­си­мо­го воз­буж­де­ния. Сей­час ещё по­яви­лись BLDC, BrushLess DC, т.е бес­кол­лек­тор­ные дви­га­те­ли по­сто­ян­но­го тока, там вме­сто кол­лек­то­ра (ком­му­та­то­ра) с щёт­ка­ми стоят по­ле­вые тран­зи­сто­ры (не в самом мо­то­ре, обыч­но от­дель­ным бло­ком, ESC и иже с ними), а ста­тор и ротор по­ме­ня­лись ме­ста­ми.

Вто­рой огром­ный класс - это дви­га­те­ли пе­ре­мен­но­го тока, ос­нов­ные пред­ста­ви­те­ли:
- кол­лек­тор­ные, они же "уни­вер­саль­ные" (могут ра­бо­тать как на по­сто­ян­ном, так и на пе­ре­мен­ном токе) - имен­но их по-​прежнему можно встре­тить в пы­ле­со­сах и элек­тро­ин­стру­мен­тах, ра­бо­та­ю­щих от ро­зет­ки,
- асин­хрон­ные, "ра­бо­чая ло­шад­ка" про­мыш­лен­но­сти и ЖКХ, а с по­яв­ле­ни­ем тя­го­вых ин­вер­то­ров пошли и в транс­порт. Бы­ва­ют с ко­рот­ко­за­мкну­тым ро­то­ром "бе­ли­чье ко­ле­со" (самые про­стые, на­дёж­ные и рас­про­стра­нён­ные) либо с фаз­ным ро­то­ром (его тоже изоб­рёл Доливо-​Добровольский),
- син­хрон­ные. Либо очень вы­со­кой мощ­но­сти (сотни кВт), либо на­обо­рот, ми­ни­а­тюр­ные, на­при­мер, слив­ной насос в сти­раль­ной ма­шин­ке, или дви­га­тель под­до­на мик­ро­вол­но­вой печи.

Можно раз­де­лять и даль­ше, раз­ных типов тьма тьму­щая, каж­дый со своей спе­ци­фи­кой, и по­яв­ля­ют­ся новые, какой-​нибудь IPM-​SynRM. Если по­пы­тать­ся опи­сать ра­бо­ту каж­до­го из них, его до­сто­ин­ства и недо­стат­ки, этого и на се­местр хва­тит, а то и на несколь­ко. Но к сча­стью, с точки зре­ния пре­об­ра­зо­ва­ния элек­три­че­ской мощ­но­сти в ме­ха­ни­че­скую, ра­бо­та лю­бо­го из них сво­дит­ся бук­валь­но к двум за­ко­нам, и самые ба­зо­вые огра­ни­че­ния можно найти непо­сред­ствен­но из них.

Сила Ам­пе­ра

На про­вод­ник дли­ной L, по­ме­щён­ный по­пе­рёк маг­нит­но­го поля на­пря­жён­но­стью (ин­дук­ци­ей) B, и через ко­то­рый про­те­ка­ет ток I, будет дей­ство­вать сила:

F = BIL

Кру­тя­щий мо­мент прак­ти­че­ски лю­бо­го элек­тро­дви­га­те­ля можно све­сти к силе Ам­пе­ра. В дви­га­те­ле по­сто­ян­но­го тока эти про­вод­ни­ки с током непо­сред­ствен­но раз­ме­ще­ны на якоре, и мы по­да­ём на них ток пра­виль­ной по­ляр­но­сти, чтобы обес­пе­чить вра­ще­ние. В асин­хрон­ном дви­га­те­ле этот ток воз­ни­ка­ет в про­вод­ни­ках "бе­ли­чьей клет­ки" в ре­зуль­та­те вра­ща­ю­ще­го­ся маг­нит­но­го поля, ко­то­рое пы­та­ет­ся "про­лезть" сквозь эту клет­ку. На­вер­ное, слож­нее всего све­сти к силе Ам­пе­ра ра­бо­ту син­хрон­но­го ре­ак­тив­но­го дви­га­те­ля (Switched Reluctance Motor), ин­те­рес­ная шту­ко­ви­на, но в чи­стом виде ре­корд­ных ха­рак­те­ри­стик она не даёт, об­су­дим как-​нибудь в дру­гой раз.

И по этой же про­стей­шей фор­му­ле можно со­об­ра­зить, как уве­ли­чить тягу, раз­ви­ва­е­мую мо­то­ром. В первую оче­редь, хо­чет­ся мак­си­маль­но под­нять на­пря­жён­ность маг­нит­но­го поля, B. Увы, здесь пре­дел вполне очер­чен: на­сы­ще­ние же­лез­но­го сер­деч­ни­ка при­мер­но на 2 Тл. Элек­тро­тех­ни­че­ские стали без­услов­но улуч­ша­лись с те­че­ни­ем вре­ме­ни, но уже до­воль­но давно про­гресс в этой об­ла­сти за­сто­по­рил­ся. Без сер­деч­ни­ка по­лу­чить мощ­ное поле тем более труд­но, не по­мо­жет ни нео­ди­мо­вый маг­нит, ни об­мот­ки воз­буж­де­ния. Да и с сер­деч­ни­ком до­стичь 2 Тл слож­но, от­ча­сти из-за вы­хо­дя­щей "на по­лоч­ку" ха­рак­те­ри­сти­ки на­маг­ни­чи­ва­ния (что тре­бу­ет по­да­вать огром­ные токи для ге­не­ра­ции маг­нит­но­го поля), от­ча­сти из-за гео­мет­рии ста­то­ра и ро­то­ра, от­дель­ные части маг­ни­то­про­во­да успе­ва­ют на­сы­тить­ся быст­рее дру­гих. Да и по­те­ри на пе­ре­маг­ни­чи­ва­ние рас­тут быст­ро, по­это­му такой "ре­корд­ный" дви­га­тель будет иметь малый к.п.д. Но в целом, 1,5..1,8 Тл вполне до­сти­га­ет­ся в со­вре­мен­ных дви­га­те­лях, и здесь ожи­дать каких-​то "чудес" от новых дви­га­те­лей не при­хо­дит­ся.

Сле­ду­ю­щая буква: ток I. По­вы­сим ток - по­вы­сит­ся кру­тя­щий мо­мент, толь­ко бы об­мот­ки не сжечь... Если в элек­тро­тех­ни­че­ских ста­лях за 130 лет шёл про­гресс, то с ма­те­ри­а­лом об­мо­ток во­об­ще ни­че­го по­ме­ня­лось: это долж­на быть медь! Что уди­ви­тель­но, в спра­воч­ни­ке по элек­тро­тех­ни­ке за 1908 год [кар­ман­ная книж­ка для уста­нов­щи­ковъ элек­три­че­ска­го освѣщенiя] при­во­дит­ся со­про­тив­ле­ние мед­но­го про­во­да: 0,0175 Ом·мм²/м, СТОЛЬ­КО ЖЕ, сколь­ко у ны­неш­ней меди марки М1, самой рас­про­стра­нён­ной в элек­тро­тех­ни­ке. Да, сей­час есть медь М00, у ко­то­рой со­про­тив­ле­ние на 1% мень­ше. Луч­шую элек­тро­про­вод­ность имеет разве что се­реб­ро (аж на 7% лучше меди!), но из се­реб­ра де­лать об­мот­ки пока что до­ду­ма­лись лишь аудио­фи­лы (бес­кис­ло­род­ную медь, ту самую М00, они тоже любят, зву­чит кра­си­во. В смыс­ле, фраза зву­чит кра­си­во, ап­па­ра­ту­ра с таким ка­бе­лем зву­чит так же :)), и ещё в вы­со­ко­ча­стот­ной тех­ни­ке, где из-за скин-​эффекта ток течёт толь­ко по по­верх­но­сти, и тон­чай­шее на­пы­ле­ние се­реб­ром может за­мет­но по­вы­сить ха­рак­те­ри­сти­ки и сто­ить не очень до­ро­го.

