Недавно промелькнула статья о мегаваттном электродвигателе массой всего 57 кг для самолётов. Что хорошо, в английском оригинале, приведённом по ссылке, была и ссылка на техническую статью по поводу этого двигателя, а она, в свою очередь, ссылается ещё на 2 статьи тех же авторов про другие аспекты их мотора (всё в открытом доступе), что позволяет его основательно обсудить. Существует ли он в природе, может ли существовать, опровергает ли он статью О "революции" в электродвигателях, о чём они предпочитают стыдливо умолчать, и главное, есть ли от такого двигателя какой-то прок?
Заодно ещё про характеристику нагрузки для двигателя поговорим, в прошлый раз уже не влезало по объёму.
Существует ли он?
В статье на АШ сказано было "создан", равно как на IXBT, с которого взята эта статья. Английская статья на IEEE Spectrum озаглавлена "MIT Unveils a Megawatt Motor", т.е в MIT презентовали новый мотор. Если же наконец, обратиться к первоисточнику, то окажется:
1. Они собрали ротор и вроде как даже раскрутили его до номинальных оборотов, и магнитное поле от постоянных магнитов измерили, "всё хорошо". Под ротором подразумевается титановый цилиндр, с внутренней стороны покрытый магнитами в сборке Халбаха:
Можно заметить, что магниты не похожи на неодимовые, так и есть, они заявили, что неодимовые такие температуры не вынесут, поэтому поставили "старые добрые" самарий-кобальтовые.
2. Собрали кусочек статора, 1/10 его часть:
проверили сопротивление изоляции и способность вынести подаваемый ток (при должной вентиляции)
3. "Распечатали" из алюминиевого порошка пресловутый теплоотвод воздушного охлаждения:
Судя по тому, с какой неохотой они указывают конкретные цифры по его работе (в этой статье) и по заключению к статье из серии "очень сложная проблема, надо ещё подумать", результат вышел "не очень". В обычных системах воздушного охлаждения напор измеряется в паскалях, а тут в долях атмосферы, т.е тут уже не просто крыльчатка - почти что компрессор нужен, чтобы воздух в нужных количествах возжелал сквозь это продраться.
Вот, собственно, всё, что есть в железе.
Заявленная масса в 57 кг - это исключительно масса активных частей двигателя! Вот развесовка:
Переведём на русский:
| Деталь | Масса (кг) |
|---|---|
| Сердечник статора | 19,7 |
| Обмотки | 6,1 |
| Магниты | 14,6 |
| Обод ротора | 10,6 |
| Теплоотвод | 6,4 |
| Итого | 57,4 |
Как-то позабылись вал, подшипники, остов ротора (часть, соединяющая активную часть ротора с валом) и станина двигателя! Причём, учитывая, что это мотор с внешним ротором (Outrunner), в котором, судя по рисунку, ротор собираются крепить консольно (только с одной стороны!), при том что он достаточно вытянутый, и его обод должен достигать линейной скорости в 200 м/с (около 2/3 от скорости звука), а при малейшем нарушении соосности возникнет разбаланс притяжения ротора к статору, создавая огромную нагрузку на подшипники, все эти "недостающие части" могут получиться весьма и весьма громоздкими!
Обратите внимание на толщину торцов и двух консольных элементов, первый держит статор, а второй - ротор... Вообще-то, ничто не мешает закрепить ротор и со второй стороны на широком подшипнике, под которым пройдут все провода к статору. А потом ещё вставить опорный подшипник между ротором и статором в правой части (по рисунку), тогда оно уже станет на что-то похоже...
Основные заявленные характеристики
Таблица из статьи:
Переведём на русский:
| Величина | Значение | Единица измерения |
| Мощность | 1 | МВт |
| Удельная мощность | 17 | кВт/кг |
| Частота вращения | 12500 | об/мин |
| Касательное напряжение | 36,5 | кПа |
| К.П.Д | 97,3 | % |
| Плотность тока (пиковая) | 13,3 | А/мм2 |
| Число пар полюсов / пазов | 10/60 | |
| Размеры | ||
| Длина пакета | 198 | мм |
| Внешний диаметр | 300 | мм |
| Воздушный зазор | 3 | мм |
| Материалы | ||
| Сердечник статора | Vacodur 49, 0,1 мм | Fe-Co-V |
| Обмотка | Литцендрат тип 8 | Cu |
| Постоянный магнит | Recoma 35E | Sm-Co |
| Обод (бандаж) ротора | Титан | Ti |
И давайте пройдёмся в том же порядке, как в статье О революции в электродвигателях...