Ток в об­мот­ках можно по­вы­шать до тех пор, пока из-за на­гре­ва про­вод­ни­ка (I²R) не будет пре­вы­ше­на до­пу­сти­мая тем­пе­ра­ту­ра изо­ля­ции. Сама медь не шибко бо­ит­ся пе­ре­гре­ва, как и элек­тро­тех­ни­че­ская сталь во­круг, а вот изо­ля­цию нужно бе­речь. Боль­шин­ство от­ка­зов дви­га­те­лей и про­ис­хо­дят из-за на­ру­ше­ния изо­ля­ции, при­во­дя­щей к ко­рот­ко­за­мкну­тым вит­кам, а даль­ше пошло-​поехало... Имен­но по­это­му такое вни­ма­ние уде­ля­ют клас­су на­гре­во­стой­ко­сти изо­ля­ции: чем он выше, тем боль­ший ток можно по­дать на ту же самую об­мот­ку, а зна­чит, тяга дви­га­те­ля по­вы­сит­ся. Когда-​то по­все­мест­но ис­поль­зо­вал­ся класс B (130 °C), сей­час - клас­сы F (155 °C) и H (180 °C). В изо­ля­ци­он­ных ма­те­ри­а­лах до­стиг­нут чуть ли не самый боль­шой про­гресс, но и здесь пока что "упёр­лись".

Го­во­рить о кон­крет­ных ам­пе­рах здесь бес­смыс­лен­но: ам­пе­ры легко "об­ме­ни­ва­ют­ся" на воль­ты из­ме­не­ни­ем ко­ли­че­ства вит­ков. Ска­жем, был один тол­стый виток с се­че­ни­ем S, дли­ной L и общим со­про­тив­ле­ни­ем R. Мы по­да­ва­ли на него ток I, по­лу­ча­ли силу Ам­пе­ра BIL и оми­че­ские по­те­ри I²R. Затем мы за­ме­ни­ли его на два витка с се­че­ни­ем S/2 (вле­за­ю­щие в тот же самый паз), длина каж­до­го по-​прежнему L. Со­про­тив­ле­ние од­но­го витка 2R, но мы со­еди­ни­ли их по­сле­до­ва­тель­но и по­лу­чи­ли общее со­про­тив­ле­ние 4R. По­да­ли ток I/2, но по­сколь­ку витка два, то сила Ам­пе­ра не из­ме­ни­лась, те же BIL (ток про­шёл сна­ча­ла по од­но­му витку, потом по дру­го­му, надо либо ток "два­жды" со­счи­тать, либо длину), а оми­че­ские по­те­ри: (I/2)²4R = I²R, то же самое. Мы про­сто уве­ли­чи­ли на­пря­же­ние вдвое, а ток вдвое умень­ши­ли. По­это­му лучше го­во­рить о плот­но­сти тока в об­мот­ке, j (ам­пе­ры на кв. мм), вот её так "не об­ма­нешь"!

Мак­си­маль­но до­пу­сти­мая плот­ность тока не яв­ля­ет­ся "фун­да­мен­таль­ной фи­зи­че­ской кон­стан­той", но всё же в дви­га­те­лях, от­ли­ча­ю­щих­ся по мощ­но­сти и га­ба­ри­там на много по­ряд­ков (от ватт до единиц-​десятков ме­га­ватт, как ми­ни­мум), плот­ность тока уди­ви­тель­но по­хо­жа и на­хо­дит­ся в диа­па­зоне 3..10 А/мм². Она за­ви­сит от того, на­сколь­ко хо­ро­шо мы устро­им отвод тепла. Наи­бо­лее про­стой спо­соб, чаще всего при­ме­ня­ю­щий­ся - воз­душ­ное охла­жде­ние. Пе­рей­дя на жид­кост­ное охла­жде­ние, можно дей­стви­тель­но уве­ли­чить кру­тя­щий мо­мент, хоть и ценой сни­же­ния К.П.Д: по­те­ри на на­грев меди рас­тут как квад­рат тока, а раз­ви­ва­е­мая сила - лишь ли­ней­но. По этой же при­чине не стоит ожи­дать какого-​то су­ще­ствен­но­го (в разы, а то и на по­ряд­ки) по­вы­ше­ния тяги за счёт луч­ше­го теп­ло­от­во­да. Ска­жем, по­лу­чив воз­мож­ность от­во­дить вдвое боль­ше тепла, мы можем под­нять ток на 41%, тем самым на 41% уве­ли­чив кру­тя­щий мо­мент. Такие по­ряд­ки ве­ли­чин стоит ожи­дать в мо­то­рах элек­тро­мо­би­лей, где "по ав­то­мо­биль­ной при­выч­ке" де­ла­ют жид­кост­ное охла­жде­ние.

Про­сто с торца дви­га­те­ля за­би­рать воз­дух ока­зы­ва­лось не очень хо­ро­шо: "за­му­ча­ешь­ся пыль гло­тать", ино­гда видно, какие снеж­ные бу­ра­ны элек­трич­ка под­ни­ма­ет! А если брать чуть по­вы­ше - то уже нор­маль­но. 

Во­об­ще, если взгля­нуть на си­сте­мы охла­жде­ния элек­тро­дви­га­те­лей, они не ка­жут­ся какими-​то "пре­дель­ны­ми", там нету ра­ди­а­то­ров, со­бран­ных из сотен пла­стин с шагом в пару мил­ли­мет­ров, нету теп­ло­вых тру­бок, всё довольно-​таки про­за­ич­но. При­чи­ной тому - эко­но­ми­че­ская невы­год­ность таких си­стем. По­сколь­ку тяга рас­тёт ли­ней­но с током, а по­те­ри - квад­ра­тич­но, то если при­шлось та­ки­ми ин­тен­сив­ны­ми ме­то­да­ми тепло от­во­дить, зна­чит, к.п.д уже ниже плин­ту­са. Это невы­год­но в ста­ци­о­нар­ных уста­нов­ках, невы­год­но на же­лез­ной до­ро­ге, невы­год­но даже в элек­тро­мо­би­лях при нор­маль­ных по­езд­ках (по го­ро­ду, на дачу и т.д., НЕ НА ГО­НОЧ­НОЙ ТРАС­СЕ, и НЕ ДЛЯ ПОН­ТОВ): услов­но го­во­ря, сэко­но­мим 10 ки­ло­грамм в дви­га­те­ле, а потом при­дёт­ся до­ба­вить 20 кг ак­ку­му­ля­то­ров, чтобы со­хра­нить тот же запас хода. Чем пус­кать "цвет­мет" в охла­жде­ние - лучше ис­поль­зо­вать в самом движ­ке, чем боль­ше ак­тив­ных ма­те­ри­а­лов при той же мощ­но­сти - тем он эф­фек­тив­нее.

 

Из эко­но­ми­че­ских со­об­ра­же­ний вы­би­ра­ет­ся "ща­дя­щий" режим для дви­га­те­лей об­ще­го на­зна­че­ния: малая плот­ность тока, малая ин­дук­ция. Охла­жде­ние "про­тив всех пра­вил": воз­дух не же­ла­ет про­хо­дить "от на­ча­ла до конца" по рёб­рам - "вы­ва­ли­ва­ет­ся на­ру­жу" рань­ше вре­ме­ни. Рёбер очень мало, и за­ча­стую они вы­пол­не­ны из чу­гу­на! Но та­ко­го охла­жде­ния вполне хва­та­ет (в дви­га­те­лях малых га­ба­ри­тов даже ис­поль­зу­ют изо­ля­цию клас­са на­гре­во­стой­ко­сти B), зато рёбра легко от­ли­ва­ют­ся хоть в чу­гуне, хоть в лю­ми­ни в со­ста­ве ста­ни­ны дви­га­те­ля, и легко вы­ти­ра­ют­ся тря­поч­кой, ведь они не за­кры­ты сплош­ным ко­жу­хом ради пра­виль­но­го по­то­ка воз­ду­ха. А сде­ла­ли бы всё "по науке" - ещё и при­шлось бы спе­ци­аль­ных людей на­ни­мать, ко­то­рые ре­гу­ляр­но ко­жу­ха раз­би­ра­ют и на­чи­на­ют вы­чи­щать пыль, сва­ляв­шу­ю­ся до со­сто­я­ния вой­ло­ка! Или мо­гу­чие воз­душ­ные филь­тры и со­от­вет­ству­ю­ще­го на­по­ра крыль­чат­ку, чтобы через эти филь­тры воз­дух шёл сколько-​нибудь шуст­ро. Ещё и ме­нять их по ре­гла­мен­ту, раз в месяц... 