Напряжённость магнитного поля
В статье она не указана в явном виде. Пока они "ковыряют" статор, всё переживают о том, чтобы от 2 Тл у них сердечник не шибко грелся при перемагничивании, но это в самых "нагруженных" местах. Но это же двигатель с постоянными магнитами, причём самарий-кобальтовыми, для них отдельно они измерили 0,6 Тл в зазоре, не особо уточняя, присутствовал ли там в положенных 3 миллиметрах кусок статора? Учитывая, что поле они снимали аккурат в 1,5 миллиметрах от магнита, видимо, ДА. Так что эти 0,6 Тл и возьмём за ответ. Ну совсем не рекорд.
Плотность тока
В таблице указано, 13,3 А/мм2 пиковая, что снова довольно хорошо попадает в упомянутый нами диапазон 3..10 А/мм2. Да, на 30% больше, ну так пиковая же! Обязательно потом напишут, что такую плотность можно давать лишь кратковременно на взлёте. У самых обычных асинхронных движков при запуске плотность тока может и посильнее "зашкаливать", и ничего, живут.
Доля меди в массе мотора
Мы упоминали, что "стандарт" 1/10. Здесь при массе активных элементов 57,4 кг, на медь приходится 6,1 кг. Вполне себе классика жанра.
Развиваемая сила
Мы приводили простейшую формулу: F=BjV, где
B - индукция (напряжённость) магнитного поля, Тл
j - плотность тока, А/м2,
V - объём меди, м3.
Подставляя 0,6 Тл, 13,3 А/мм2 и объём меди в 0,68 литра, получаем полную силу, развиваемую ротором: 5,5 кН, или 560 кгс.
Блинчик или колбаска?
Диаметр ротора 300 мм, а длина пакета: 198 мм. Выглядит опять же вполне классически, разве что ротор и статор поменялись местами, что повышает крутящий момент "при прочих равных".
Не будем сильно вдаваться в подробности, умножим свои 5,5 кН на 150 мм (плечо силы, "на глазок") и получим крутящий момент 820 Н*м.
"Обещаемый" крутящий момент можно получить из мощности в 1 МВт и частоты вращения 12500 об/мин. Последнюю умножаем на 2π, чтобы получить радианы в минуту, потом делим на 60, чтобы прийти к радианам в секунду. Поделив на них 1 МВт, мы и получим заявленный крутящий момент, 760 Н*м
По нашей прикидке должно было выйти больше, поскольку сила возникает всё-таки никак не в титановом бандаже, а чуть ближе к центру. Заменим 150 мм на 140 мм - получим аккурат 760.
Опять всё дело в частоте вращения!
12500 об/мин при такой мощности - это дохрена... Край ротора должен достигать скорости 200 м/с, т.е под 2/3 скорости звука!
Именно эту величину почему-то ни один журналист перепечатывать не пожелал! Попросту не бывает мегаваттного пропеллера или вентилятора, который мог бы работать на таких оборотах. Все эти штуки очень резко теряют в эффективности (и становятся невообразимо шумными), если их кромка достигает сверхзвука. Причём в отличии от ротора, у которого "своя атмосфера", пропеллер/вентилятор ещё и ловит скорость набегающего воздуха, поэтому её нужно векторно сложить с линейной скоростью вращения, и получившаяся скорость не должна превысить скорость звука! Т.е если наш самолётик должен летать сколько-нибудь быстро, пропеллер/вентилятор тупо за диаметр этого двигателя не может выйти! И значит, весь набегающий воздух будет биться об торец двигателя.
Впрочем, можно даже не особо размышлять о вентиляторе на 12500 об/мин, а просто посмотреть на историю реактивной авиации. Турбореактивный двигатель, который примерно такие обороты и развивал, в итоге сменился на турбовентиляторный (Turbofan), габариты которого непрерывно росли.
Так, для сравнения, Боинг 737-200:
(двигатель узкий и очень длинный)
И 737 Max, не к ночи будь помянут:
То есть, тренд на топливную экономичность требует: вентилятор побольше, обороты поменьше. А может, и к винтам потихоньку возвращаться начнём такими темпами.
Возможен ли такой электродвигатель?