Един­ствен­ная при­чи­на, по­че­му может за­хо­теть­ся по­ста­вить жид­кост­ное охла­жде­ние в элек­тро­мо­би­ле - чтобы су­меть по­лу­чить огром­ную КРАТ­КО­ВРЕ­МЕН­НУЮ ТЯГУ, ак­ку­рат про­де­мон­стри­ро­вать раз­гон "от нуля до сотни", после чего спо­кой­но охла­ждать­ся. И "вы­ца­ра­пать" до­пол­ни­тель­ный про­цент в КПД при нор­маль­ной по­езд­ке, если ло­бо­вое со­про­тив­ле­ние ра­ди­а­то­ра и за­тра­ты на про­кач­ку ан­ти­фри­за этот про­цент не съе­дят...

Ре­корд­ные по­ка­за­те­ли плот­но­сти тока до­сти­га­ют­ся в квад­ро­ко­птер­ных и авиа­мо­дель­ных мо­тор­чи­ках - там ПО ОПРЕ­ДЕ­ЛЕ­НИЮ идёт очень ин­тен­сив­ный обдув воз­ду­хом, по­это­му так сде­лать можно. Горе тому, кто по­пы­та­ет­ся эти мо­тор­чи­ки при­ме­нить "не по на­зна­че­нию", вос­хи­тив­шись их ма­лень­ки­ми раз­ме­ра­ми. Без та­ко­го об­ду­ва они могут сго­реть даже на хо­ло­стом ходу. Вот то­ва­рищ по­пы­тал­ся их по­ста­вить на ве­ло­си­пед, вышло как-​то не очень:

Рас­пла­той за ком­пакт­ность ста­но­вит­ся низ­кий КПД, ко­то­рый оправ­дан толь­ко при силь­ных огра­ни­че­ни­ях по весу. Если таких огра­ни­че­ний нет - по­доб­ные мо­то­ры бес­смыс­лен­ны. 

В общем, плот­ность тока также су­ще­ствен­но под­нять нель­зя. 

И оста­ёт­ся лишь длина про­вод­ни­ка, L. Если за­ме­нить ток I на jS, т.е до­пу­сти­мую плот­ность тока, умно­жен­ную на се­че­ние про­вод­ни­ка, по­лу­чим:

F = BjV_меди,

где B - до­пу­сти­мая на­пря­жён­ность маг­нит­но­го поля (ин­дук­ция), Тл,
j - до­пу­сти­мая плот­ность тока, А/м²,
V_меди - объём всех об­мо­ток, ве­ли­чи­на, опре­де­ля­ю­щая га­ба­ри­ты всего дви­га­те­ля.

Во­круг об­мо­ток обя­зан идти сер­деч­ник, чтобы уси­лить маг­нит­ное поле и пра­виль­но его на­пра­вить. Тут мно­же­ство раз­лич­ных кон­фи­гу­ра­ций пазов и об­мо­ток, яв­но­по­люс­ные ма­ши­ны и неяв­но­по­люс­ные, а сей­час ещё и ак­си­аль­ные вовсю про­бу­ют вме­сто при­выч­ных ра­ди­аль­ных, но фи­зи­ку не об­ма­нешь. Воз­мож­ны оп­ти­ми­за­ции между медью и ста­лью: медь очень тя­жё­лая и до­ро­гая, сталь по­лег­че и по­де­шев­ле. По­это­му можно про­ек­ти­ро­вать дви­га­те­ли с ми­ни­маль­ным объ­ё­мом, но тя­же­лен­ные (зна­чит, много меди впих­ну­ли), можно с ми­ни­маль­ной мас­сой, а можно с ми­ни­маль­ной сто­и­мо­стью, или, как это де­ла­лось при раз­ра­бот­ке уни­фи­ци­ро­ван­ных серий дви­га­те­лей об­ще­го на­зна­че­ния, оп­ти­ми­зи­ро­ва­лась некая взве­шен­ная сумма раз­лич­ных па­ра­мет­ров, типа, "хо­те­лось бы уде­ше­вить, но не силь­но в ущерб ха­рак­те­ри­сти­кам. Хо­те­лось бы объём по­мень­ше, если толь­ко это не слиш­ком до­ро­го, и т.д". Так что для ги­пер­ка­ров, где цена не ар­гу­мент (на­обо­рот, чем до­ро­же - тем круче, ведь ав­то­мо­биль за 2 000 000$ обя­за­тель­но вы­зо­вет боль­ше вос­тор­га, чем ав­то­мо­биль за 1 000 000$), можно здесь немнож­ко отыг­рать, по­ло­жить по­боль­ше меди, чем обыч­но. 

В целом, "по боль­ни­це" (в дви­га­те­лях клас­си­че­ско­го ис­пол­не­ния), медь за­ни­ма­ет при­мер­но 1/10 массы дви­га­те­ля, или 1/20 объ­ё­ма.

По­лу­ча­ет­ся, что сколь­ко ни иг­рай­ся с типом дви­га­те­ля, ко­ли­че­ством по­лю­сов, ме­то­дом на­мот­ки (вклю­чая пре­сло­ву­тую "Сла­вян­ку"), чис­лом вит­ков об­мо­ток, но какую силу сум­мар­но разо­вьют его об­мот­ки - вполне по­нят­но. Мак­си­маль­но под­няв элек­три­че­скую на­груз­ку (плот­ность тока) и маг­нит­ную на­груз­ку, можно до­бить­ся вы­со­кой тя­го­во­ору­жён­но­сти, но об улуч­ше­нии на по­ря­док здесь речь не идёт, в луч­шем слу­чае об улуч­ше­нии в 2-3 раза ценой удо­ро­жа­ния, услож­не­ния, сни­же­ния КПД. Тяга в элек­тро­дви­га­те­лях да­ёт­ся нелег­ко...

Блин­чи­ки про­тив кол­ба­сок
Сила в нью­то­нах, раз­ви­ва­е­мая об­мот­ка­ми, нас не ин­те­ре­су­ет сама по себе, ин­те­ре­су­ет кру­тя­щий мо­мент на валу. Если по нью­то­нам мы прак­ти­че­ски "упёр­лись" в объём дви­га­те­ля, хочешь-​не хо­чешь, надо его на­ра­щи­вать, то по ньютон-​метрам можно ещё по­во­е­вать. Нужно от­не­сти об­мот­ки как можно даль­ше от оси, тогда та же самая сила даст бОль­ший кру­тя­щий мо­мент! То есть, вы­би­рая между "кол­бас­кой" (длин­ным и узким дви­га­те­лем), и "блин­чи­ком" (ко­рот­ким и ши­ро­ким), надо бы пред­по­честь "блин­чик". Фи­зи­ку мы здесь не об­ма­ны­ва­ем: рас­пла­той за вы­со­кий кру­тя­щий мо­мент ста­но­вит­ся вы­со­кая ли­ней­ная ско­рость об­мо­ток при тех же обо­ро­тах в ми­ну­ту, а зна­чит и боль­шой противо-​ЭДС, по­это­му и на­пря­же­ние ис­точ­ни­ка пи­та­ния нужно будет по­вы­сить, чтобы они урав­но­ве­си­лись. Но вся пре­лесть в том, что вы­со­кая ли­ней­ная ско­рость в элек­три­че­ском плане почти "бес­плат­на". Разве что быст­рое пе­ре­маг­ни­чи­ва­ние сер­деч­ни­ка и вих­ре­вые токи при­ве­дут к по­вы­шен­но­му на­гре­ву, но это тер­пи­мо. 