Теоретически, да, фундаментальных законов физики он не нарушает, все проблемы чисто технические - справиться с отводом тепла, максимально грамотно рассчитать сердечник и обмотку статора, чтобы нигде не возникало лишних вихревых токов, минимизировался скин-эффект (там они на килогерцы выходят). Отбалансировать железяку (титаняку) раскрученную до 2/3 скорости звука, чтобы она не "била" до такой степени, что убьёт подшипники. Подобрать хорошие подшипники, и всё-таки закрепить ротор с двух сторон. Вполне возможно, но дешёвым такой моторчик явно не будет.
А почему до сих пор ничего такого не делали?
Вон тот же двигатель для "Теслы", хотя его тоже превозносили все кто мог, но ни в какое сравнение не идёт, он всего лишь на 391 кВт (и те очень условные. всего на несколько секунд, а сколько-нибудь продолжительный режим 160 кВт), при том, что весит больше, аж 84 кг. Что изменилось с тех пор, если рекордных плотностей тока, магнитных полей и даже оборотов не прибавилось? Тот же "тесловский" движок может до 19 000 об/мин раскручиваться.
Изменилась характеристика нагрузки. В статье о "революции в электродвигателях" мы говорили преимущественно о тяговых двигателях, это самый тяжёлый режим работы для электродвигателя! Мы ожидаем от него примерно такой характеристики:
На малых скоростях: постоянная тяга, чтобы быстро трогаться с места. Начиная с определённой скорости, у нас попросту не хватит мощности "на борту" (или сечения контактного провода), чтобы продолжить разгоняться с этой тягой, поэтому начинается участок постоянной мощности, выглядящий как гипербола (т.е F*v = const). У "идеального" тягового двигателя этот участок продолжается прямо до максимальной скорости. На деле зачастую появляется ещё один участок, где F*v2=const, т.е тяга падает быстрее, у коллекторных двигателей последовательного возбуждения это "автоматическая характеристика", у асинхронных: повышение частоты, когда напряжение уже подаётся полное, и повысить его уже нельзя (пробой обмоток наступит).
Получается в итоге, что двигателю не дают развить свою "габаритную" мощность: то он даёт максимальную тягу, но на малых оборотах, то он наконец набрал обороты, но вынужден был уйти в ослабление поля и рабочего тока! Так-то, немножко "поколдовав" над таким двигателем, мы могли бы сделать ему постоянную тягу вплоть до максимальной скорости, и тем самым повысив его мощность в 3..10 раз. Просто с ним будет гораздо сложнее работать.
Уж лучше самую чуточку оптимизировать конструкцию двигателя под реально необходимую характеристику, да, он станет формально в 10 раз меньшей мощности, но будет НАИБОЛЕЕ ХОРОШ на своём месте.
А здесь нам предлагают двигатель, нагруженный на пропеллер или вентилятор. Они являются, ВНЕЗАПНО, вентиляторной нагрузкой:
Потребный момент растёт как квадрат от частоты вращения, а мощность - вообще как куб! Это поезд или автомобиль, чтобы резво тронуться с места, должен выдать огромную тягу на нулевых оборотах, а самолёту или вертолёту ничего не остаётся, как раскрутить пропеллер до максимальных оборотов.
Двигатель под вентиляторную нагрузку развивает свою полную "габаритную" мощность. Максимальные обороты (и соотв. полное напряжение на обмотках при полном магнитном поле) и максимальный крутящий момент (а значит, полный ток через обмотки) достигается одновременно! Поэтому он выходит гораздо компактнее тягового двигателя, как будто бы на ту же мощность.
Вообще, нас повсюду окружают двигатели под вентиляторную нагрузку - это и вентиляторы, и насосы, от мала до велика. Очень многие из них - это двигатели общего назначения стандартных серий, которые как будто бы не обладают выдающимися параметрами. Но это лишь пока мы не вспомним, что днём с огнём не найдёшь вентилятора или насоса, где установлен редуктор. Двигатель крутит крыльчатку напрямую, и при этом не выглядит особенно громоздким, сам насос или вентилятор существенно больше по габаритам. Ну зачем создавать излишнюю сложность, потери, шум, стоимость, понижать надёжность, если результатом станет уменьшение конструкции процентов на 10, да и в большинстве случаев никто её и не увидит, она будет запрятана от взгляда "эстетов" где-нибудь в техническом помещении, запертом на замок. А если хочется всё красивое и ажурное (а-ля пылесос Dyson), редуктор это полумера, скорее обороты самой крыльчатки разгонят, чтобы она шумела как реактивный двигатель (это же круто!) и движок потребовался совсем небольшой.