По той же при­чине можно пред­по­честь "аут­ран­нер", дви­га­тель, в ко­то­ром ротор рас­по­ло­жен ВО­КРУГ ста­то­ра (как в ви­део­ро­ли­ке выше). Так уда­ёт­ся от­не­сти дей­ству­ю­щие силы как можно даль­ше от оси и под­нять кру­тя­щий мо­мент. Дру­гой ва­ри­ант - ак­си­аль­ный мотор, здесь об­мот­ки про­сти­ра­ют­ся до са­мо­го края дви­га­те­ля, тогда как в "аут­ран­не­ре" сна­ру­жи всё равно дол­жен рас­по­ла­гать­ся маг­нит.

Есть ли у таких кон­фи­гу­ра­ций недо­стат­ки? Без­услов­но! Медь рас­хо­ду­ет­ся неэф­фек­тив­но: чуть ли не по­ло­ви­на всей меди при­хо­дит­ся на ло­бо­вые части об­мо­ток, ко­то­рые не раз­ви­ва­ют кру­тя­ще­го мо­мен­та, толь­ко гре­ют­ся впу­стую! Чтобы по­лу­чить при­ем­ле­мый КПД, при­хо­дит­ся на­ра­щи­вать ко­ли­че­ство меди ещё силь­нее.

Да­ле­ко не все­гда такие дви­га­те­ли хо­ро­шо впи­сы­ва­ют­ся в га­ба­ри­ты. В элек­тро­дрель такой не за­пих­нёшь - сто­я­щий у свер­ла "блин­чик" не поз­во­лит раз­гля­деть, а что мы свер­лим? Не всу­нет­ся он и в бол­гар­ку (УШМ), тогда как "кол­бас­ка" как раз очень кста­ти - всё равно длина нужна, чтобы на­дёж­но удер­жать ин­стру­мент в двух руках! В тя­го­вых дви­га­те­лях элек­трич­ки уж точно диа­метр под­ни­мать нель­зя, нач­нёт за­цеп­лять­ся за эле­мен­ты стре­лоч­но­го пе­ре­во­да и пр. Такие дви­га­те­ли тре­бу­ют го­раз­до более точ­ной сбор­ки, более "пре­ци­зи­он­ных" под­шип­ни­ков и жёст­ких де­та­лей: в двигателях-​"кол­бас­ках" ротор очень на­дёж­но под­ве­шен между двух раз­не­сён­ных точек, люфт или сме­ще­ния на доли мил­ли­мет­ра в одном из кон­цов ни на что не по­вли­я­ет. А вот если диск пе­ре­ко­сит, про­блем не из­бе­жать. Так что в целом они до­ро­же и более ка­приз­ны. Тя­го­вый дви­га­тель элек­трич­ки со­брал с по­мо­щью "мо­лот­ка и какой-​то ма­те­ри", за­пи­хал в ро­ли­ко­вые под­шип­ни­ки твёр­дую смаз­ку "бук­сол" - и 1 млн. км он отъ­ез­дит, потом кап­ре­монт (КР1) - и ещё 1 млн. км. Вто­рой кап­ре­монт (КР2) - и ещё 1 млн. км.

Оп­ти­ми­зи­ро­вав элек­тро­дви­га­тель под боль­шой кру­тя­щий мо­мент, ценой более "ка­приз­ной" кон­струк­ции и пе­ре­из­быт­ка меди, уда­ёт­ся по­вы­сить кру­тя­щий мо­мент ещё раза в 2, при том же объ­ё­ме. В этом от­ча­сти успех авиа­мо­дель­ных движ­ков, ве­ло­си­пед­ных/са­мо­кат­ных, да и в элек­тро­мо­би­ли раз за разом "при­ме­ри­ва­ют­ся", но хотя бы "Теслы" таким не стра­да­ют, там кон­струк­ция более тра­ди­ци­он­ная. Впро­чем, до­воль­но стран­но счи­тать "блин­чи­ки" новым, ре­во­лю­ци­он­ным тех­ни­че­ским ре­ше­ни­ем, до­ста­точ­но взгля­нуть на ге­не­ра­то­ры в ГЭС.

Да, низ­кие обо­ро­ты, это был един­ствен­ный воз­мож­ный ва­ри­ант по­лу­чить кон­струк­цию ра­зум­ных га­ба­ри­тов, не при­бе­гая к ре­дук­то­рам. Су­ро­вый со­вет­ский "пря­мой при­вод"! Об­рат­ная си­ту­а­ция в мощ­ных быст­ро­ход­ных (3000 об/мин) тур­бо­ге­не­ра­то­рах: там не хо­чет­ся по­вы­шать диа­метр ро­то­ра, чтобы его не раз­нес­ло на части, по­это­му при­хо­дит­ся на­ра­щи­вать длину. Обыч­но и это счи­та­ет­ся нехо­ро­шим ре­ше­ни­ем, т.к те­перь уже длин­ный ротор нач­нёт про­ги­бать­ся под соб­ствен­ным весом, и чтобы он этого не делал, ста­вят очень гро­мозд­кий жёст­кий вал. Но ино­гда при­хо­дит­ся идти на край­но­сти! 

Про­дол­жи­тель­ный и крат­ко­вре­мен­ный режим дви­га­те­ля
Мощ­ность дви­га­те­ля при­во­дит­ся для опре­де­лён­но­го ре­жи­ма. Самый ба­зо­вый: режим S1, "про­дол­жи­тель­ный". Это зна­чит, что дви­га­тель можно экс­плу­а­ти­ро­вать на дан­ной мощ­но­сти неогра­ни­чен­но долго - он не пе­ре­гре­ет­ся, вый­дет на уста­но­вив­ший­ся тем­пе­ра­тур­ный режим, ко­то­рый для него "ком­фор­тен". Но про­ве­рять на режим S1 - то ещё "удо­воль­ствие", осо­бен­но, когда дви­га­тель здо­ро­вен­ный, он на уста­но­вив­ший­ся тем­пе­ра­тур­ный режим пол­дня может вы­хо­дить, а ма­те­ма­тик может ска­зать, что во­об­ще НИ­КО­ГДА не вый­дет! 

Для транс­пор­та при­ня­то ука­зы­вать режим S2, крат­ко­вре­мен­ный. Вме­сте с мар­ки­ров­кой S2, обя­за­тель­но ука­зы­ва­ет­ся и время. На ж/д ис­поль­зу­ют ЧА­СО­ВОЙ РЕЖИМ, т.е хо­лод­ный дви­га­тель за­пус­ка­ют ровно на час, затем от­клю­ча­ют. И по ис­те­че­нии часа тем­пе­ра­ту­ры ча­стей дви­га­те­ля не долж­ны пре­вы­сить мак­си­маль­но до­пу­сти­мые. Мощ­ность, ко­то­рую дви­га­тель может раз­ви­вать в те­че­ние этого часа, на­зы­ва­ют ЧА­СО­ВОЙ МОЩ­НО­СТЬЮ. Она чуть выше мощ­но­сти в непре­рыв­ном ре­жи­ме, но со­всем немно­го. К при­ме­ру, для элек­тро­воз­но­го дви­га­те­ля НБ-514Б ча­со­вая мощ­ность 820 кВт, а про­дол­жи­тель­ная: 765 кВт, и это при массе в 4,3 тонны. У более лёг­ко­го дви­га­те­ля элек­трич­ки раз­рыв будет и того мень­ше, всё-​таки даже 2-​тонный аг­ре­гат, если на него по­дать 250 кВт, разо­гре­ва­ет­ся до­воль­но быст­ро.