В общем, рекордно компактный электродвигатель под вентиляторную нагрузку до сих пор не требовался, единственное назначение для него - авиация. Собственно, в авиамоделях и квадрокоптерах мы их начали видеть довольно давно.
В комментариях к статье об этом двигателе уже вспоминали, что такая мощность, 1 МВт - это уровень АН-2.
Давайте "поставим" в АН-2 этот электродвигатель...
Для начала посмотрим характеристики воздушного винта: диаметр 3,6 метра, частота вращения во взлётном режиме около 1200 об/мин.
Оба-на: нам нужен редуктор 1:10,41. Хорошо подходит планетарная передача, но одной ступени маловато (делать отношение более 1:8 на одной ступени не рекомендуется), нужна двухступенчатая. Не будем вдаваться во все расчёты, просто посмотрим примеры таких редукторов из статьи "К вопросу оценки массы редуктора в задаче оптимизации параметров рабочего процесса ТВД на этапе начального проектирования":
| Наименование | Мощность, кВт | Выходная частота вращения, об/мин | передаточное число | масса, кг |
| НК-12 | 11000 | 750 | 11 | 850 |
| АИ-20 | 3000 | 1000 | 11 | 235 |
| АИ-24 | 1900 | 1300 | 12 | 122 |
| НК-93 | 20000 | 1650 | 5 | 475 |
| АШ-82В | 1268 | 175 | 13,5 | 475 |
| АИ-26В | 423 | 170 | 9 | 135 |
| М-14В26 | 273 | 290 | 3 | 200 |
| АИ-14В | 177 | 320 | 2 | 80 |
Самый близкий к нашим показателям - редуктор для АИ-24: выходные обороты, передаточное число, разве что мощность почти вдвое больше, чем надо. Если нам очень повезёт, массу редуктора удастся снизить примерно вдвое (на 1000/1900, т.е пропорционально мощности), до 61 кг.
Итак, к заявленным 57 кг приходится добавить ещё столько же на редуктор, а ещё килограмм 30 на станину, вал, остов и подшипники. Инвертор не забываем. Его они тоже проектировали,
и обещают получить удельную мощность инвертора в 53 кВт/кг (похоже, тоже без учёта всяких никому не интересных штук вроде кожухов и системы охлаждения), так что для этого мегаватта ещё нужно добавить 19 кг инвертора.
Так, мало помалу, уже вышло 170 кг. Бензиновый звездообразный двигатель АШ62-ИР весил 560 кг, так что у нас "высвободилось" 390 кг под аккумуляторы!
А ещё все топливные баки под 1200 л бензина снимем, и их тоже заменим на аккумуляторы, условно, ещё здесь 1200 кг аккумуляторов (бензин весит меньше, но ещё сами баки, ещё масла сильно меньше надо, только под редуктор), условно получаем 1600 кг аккумуляторов...
Возьмём "всеми любимые" аккумуляторы Panasonic/Tesla, здесь для них указывают следующие параметры:
- вес одной банки 18650: 48 грамм,
- ёмкость 3410 мАч,
- максимальный ток разряда 10 ампер,
- внутреннее сопротивление 30 мОм,
- напряжение полностью заряженного: 4,2 вольта.
Будем благодушны и полностью пренебрежём шинками, BMS-ками, конструктивными элементами батареи и пр., будем подсчитывать только банки! В 1600 кг их влезет 33 тысячи. С одной банки можно снять 39 Вт максимум, и получится 1,3 МВт - надо же, пожалуй, хватит и на этот движок с учётом потерь и на нём, и на инверторе, и на охлаждении. Так что взлететь можно, пока аккумуляторы заряжены прямо до 100%. Есть даже шанс куда-то прилететь, приземлиться, и взлететь на обратный путь с наполовину заряженными аккумуляторами... Когда напряжение просядет до "стандартных" 3,6 вольт, банка даст только 33 Вт, а все 33 тысячи: 1,1 МВт. Пока даже что-то вырисовывается...