То есть, мощ­ность на­ше­го дви­га­те­ля элек­трич­ки вполне "чест­ная", он её может раз­ви­вать очень долго.

А что у "Теслы"? Для при­ме­ра беру зад­ний мотор из Tesla Model S, по­то­му как на него хоть какие-​то тех­ни­че­ские ха­рак­те­ри­сти­ки, а не толь­ко кра­си­вые мар­ке­тин­го­вые слова и ци­фер­ки.

Боль­шин­ство ин­фор­ма­ции взял с этого ро­ли­ка:

Там ука­за­на мощ­ность в Ludicrous mode 391 кВт, дли­тель­ность не ука­за­на. На сайте, про­да­ю­щем от­дель­ные ком­по­нен­ты "Теслы", нашёл также сле­ду­ю­щие цифры:
- 160 кВт в те­че­ние 12 минут,
- 45 кВт про­дол­жи­тель­ная мощ­ность.

Ис­хо­дя из этого, можно пред­по­ло­жить, что 391 кВт мотор может раз­ви­вать ровно столь­ко, чтобы про­де­мон­стри­ро­вать ре­корд­ные ха­рак­те­ри­сти­ки раз­го­на, это несколь­ко се­кунд. Ни­че­го экс­тра­ор­ди­нар­но­го в этом нет: самый обыч­ный асин­хрон­ный дви­га­тель "об­ще­го на­зна­че­ния" может крат­ко­вре­мен­но вы­да­вать мощ­ность в 2..3 раза выше но­ми­наль­ной, но на шиль­ди­ке "хва­стать­ся" этим не счи­та­ют нуж­ным, ука­зы­ва­ют но­ми­наль­ную (про­дол­жи­тель­ную) мощ­ность, да и всё.

Далее, вы­хо­дит, что 160 кВт - это мощ­ность, ко­то­рую уда­ёт­ся под­дер­жи­вать, но с огром­ной на­груз­кой на си­сте­му охла­жде­ния. Там стоит, услов­но, "ав­то­мо­биль­ный" ра­ди­а­тор, толь­ко вме­сто ДВС на 100 л.с (70 кВт) и КПД 30% (т.е в тепло ухо­дит 50 кВт) он охла­жда­ет асин­хрон­ный дви­га­тель и ин­вер­тор к нему. И - о ужас, за 12 минут на пол­ной дури оно всё до­хо­дит до ручки.

Воз­мож­ность крат­ко­вре­мен­но вы­дать су­ще­ствен­но боль­ше своей про­дол­жи­тель­ной мощ­но­сти свой­ствен­на лю­бо­му элек­тро­дви­га­те­лю! Но в боль­шин­стве "ста­рых" при­ме­не­ний она бес­по­лез­на. Если поль­за есть, то вме­сто про­дол­жи­тель­но­го ре­жи­ма на шиль­ди­ке на­пи­шут повторно-​кратковременный, с дли­тель­но­стью ра­бо­ты и дли­тель­но­стью паузы, и за счёт воз­мож­но­сти "от­дох­нуть" дви­га­тель ока­жет­ся по­мощ­нее. А если на какую-​нибудь элек­тро­дрель взгля­нуть, там будет ука­за­на вовсе не мощ­ность на валу. Ука­жут мак­си­маль­но воз­мож­ную мощ­ность, по­треб­ля­е­мую из ро­зет­ки! Затем в ин­струк­ции на­пи­шут не пе­ре­гру­жать и "да­вать от­дох­нуть", и по­ни­май­те как зна­е­те...

В общем, если про­во­дить чест­ное срав­не­ние дви­га­те­ля элек­трич­ки с дви­га­те­лем "Теслы", нужно вы­брать оди­на­ко­вый режим - "про­дол­жи­тель­ный". Но всё же сде­ла­ем фору и срав­ним 160 кВт "Теслы" (счи­тая, что вся про­бле­ма в си­сте­ме охла­жде­ния - по­ста­вить ра­ди­а­тор по­мощ­нее - и час вы­дер­жит, если толь­ко ак­ку­му­ля­то­рам не по­пло­хе­ет рань­ше...) про­тив 250 кВт в элек­трич­ке (раз­ни­ца в 1,6 раза), но дви­га­тель "теслы" весит 84 кг (ин­фор­ма­ция из этого ро­ли­ка Weber Auto, от­дель­но при­ве­де­но для ста­то­ра и ро­то­ра, я про­сум­ми­ро­вал), а у элек­трич­ки: 2000 кг, т.е раз­ни­ца в 24 раза. По "удель­ным ха­рак­те­ри­сти­кам" дви­га­тель "теслы" пока ли­ди­ру­ет в 15 раз, про­дол­жим изыс­ка­ния...

Закон Фа­ра­дея

Тоже зна­ком из школы: виток про­во­да по­ме­щён в ме­ня­ю­щий­ся маг­нит­ный поток Ф, из-за чего на нём воз­ни­ка­ет на­пря­же­ние:

U = -dФ/dt

Ра­бо­та­ет во всех дви­га­те­лях без ис­клю­че­ния. И если сила Ам­пе­ра увя­зы­ва­ет между собой ток дви­га­те­ля и раз­ви­ва­е­мую силу, то закон Фа­ра­дея увя­зы­ва­ет ли­ней­ную ско­рость ро­то­ра в рай­оне об­мот­ки и противо-​ЭДС, воз­ни­ка­ю­щий на его клем­мах. 

Мощ­ность дви­га­те­ля равна UI, про­из­ве­де­нию тока на на­пря­же­ние. И если ток через дви­га­тель с за­дан­ны­ми об­мот­ка­ми мы под­ни­мать не можем (сго­рит), то может на­пря­же­ние под­нять? Это будет со­от­вет­ство­вать огром­ной ско­ро­сти вра­ще­ния. И да, с элек­тро­маг­нит­ной точки зре­ния здесь осо­бен­ных огра­ни­че­ний нет. Про­стой и неза­мыс­ло­ва­тый спо­соб по­лу­чить очень ма­лень­кий, но мощ­ный дви­га­тель - за­драть обо­ро­ты до небес! Ра­зу­ме­ет­ся, этот спо­соб при­ме­нял­ся ис­по­кон веков: до­воль­но редко встре­тишь "пря­мой при­вод", чаще всего элек­тро­дви­га­те­ли вклю­ча­ют через по­ни­жа­ю­щий ре­дук­тор. Пре­иму­ще­ство по­вы­ше­ния обо­ро­тов одно: га­ба­ри­ты дви­га­те­ля су­ще­ствен­но умень­ша­ют­ся. Недо­стат­ков целое море: как пра­ви­ло, тре­бу­ет­ся более слож­ный и тя­жё­лый ре­дук­тор, умень­ша­ет­ся ре­сурс под­шип­ни­ков и всего дви­га­те­ля в целом, такой дви­га­тель вме­сте с ре­дук­то­ром за­ча­стую более шум­ный, чем его ти­хо­ход­ный со­брат. Мень­ше К.П.Д, как из-за ме­ха­ни­че­ских по­терь (под­шип­ни­ки, аэро­ди­на­ми­че­ские по­те­ри, по­те­ри в ре­дук­то­ре), так и элек­три­че­ских: сер­деч­ник часто пе­ре­маг­ни­чи­ва­ет­ся, воз­ни­ка­ют по­те­ри на ги­сте­ре­зи­се и вих­ре­вых токах.

Но если есть такая необ­хо­ди­мость - на уве­ли­че­ние обо­ро­тов все­гда идут. Весь­ма обо­ро­ти­стые движ­ки можно встре­тить в бол­гар­ке (уг­лошли­фо­валь­ной ма­шине), в пы­ле­со­се (под 2 кВт, а сам дви­жок вполне уме­ща­ет­ся на ла­до­ни), в элек­тро­дре­лях, ведь если эти бы­то­вые при­бо­ры будут из­лишне тя­жё­лы­ми и боль­ши­ми, ими будет неудоб­но поль­зо­вать­ся. Лучше сми­рить­ся с низ­ким к.п.д и вы­со­ким шумом. Да и ра­бо­та­ют они вовсе не 24 часа в сутки, так что и умень­шен­ный ре­сурс можно пе­ре­жить, тем более, что есть много шан­сов по­ло­мок по дру­гим при­чи­нам. 

По мере роста мощ­но­сти дви­га­те­лей, на­блю­да­ет­ся тен­ден­ция к умень­ше­нию их обо­ро­тов. Как пра­ви­ло, га­ба­ри­ты всё-​таки рас­тут "рав­но­мер­но" - и длина ро­то­ра, и его диа­метр. А с ро­стом диа­мет­ра воз­ни­ка­ет необ­хо­ди­мость обо­ро­ты сни­зить. Как ми­ни­мум, с уве­ли­че­ни­ем ли­ней­ной ско­ро­сти ро­то­ра воз­ни­ка­ет же­ла­ние по­ста­вить по­боль­ше по­лю­сов (иначе маг­нит­ная цепь рас­тя­нет­ся, по­тре­бу­ет­ся очень много лиш­не­го же­ле­за и длин­ню­щие ло­бо­вые части об­мо­ток), и если ско­рость ста­нет слиш­ком ве­ли­ка, воз­рас­тут по­те­ри на пе­ре­маг­ни­чи­ва­ние и на вих­ре­вые токи. Ино­гда это тер­пи­мо. Но даль­ше на­чи­на­ет­ся ещё более жёст­кое огра­ни­че­ние: ро­то­ры боль­шо­го диа­мет­ра на слиш­ком боль­ших обо­ро­тах про­сто "разо­рвёт на части"! Здесь тип дви­га­те­ля ста­но­вит­ся су­ще­ствен­ным фак­то­ром: асин­хрон­ные дви­га­те­ли при том же диа­мет­ре ро­то­ра можно разо­гнать до бОль­ших ско­ро­стей, по­сколь­ку цель­но­ли­тая об­мот­ка "бе­ли­чье ко­ле­со", на­дёж­но "за­му­ро­ван­ная" в от­вер­сти­ях сер­деч­ни­ка, вы­дер­жит боль­ше, чем на­бор­ная об­мот­ка кол­лек­тор­но­го дви­га­те­ля, за­кла­ды­ва­е­мая в ОТ­КРЫ­ТЫЕ пазы, в ко­то­рые потом вби­ва­ют "за­глуш­ки", и об­ма­ты­ва­ют это без­об­ра­зие стек­ло­бан­даж­ной лен­той. В мо­тор­чи­ках неболь­ших раз­ме­ров (в элек­тро­дре­ли, бол­гар­ке и пр.) это не ме­ша­ет на­би­рать де­сят­ки тысяч об/мин (в то время как асин­хрон­ные без ча­стот­но­го при­во­да огра­ни­че­ны 3000 об/мин, даже чуть мень­ше, 2950 услов­но го­во­ря), но с круп­ны­ми дви­га­те­ля­ми лучше так не шу­тить... Са­мы­ми обо­ро­ти­сты­ми когда-​то счи­та­лись син­хрон­ные ре­ак­тив­ные ма­ши­ны, где и об­мот­ки ро­то­ра ни­ка­кой нет, толь­ко же­лез­ные пла­сти­ны свое­об­раз­ной формы, или даже ротор, сде­лан­ный из цель­но­го куска же­ле­за. И при­ме­ня­лись они в очень спе­ци­фи­че­ских си­ту­а­ци­ях...

Срав­ним наших "ге­ро­ев". У дви­га­те­ля элек­трич­ки но­ми­наль­ная мощ­ность при­ве­де­на для 780 об/мин (см. спе­ци­фи­ка­цию), хотя "наи­боль­шая экс­плу­а­та­ци­он­ная ча­сто­та вра­ще­ния": 2065 об/мин, это со­от­вет­ству­ет кон­струк­ци­он­ной ско­ро­сти 135 км/ч. Зна­чит, но­ми­наль­ная мощ­ность при­ве­де­на для 50 км/ч. Но там же мы видим: воз­буж­де­ние 50%. То есть, при воз­буж­де­нии 100%, та же самая мощ­ность будет до­стиг­ну­та уже на 390 об/мин! 

А у "Теслы" мак­си­маль­ная мощ­ность до­сти­га­ет­ся при 5870 об/мин, что со­от­вет­ству­ет ско­ро­сти 80 км/ч. Раз­ни­ца по обо­ро­там ак­ку­рат в 15 раз! Ровно такая раз­ни­ца в удель­ной мощ­но­сти дви­га­те­лей, вот и нашли её при­чи­ну. То есть, маг­нит­ное поле при­мер­но оди­на­ко­вое (силь­но не по­вы­сишь), плот­ность тока при­мер­но оди­на­ко­вая, и ма­лень­кий мо­тор­чик "Теслы" прин­ци­пи­аль­но не мог бы вы­дать за­пре­дель­ный кру­тя­щий мо­мент, но он до­брал своё обо­ро­та­ми. Да­лось это "тя­же­ло": по­те­ри в же­ле­зе при "пол­ном поле" (т.е при по­пыт­ке по­лу­чить мак­си­маль­ный кру­тя­щий мо­мент) ве­ли­ки, и толь­ко во­дя­ное охла­жде­ние спа­са­ет, да и то нена­дол­го... Вы­со­кий КПД этот дви­га­тель даёт толь­ко на силь­но по­ни­жен­ной мощ­но­сти, на ко­то­рой он и при­ме­ня­ет­ся обыч­но, и это даже самые пре­дан­ные фа­на­ты могут под­твер­дить. Уж или за­яв­лен­ный про­бег и эф­фек­тив­ность, на ско­ро­сти 50 км/ч без рез­ких ма­нёв­ров, или ре­корд­ный раз­гон, но да­ле­ко с ним не уедешь, очень много энер­гии уйдёт в тепло об­мо­ток и же­ле­за. 

А может всё-​таки по­ста­вим дви­га­тель "Теслы" на элек­трич­ку?

Да, фи­зи­ку он не об­ма­нул. Плот­ность тока "ста­рая", маг­нит­ное поле "ста­рое", своё он взял за счёт "пра­виль­но­го" ука­за­ния мощ­но­сти, как когда-​то ки­тай­ские му­зы­каль­ные цен­тры ука­зы­ва­ли так на­зы­ва­е­мый PMPO (Peak Musical Power Output), и за счёт бе­ше­ных обо­ро­тов.

Но всё же. За­ме­нить 2-​тонный мотор на 100-​килограммовый, сразу элек­трич­ка "по­лег­ча­ет", а мень­ше массы за собой тя­нуть - зна­чит мень­ше элек­три­че­ства по­тра­тит, хо­ро­шо же?

Что-​то не уве­рен... Сей­час в элек­трич­ке самый ми­ни­мум дви­жу­щих­ся ча­стей: ре­дук­тор од­но­сту­пен­ча­тый. Боль­шая ше­стер­ня по­са­же­на на ко­лёс­ную пару, малая ше­стер­ня через эла­стич­ную муфту со­еди­не­на с дви­га­те­лем. Проще уже не по­лу­ча­лось: если дви­га­тель по­са­дить непо­сред­ствен­но на ко­лёс­ную пару, будет огром­ная неподрес­со­рен­ная масса, ко­то­рая на боль­ших ско­ро­стях по­вре­дит пути. В своё время, в на­ча­ле XX века, при­ду­мы­ва­ли тя­го­вые дви­га­те­ли, у ко­то­рых ста­тор за­креп­лён на те­леж­ке, а ротор - на ко­лёс­ной паре и может до­воль­но да­ле­ко гу­лять туда-​сюда, то есть был со­здан огром­ный воз­душ­ный зазор! Идея ка­за­лась непло­хой, но "не взле­те­ла" - слиш­ком уж пар­ши­вым по­лу­чал­ся такой дви­га­тель.