А как насчёт дальности полёта? Выберем режим максимальной дальности полёта. По документам, это было 40% мощности двигателя и скорость 145 км/ч. Суммарная энергия, запасаемая в 33 тысячах этих банок: 0,4 МВт*ч. Хотя бы 10% оставим в качестве аварийного запаса, очень уж не хочется внезапно рухнуть, не долетев до аэродрома считанные километры. Возьмём из этих статей КПД двигателя 97,3% и КПД инвертора 98%, а про систему охлаждения вообще пока забудем. АН-2 обходился 40% мощностью от своего движка на 1000 л.с, т.е в режиме максимальной дальности нам нужно 300 кВт. Поделим на два КПД и получаем мощность с аккумуляторов: 308 кВт. Поделив 0,36 МВт*ч (т.е за вычетом аварийного запаса) на 308 кВт, получаем 83 минуты полёта, или 200 км.
Это очень оптимистичная оценка, мы уйму всего не учли. Скажем так, лучше не получится, даже поверив, что этот движок будет изготовлен, и его характеристики будут до последней запятой соответствовать заявленным.
Для сравнения, оригинальный АН-2 1947 года может пролететь на одной заправке 1200..1600 км (может лететь до 11 часов)!
Будем честны: они не утверждают, что эта штука будет непременно работать от батарей, рассматривают также варианты электрической трансмиссии. Чем это поможет, не особенно понятно.
Выводы
1. Законам физики такой двигатель не противоречит, его параметры по электрическому и магнитному нагружению вовсе не рекордные.
2. Поскольку о массе двигателей заботились в первую очередь на транспорте, то занялись для начала тяговыми двигателями, которые оказываются перетяжелёнными, чтобы давать высокую мощность даже на весьма низких оборотах. Здесь же речь пошла о двигателе для вентиляторной нагрузки, они принципиально легче почти что на порядок. Другое дело, что обычно такие двигатели использовались стационарно (насосы, вентиляторы от мала до велика) где масса не так важна, а вот простота конструкции (отсутствие редуктора, простые подшипники с твёрдой смазкой) и малая нагруженность позволяет им работать десятилетиями без каких-либо проблем. Потребности в таком двигателе попросту не было.
3. Как он поможет в авиации - пока не особенно ясно, проблемой, как обычно, остаются аккумуляторы.
Комментарии
Ну что вы опять начинаете? Нормально же сидели!
Спасибо. Грамотно со знанием дела опустили МИТ-овских сказочников.
В чем новизна так и не понятно, я вот понимаю моторы Дайсон с частотой вращения 110000 об/мин. Магнитный контур феррит и многополюсный магнит, т.е. электрическая частота ещё выше. Его конечно можно, и нужно, соединять на прямую с турбиной. И даже это, экстенсивный путь, который давно прошли зарядки от мобилок и др. сетевые блоки питания. Об этом же говорит Дуюнов, как об одном из пути развития двигателей. В чем идея, я не понял, намекните кто-нибудь?
Спасибо! Шикарно.
Шедеврально!
Уважение автору за данный разбор.
По их инверторам пару слов - на мой взгляд они попытались остаться на приемлемых токах порядка 50А в макетном варианте для одиночного инвертора. Сечение каждой обмотки на такой многополюсной можно сделать меньше и собственно соединить эту обмотку сразу с инвертором, что было и сделано. Проигрыш, как уже отмечено выше -15% форсирующего напряжения при питании от трехфазного инвертора и многочисленность электроники (правда однотипной). В статьях этих авторов по этой же теме подымается вопрос охлаждения продувкой сборки электроники в рамках общей темы научной работы.
Хорошая, годная статья.
Вопрос к автору: а применение пермаллоя, например 79НМ, даст же пользу при конструировании такого авиадвигателя?
При высокой цене авиадвигателей, вполне можно себе его позволить...
Да, магнитные материалы тут нужны "самые-самые", чтобы на частотах в несколько кГц чувствовать себя неплохо. Они у себя применяют железо-кобальтовый сплав, 49% кобальта, плюс ещё несколько добавок.
Это весьма дорогое удовольствие, и капризное: обычную электротехническую сталь штампуй как угодно, ничего ей не будет, а тут чуть что, она свои магнитные свойства меняет, и зачастую материал очень хрупкий. Об этом в том числе в статье упомянули, какой-то новый способ изготовления сердечника предложили, при котором свойства меньше портятся. Вот тут об этих материалах подробнее: https://magnetlab.ru/page.php?id=13
Похоже классические пермаллои себя уже исчерпали. Будущее за кобальтовыми сплавами.
Нельзя быть таким жестоким! Буратины верили, а Вы... Фу Вам из финансового сектора.
Но спасибо от физики.
Могут применять для конвертопланов, тогда не надо будет выдумывать надёжную топливную систему и синхронизирующий вал или дирижаблей.