Так что от од­но­сту­пен­ча­то­го ре­дук­то­ра ни­ку­да не де­нешь­ся... У элек­трич­ки ре­дук­ция со­став­ля­ет при­мер­но 1:3. Если туда уста­но­вить вза­мен дви­га­тель "Теслы", по­на­до­бит­ся ре­дук­ция 1:26. В самой "Тесле" уста­нов­лен 4-​ступенчатый ре­дук­тор 1:9,73, ведь диа­метр колёс "Теслы" мень­ше, чем колёс элек­трич­ки, и пре­дель­ная ско­рость 250 км/ч, но нам нужна мень­шая ско­рость и огром­ная тяга! Вы­хо­дит, здесь нужна ещё одна сту­пень. И воз­ни­ка­ет во­прос, смо­жет ли этот ре­дук­тор про­ра­бо­тать 3 млн. км? Даже на самой "Тесле" - нет, при том, что его непре­рыв­ная ра­бо­та на пре­дель­ной мощ­но­сти вовсе не пла­ни­ру­ет­ся! Если че­ло­век еже­днев­но по много раз раз­го­ня­ет­ся до 250 км/ч, то весь­ма ве­ро­ят­но, что в те­че­ние ме­ся­ца он убьёт­ся, и га­ран­тия ав­то­ма­ти­че­ски сни­мет­ся. А при нор­маль­ной езде ре­дук­тор ра­бо­та­ет в силь­но об­лег­чён­ном ре­жи­ме, ведь на самом деле для лег­ко­во­го ав­то­мо­би­ля и стан­дарт­ные 70..100 л.с (50..70 кВт) - вполне до­ста­точ­но. Редко кто втап­ли­ва­ет пе­даль газа до упора, до вы­хо­да на "крас­ные" обо­ро­ты, все­гда учат более плав­ной, ща­дя­щей езде, по­сколь­ку она хо­ро­ша и для рас­хо­да, и для дол­го­веч­но­сти, и в целом для без­опас­но­сти до­рож­но­го дви­же­ния. На под­дер­жа­ние ско­ро­сти 100 км/ч лег­ко­вым ав­то­мо­би­лем тра­тит­ся около 14 кВт. Но вот на элек­трич­ке - из­ви­ни­те, ре­дук­тор будет па­хать "на 100%", по­то­му как ровно так обыч­но и про­ис­хо­дит раз­гон - на мощ­но­сти 1 МВт на каж­дый мо­тор­ный вагон.

Но од­но­го лишь 5-​ступенчатого ре­дук­то­ра и дви­га­те­ля недо­ста­точ­но - ещё необ­хо­ди­мо будет уста­нав­ли­вать жид­кост­ную си­сте­му охла­жде­ния: труб­ки, насос, ра­ди­а­тор, мощ­ный вен­ти­ля­тор. Дви­га­тель необ­хо­ди­мо будет умощ­нить со 160 кВт (в те­че­ние 12 минут) до 250 кВт (в те­че­ние часа), так что о его ис­ход­ной массе при­дёт­ся по­за­быть. И после всего этого он будет жрать боль­ше, чем "нор­маль­ный" дви­га­тель элек­трич­ки! Это со­вер­шен­но нор­маль­ное яв­ле­ние для су­пер­ка­ра - жрать "не в себя" при де­мон­стра­ции своей раз­гон­ной ди­на­ми­ки. Но для элек­трич­ки это нор­маль­ный еже­днев­ный режим, стар­то­вать со стан­ции на пол­ной мощ­но­сти. У элек­трич­ки в этом ос­нов­ном ре­жи­ме КПД со­став­ля­ет 90,5%. Масса дви­га­те­лей со­став­ля­ет 8% от массы со­ста­ва. По­это­му, если вы­би­рать между су­ще­ству­ю­щи­ми 2-​тонными движ­ка­ми и ги­по­те­ти­че­ским ДВИЖ­КОМ С НУ­ЛЕ­ВОЙ МАС­СОЙ, но КПД 80%, то, как ни стран­но, мы вы­бе­рем су­ще­ству­ю­щий 2-​тонный, с ним сум­мар­ный рас­ход элек­тро­энер­гии ока­жет­ся тупо ниже! А прий­ти при 5-​ступенчатом ре­дук­то­ре и бе­ше­ных обо­ро­тах к КПД в те же 90% довольно-​таки труд­но...

Не за­бы­ва­ем и про выбег. Это ав­то­мо­би­ли почти ни­ко­гда не ездят "по инер­ции" - не поз­во­ля­ет ни тре­ние ка­че­ния ре­зи­но­вых колёс по ас­фаль­ту, ни ло­бо­вое со­про­тив­ле­ние, ко­то­рое, от­не­сён­ное к массе в 1-2 тонны, весь­ма ве­ли­ко. А по­ез­да про­во­дят "на вы­бе­ге" льви­ную долю вре­ме­ни! И очень непло­хо, чтобы при этом со­про­тив­ле­ние дви­же­нию было ми­ни­маль­но воз­мож­ным. 5-​ступенчатый ре­дук­тор, и вал дви­га­те­ля, кру­тя­ще­го­ся на 19 000 об/мин (при 135 км/ч) в таком слу­чае не луч­шее ре­ше­ние... Даже ма­лей­шая оста­точ­ная на­маг­ни­чен­ность в ро­то­ре и ста­то­ре по­на­де­ла­ет дел, не го­во­ря о дру­гих по­те­рях. 

В общем, игра не стоит свеч. Если взгля­нуть на тя­го­вые дви­га­те­ли на же­лез­ных до­ро­гах раз­ных стран, мы уви­дим, что та­ко­го не делал никто. Да, в целом идёт тен­ден­ция на по­вы­ше­ние обо­ро­тов тя­го­вых дви­га­те­лей, но не так ра­ди­каль­но. На­при­мер, у "Ла­сточ­ки" (Siemens Desiro) стоят 6-​полюсные асин­хрон­ные дви­га­те­ли, ко­то­рые при мак­си­маль­ной ско­ро­сти в 160 км/ч дают 4300 об/мин. Для этого ис­поль­зу­ет­ся двух­сту­пен­ча­тый ре­дук­тор 1:4,85, и надо по­ла­гать, что немец­кие ин­же­не­ры (в от­ли­чие от всем из­вест­ной ли­вер­ной кол­ба­сы) не зря едят свой хлеб и всё гра­мот­но рас­счи­та­ли.

Так где ре­во­лю­ция?

По­движ­ки, опре­де­лён­но, есть. В первую оче­редь, пе­ре­ход в элек­тро­транс­пор­те на асин­хрон­ные элек­тро­дви­га­те­ли. Он стал воз­мож­ным бла­го­да­ря раз­ви­тию си­ло­вой элек­тро­ни­ки, т.е пре­об­ра­зо­ва­те­лей на­пря­же­ния, тя­го­вых ин­вер­то­ров. По­пыт­ки пред­при­ни­ма­лись давно, в том числе и в СССР, но ещё в 80-90-е годы эле­мент­ная база была недо­ста­точ­но со­вер­шен­ной: тя­го­вые ин­вер­то­ры сде­лать по­лу­ча­лось, но кон­струк­ция по­лу­ча­лась более гро­мозд­кой, чем ста­рый доб­рый кол­лек­тор­ный дви­га­тель с рео­стат­ной си­сте­мой пуска, и более ка­приз­ной. Эко­но­мию энер­гии и более плав­ный ход она да­ва­ла, но в целом пе­ре­ход ока­зы­вал­ся нерен­та­бель­ным.

Сей­час смысл уже есть, но не нужно здесь ис­кать улуч­ше­ния "в разы", их не будет. Эко­но­мия в луч­шем слу­чае про­цен­тов 20, рас­то­чи­тель­ность рео­стат­но­го пуска силь­но пре­уве­ли­че­на: за счёт пе­ре­под­клю­че­ния дви­га­те­лей из по­сле­до­ва­тель­но­го в па­рал­лель­ное со­еди­не­ние, ис­поль­зо­ва­ния ослаб­ле­ния воз­буж­де­ния вплоть до 16%, рео­ста­ты ока­зы­ва­ют­ся нужны толь­ко на на­чаль­ном этапе раз­го­на. По­след­ний вагон элек­трич­ки по­ки­нул плат­фор­му - рео­ста­ты уже вы­ве­де­ны! Но ещё из плю­сов но­во­го при­во­да - го­раз­до мень­ше об­слу­жи­ва­ния асин­хрон­ных дви­га­те­лей, в от­ли­чие от кол­лек­тор­ных, в ко­то­рых нужно ре­гу­ляр­но сле­дить за со­сто­я­ни­ем щё­точ­но­го узла, до­ста­точ­но часто за­ме­нять щётки, время от вре­ме­ни чи­стить и про­та­чи­вать кол­лек­тор и так далее.

Хо­те­лось бы пол­но­стью осво­ить эту те­ма­ти­ку в Рос­сии, но и за­ла­мы­вать руки, кри­чать, "как мы без­на­дёж­но от­ста­ли" не стоит. При необ­хо­ди­мо­сти можно и на кол­лек­тор­ных по­ез­дить.

По­яви­лись ин­те­рес­ные раз­но­вид­но­сти дви­га­те­лей, ко­то­рые рань­ше если и су­ще­ство­ва­ли "на бу­ма­ге", то упи­ра­лись в слож­но­сти в за­пус­ке и ре­гу­ли­ро­ва­нии, на­хо­ди­ли себе очень спе­ци­фи­че­ские ниши, а сей­час, при на­ли­чии тя­го­во­го при­во­да, можно из них по­лу­чить "всё что нужно". Это и син­хрон­ные ре­ак­тив­ные дви­га­те­ли, в ро­то­ре ко­то­рых нет ни об­мо­ток, ни маг­ни­тов - про­сто элек­тро­тех­ни­че­ская сталь, вы­ре­зан­ная ин­те­рес­ным об­ра­зом. Хо­ро­ши своей про­сто­той, эф­фек­тив­но­стью (ротор НЕ ГРЕ­ЕТ­СЯ), де­ше­виз­ной (и цвет­ме­та мень­ше, а ред­ко­зе­мель­ных маг­ни­тов и вовсе нет!), но осо­бен­но ком­пакт­ны­ми их не на­зо­вёшь.

Дру­гая раз­но­вид­ность - син­хрон­ные дви­га­те­ли с "за­пря­тан­ны­ми" по­сто­ян­ны­ми маг­ни­та­ми. Их пре­иму­ще­ство в том, что при век­тор­ном управ­ле­нии можно вклю­чить "ослаб­ле­ние поля", тем самым по­вы­сив диа­па­зон ре­гу­ли­ро­ва­ния. В обыч­ных дви­га­те­лях с по­сто­ян­ны­ми маг­ни­та­ми ослаб­ле­ние невоз­мож­но, по­это­му при­хо­дит­ся ме­нять на­пря­же­ние в ши­ро­ких пре­де­лах. Ска­жем, для по­лу­че­ния мак­си­маль­ной ско­ро­сти нам нужно 48 вольт, тогда при чет­вер­ти ско­ро­сти нужно 12 вольт, и никак иначе. Хо­чешь при этом огром­ную тягу - по­да­вай боль­шой ток. Если нам, к при­ме­ру, нужна мощ­ность 480 Вт как на боль­ших, так и на малых обо­ро­тах, вплоть до 1/8 от мак­си­маль­ной ско­ро­сти, нам при­дёт­ся устро­ить ис­точ­ник пи­та­ния на 0..48 вольт с током до 80 ампер... Удоб­нее было бы все­гда по­да­вать пол­ное на­пря­же­ние, а уже ток ме­нял­ся бы в за­ви­си­мо­сти от необ­хо­ди­мой мощ­но­сти, до 10 ампер в этом при­ме­ре. В ста­рых доб­рых кол­лек­тор­ных дви­га­те­лях это до­сти­га­лось с по­мо­щью об­мот­ки воз­буж­де­ния, в асин­хрон­ных, в какой-​то мере - из­ме­не­ни­ем ча­сто­ты (по­вы­сил ча­сто­ту при том же на­пря­же­нии - сни­зи­лось маг­нит­ное поле - раз­гон про­дол­жа­ет­ся, хоть и не очень быст­рый), а вот с по­сто­ян­ны­ми маг­ни­та­ми такой фокус не про­хо­дил. И сей­час не ска­зать, что очень хо­ро­шо про­хо­дит, кол­лек­тор­ник или син­хрон­ный дви­га­тель с об­мот­ка­ми ро­то­ра дадут огром­ную фору, но уже хоть что-​то. 

На­сколь­ко они "зай­дут" - пока слож­но су­дить. 

Вы­во­ды

1. Новые "ре­корд­ные" дви­га­те­ли по­яви­лись ровно по­то­му, что для них воз­ник­ла ниша. В "ста­рых" при­ме­не­ни­ях они не нужны. Дви­га­те­ли элек­тро­мо­би­лей непло­хо смот­рят­ся в элек­тро­мо­би­лях (ско­рее даже в "су­пер­ка­рах", за­да­ча ко­то­рых па­фос­но рвать с места), но их не по­ста­вишь в элек­трич­ку или трол­лей­бус. Авиа­мо­дель­ные движ­ки сго­рят, если перед ними не будет про­пел­ле­ра, про­ду­ва­ю­ще­го через них про­рву воз­ду­ха, и так далее. "Ре­корд­ность" ха­рак­те­ри­стик до­сти­га­ет­ся в первую оче­редь вы­со­ки­ми обо­ро­та­ми и за­пре­дель­ны­ми то­ка­ми. Из­вест­ных огра­ни­че­ний на маг­нит­ное поле и на плот­ность тока они, ра­зу­ме­ет­ся, не на­ру­ша­ют.

2. По­сколь­ку про­гресс в элек­тро­тех­ни­че­ских ста­лях, а тем более, в про­вод­ни­ках элек­три­че­ства сей­час от­сут­ству­ет, то РЕ­ВО­ЛЮ­ЦИ­ОН­НЫХ из­ме­не­ний ждать не стоит, есть лимит на со­зда­ва­е­мую дви­га­те­лем тягу, да и под­ня­тие обо­ро­тов очень быст­ро при­во­дит к ослож­не­ни­ям. Разве что ре­во­лю­ци­ей ста­нет до­ве­дён­ный до про­мыш­лен­ной экс­плу­а­та­ции дви­га­тель на сверх­про­во­ди­мо­сти, но и в его мас­со­вом при­ме­не­нии есть боль­шие со­мне­ния.

3. Это не го­во­рит о пол­ном от­сут­ствии про­грес­са в дви­га­те­лях - он про­дол­жа­ет­ся и свя­зан, в первую оче­редь, с раз­ви­ти­ем си­ло­вой элек­тро­ни­ки, кон­крет­нее, тя­го­вых при­во­дов, в том числе с век­тор­ным управ­ле­ни­ем. При на­ли­чии (и уде­шев­ле­нии) таких при­во­дов ста­но­вят­ся обос­но­ван­ны­ми ранее за­бы­тые раз­но­вид­но­сти дви­га­те­лей, ко­то­рые могут по­тес­нить се­го­дняш­них "ли­де­ров", но учи­ты­вая весь­ма незна­чи­тель­ные улуч­ше­ния, это может за­тя­нуть­ся на­дол­го...