Спасибо.
Скажите, а вместо коллектора с щётками кто-то пробовал делать коммутатор на транзисторах?
Разумеется! Ротор и статор меняют местами: магниты в ротор, обмотки в статор. Ставят датчик положения ротора на эффекте Холла, и он управляет транзисторами. Называется бесколлекторный, он же бесщеточный, он же BLDC (BrushLess DC). Как минимум, все вентиляторы в компьютере такие, так повелось, боялись что искрение щеток внесёт помехи в нежную электронику. И большинство в электровелосипедах, самокатах и очень многих электромобилях. В половине аккумуляторного электроинструмента.
Правда, начинает размываться грань между бесщеточными и синхронными, тем более что если большие пусковые моменты не нужны, можно без датчиков Холла обойтись, фактически три фазы генерить, и тогда разницу сложно увидеть.
BLDC - это несколько другое, там магнит в роторе, а я про варианты с обмотками на роторе (всего два полюса чтоб без размыкания и контроллер в нём-же) и на статоре, вот такое вам не попадалось-ли?
Когда обмотки на роторе - это обычно означает, что как-то туда всё равно ток надо передать (исключение - турбогенераторы на электростанциях, где ток для ротора генерится на соседней электрической машине - возбудителе), значит, всё равно щётки нужны, но хотя бы не коллекторные пластины, а контактные кольца можно, это несколько попроще. Сходу вспоминается автомобильный генератор - там ровно так, на ротор подаётся постоянный ток, и регулируя его, можно регулировать выходное напряжение.
Затем вспоминается асинхронный двигатель с фазным ротором, где через контактные кольца подключаются реостаты, позволяющие такому двигателю легко трогаться с места без жутких превышений тока. В некоторых учебниках ещё много обсуждаются "машины двойного питания", где на этот фазный ротор не просто реостаты подключены, а прямо-таки напряжение подаётся, но, честно говоря, не знаю, появились ли такие машины в реальной жизни, или так и остались на страницах учебников.
Вроде как на ветряки очень хотят нечто подобное, чтобы он мог крутиться с разной скоростью, но всё же выдавать в сеть стандартные 50 Гц. И когда-то железные дороги электрифицировали подобным образом на частоте 16 Гц.
Спасибо!
Вот этого я своим инженерским умом не понимаю от слова совсем.
В трёхфазке фазы должны быть синхронизированы по частоте и - надо же - фазе, иначе получится лебедьракомщуку.
То есть берут они 3 коробочки поменьше замест одной побольше, и начинают впиливать топором синхронизацию вместо того чтобы взять готовое трёхфазное решение. Результат будет очевидного качества на букву Х, не подумайте Хорошего.
А если не делать синхронизацию - частота с фазой со временем разъедутся гарантированно, и вся эта вундервафля хорошо если мощность потеряет, а то и сгорит к такой-то матери.
ПН по поводу "приемлимые токи 50А". Во время оно будучи студентом проходил практику на кафедре электротехники и видел своими глазами стабилизатор постоянного тока на 5В 10КВт, который должен был удерживать напряжение в пределах 2% при резком включении нагрузки от нуля до максимума. Соотв токи там были порядка 2КА. И ничего - работало.
Испытания выглядели так: брался аквариум воды литров на 50, в него клался резистор 2.5 мОм (миллиом, а не мега) 10КВт (огромный керамический цилиндр сантиметров 30-40 в длину и 5-7 в диаметре) подключенный к стабилизатору медными проводами огромного сечения, стабилизатор включался - и аквариум секунды через 3 закипал.
А потом мы этой водичкой чай заваривали, чтоб добро зазря не пропадало.
Это, небось, для гальваники у вас источник питания был? Хотя ещё подобные штуки были у Сеймура Крея в его суперкомпьютерах.
Нет, для бортовых компухтеров и прочей бортовой электроники которая по орбите летала.
Спасибо за статью, я видел новости, но Ваш анализ на высшем уровне.
Можно формализовать вопрос - о прогрессе в источниках питания. Например, топливных элементах. Там удельные энергоемкости как то больше литиевых батареек.. Например AlOX. Как то израильская фирма показывала Бараку Обаме концепт мирового перехода на картриджи где окисляется алюминий, а недавно в РФ показали дизайн с наноэлементами из алюминия. А удельная мощность FC у Хонды в авто 130 кВт с блока массой 50 кг, где сам блок это набор мембран плюс оригинальные решения повышения к.п.д.
Второй вопрос о моторах на 6 кВ. Таких много и это не сложно. Можно ли мотор из сабжа запитать высоким, в принципе? Правда трудно представить компактный источник высокого?
С алюминием главная подлянка, что это "БАТАРЕЙКА", а не аккумулятор, в смысле, она ОДНОРАЗОВАЯ. Как алюминий окислится - она отправляется на утилизацию, с восстановлением алюминия из оксида и повторного производства ещё одной батарейки. А как мы знаем, самое дорогое в добыче алюминия - это как раз электроэнергия, чтобы восстановить его из оксида в бокситах. Не знаю, может и ничего страшного, никто же от батареек не отказывался. Но несмотря на освоенное массовое производство, удельная стоимость кВт*ч у батареек - просто золотая... Какая-нибудь АА на 1,5 вольта и 1,5 А*ч (первое что выплюнуло в поисковике) содержит в себе 2,25 Вт*ч, а стоит 24 рубля за штуку. Т.е 10 рублей за Вт*ч, или 10 000 за кВт*ч (!!!)
В принципе, водородные топливные элементы есть, у них К.П.Д и энергоёмкость неплохие, может что и выгорит. Сам водород штука страшно неудобная, даже в сжиженном виде у него плотность примерно на порядок меньше, чем у воды, т.е огроменные бочки нужны. Вон у Шаттла как оно в разрезе было:
Насчёт напряжения - в двигателе оно довольно легко переделывается, по кр мере до тех самых 6 кВ. Я думаю, они выбрали пониже, чтобы инвертор упростить. На Ласточках и Сапсанах 3 кВ постоянного тока с контактного провода инвертор спокойно переваривает, а вот 25 кВ переменного уже не по зубам: сначала старый добрый понижающий трансформатор ставят.
Я помню шатловские FC на KOH (щелочные FC). Тут можно посмотреть обзор FC с удельными ТТХ (таблица 2,3), есть и другие обзоры
Там есть фото ячейки и понято, что идея брать кислород из воздуха хороша для авиамотора.
Еще пара тезисов.
Идеальный мотор должен быть холодным! Это создает технические противоречия. Ряд FC отличаются высокими температурами в зоне электродов, что создает неудобства.
Известны идеи хранения энергии на уровне возбужденных атомов/ионов и даже ядер. Там плотность энергии на 5 и даже 6 порядков превышает любые уже известные уровни, а мое имхо = дизайн такой энергокапсулы может быть похож на концепт DVD привода или HDD.
Другим словами, электротяга в авиации имеет блестящие перспективы. Веселое воображение может представить картинку, когда пилоты в экстремальной ситуации отрезают от планера куски алюминия и скармливают в топке утилизатора-генератора. А ТРИЗовские приемы развития воображения могут предложить инсталляции энергосистем в силовые наборы планера, ну так , для красоты повествования.
А вот еще красивый дизайн для алюминия. Просто залей воды!
https://archive.factordaily.com/log9-materials-aluminium-air-battery/
А вот красивая история Хонды - https://global.honda/innovation/FuelCell/Clarity-Fuel-Cell-engineer-talk.html
2000 Вт с блока массой 50 кг. Только хранение водорода на 100 кубов и 700 атм несколько тяжеловато.
А еще есть ориентир - 5 кг корпуса на 1 кг LH. Я как то считал, что для полета на 90 минут мотора на 100 кВт надо 6 кг LH и 24 кг LOX. Эти норма расхода примерно лучше щелочных KOH шаттла на 30-50%.
И тезис про алюминий - дешевый доступный ресурс, годный для энергоячеек, в принципе.
1. В железе уже много чего есть работающего, так что претензии автора к опытному образу, а точнее демонстратору технологий не совсем понятны.
Вот один из примеров того что уже имеется на рынке - H3X | Электрические авиационные двигатели :
Покажите- хоть что то близкое на ДВС по массе. Про КПД ДВС даже уже не пишу.
12 кВт/кг - это даже выше показателя для реактивных двигателей в авиации (обладают мощностью до 8 кВт/кг).
Причем технология уже масштабируется до двигателей мощностью 16.8 МВт (масса 1320 кг, уд. мощность - 12,7 кВт/кг).
2. Если рассматривать перспективные технологии - то разумеется надо было рассматривать разработки на основе оксидных сверхпроводников.
Которые сейчас активно ведутся, в том числе и в России.
Там параметры получаются намного интереснее - удельная мощность двигателя 20 кВт/кг , магнитная индукция в воздушном зазоре 2,5 Тл, КПД в 99,9%.
И средняя плотность тока достигает уже 25 А/мм2 (при 1 Тл и 77 К)
Источники:
Dissertatsiya-Tulinova-E.E..pdf (mai.ru)
Электросамолет на старте – Наука (kommersant.ru)
P.S. Причем прогресс заметный - если ещё в 2018-2019 годах на рынке были промышленные образцы с уд. мощностью в 5-8 кВт/кг и проектировались двигатели с показателями в 10-12 кВт/кг - то через 5лет - 12 кВт/кг уже выведен на рынок , а проектируют уже 20 кВт/кг. И это не предел указанных технологий.
Зачем автор рассказывает нам про 0,6 Тл и 13 А /мм2 как предел современных технологий - тайна сия велика есть.
Автор рассказывает про вполне конкретный проект, который на прошлой неделе рекламировали вовсю, сначала на IEEE Spectrum, затем перевели на русский на ixbt, поставив очень громкий заголовок: "Это действительно прорыв: создан крошечный двигатель мощностью 1 мегаватт" (заголовок на IEEE поскромнее будет).
Собственно, тот же вопрос и у меня возник, вот и написал подробнее, что они там предложили.
Про электродвигатели "вообще" писал чуть раньше: https://aftershock.news/?q=node/1114877 в том числе и о сверхпроводниках. Хотя с ними тоже народ отчасти выдаёт желаемое за действительное, дают торжественный заголовок: двигатель на высокотемпературных сверхпроводниках, тут же объясняют, что это значит хватает охлаждения жидким азотом, чтобы в них была сверхпроводимость. И в общем, не лгут. Забывают только сообщить одну маленькую деталь: при температуре жидкого азота эти обмотки теряют сверхпроводимость уже в поле 0,1 Тл, а вот чтобы что-то посильнее получить, надо их охладить куда сильнее, до жидкого водорода, -250 °C, или 23 кельвина, чтобы понимать масштаб бедствия. Ну хоть не жидкий гелий, и на том спасибо,
С ДВС напрямую сравнивать глупо, они не взаимозаменяемы. Сравнивать надо ДВС+топливная система (топливо в баках, насосы и пр) с электродвигателем+инвертор+аккумуляторы (или топливные элементы+топливо, или всё тот же ДВС с обвязкой и генератор), вот это будет честнее. Так-то вообще эти ваши электродвигатели фигня, вот ВАЛ - это крутейшее изобретение, очень лёгкое и КПД 100%!
Ссылку уже приводил в предыдущем сообщении.
Dissertatsiya-Tulinova-E.E..pdf (mai.ru)
Страница 42 диссертации - Рисунок 1.26 – Полевая зависимость при температуре 77 К.
Внезапно при температуре жидкого азота - и при 1 Тл - плотность тока 25 А/мм2 и ничего "не теряется".
Да и при 2 Тл лучшие образцы допускают ток в 25 А - или 12 А/мм2.
P.S. Надо пользоваться современными данными науки, а не пересказывать состояние дел 20 летней давности. ИМХО.
О том и речь, что ковыряться со сверхпроводниками, чтобы получить жалкие 1 Тл и 25 А/мм2 - это грустно. Если фразу в этой диссертации про 25 А/мм2 посмотреть в контексте, об этом и говорится, что это недопустимо низкие показатели. Вся идея сверхпроводниковых двигателей была в том, что можно начисто избавиться от сердечников, сразу сэкономив в массе, в потерях на вихревые токи и на гистерезис, потому как весь их смысл в создании сколько-нибудь приличного магнитного поля при использовании постоянных магнитов или медных обмоток возбуждения.А хочется ещё на земле закачать в сверхпроводящую обмотку возбуждения пару килоампер тока - и они продолжают там течь без затрат энергии, создавая несколько Тл (что также приятно: больше 2 Тл уже ни один сердечник не поможет, насытится, а нам и не надо). Понятно, в такой ситуации старые, "медные" плотности тока категорически не годятся, просто потому что такими токами мы такие поля при всём желании не создадим...
Именно поэтому в этом самолёте ВТСП охлаждают ВНЕЗАПНО до жидкого водорода.
Я ссылался на диссертации 2015 и 2016 года, это не 20-летняя давность отнюдь.
Страницы