С возвращением электромобилей в 21 веке чуть ли не главной их “рекламной фишкой” стали новейшие электродвигатели с рекордными показателями, в десятки раз большей мощности на килограмм веса, чем раньше. Прямо революция!

Но откуда бы это революции взяться? Еще в лохматом 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! За прошедший срок электродвигатели были изучены вдоль и поперёк, и осталось лишь неторопливое эволюционное улучшение, битва за единицы процентов КПД, не более того. Большинство обычных общепромышленных асинхронных электродвигателей имеет коэффициент полезного действия 80-90% – то есть там даже теоретически почти что некуда расти.

Откуда же такой ажиотаж с “революционными электромоторами”?

Тут дело в том, что аккумуляторы особо не прорекламируешь, когда они занимают львиную долю веса и всё равно не могут похвастаться тем запасом хода, что даёт 50 литров бензина в обычном баке, 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. Для тех, кто не знает – аутраннер это электромотор, у которого вал ротора закреплен неподвижно, а вращается статор вокруг него. Собственно, по такой схеме устроены большинство обычных компьютерных вентиляторов:

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 Грета Тунберг и всех не спасла заклинанием How Dare You?

Если кратко, кое-​какие подвижки в электромоторах безусловно есть (те самые единицы-​десятки процентов), но изменилось в первую очередь ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ для их конструирования, причём в случае с электромобилями во многом произошло очковтирательство и маркетинг для олухов (маркетолухов) в чистом виде.

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. То есть значительная часть потребленной электроэнергии пойдет на нагрев самого электромотора. В предельных случаях это выглядит совсем дико:

По установленному на торпеде УСЭТ-80 двигателю ДП-31У самой точной характеристикой будет цитата из книги крупного отечественного специалиста Котова А.С. «Торпедные электрические двигатели достойны изумления» (издания КМПО «Гидроприбор» 2011 г.):

температура обмоток двигателя ДП-31У достигает в конце работы 600-700 С, а сталь полюсов в конце работы светится от нагрева… высокий нагрев ведет к значительному падению КПД двигателя во время хода торпеды, и к нагреву окружающих двигатель агрегатов, транзитных кабелей, а самое главное – к одноразовому боевому режиму работы двигателя.

Но в целом, 1,5..1,8 Тл вполне достигается в современных двигателях, и здесь ожидать каких-​то “чудес” от новых двигателей не приходится.

Теоретически, для производства трансформаторов давным-​давно начали делать сталь с анизотропными характеристиками (“силовые линии стремятся идти вдоль проката, а не поперёк”) – и это улучшает характеристики. Такой анизотропной лентой делают магнитопроводы тороидальных трансформаторов. Но как применить такую сталь в электромоторе – никто пока не придумал.

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 педофилы аудиофилы.

Бескислородную медь, ту самую М00, они тоже любят, звучит красиво. В смысле, фраза звучит красиво, а аппаратура с таким кабелем звучит так же, как с обычным.

Ещё серебро любят в высокочастотной технике, где из-за скин-​эффекта ток течёт только по поверхности, и тончайшее напыление серебром может заметно повысить характеристики, при этом стоит это не очень дорого. Но главный смысл серебрения в СВЧ технике – не в том, чтобы увеличить проводимость на 7%, это “копейки”. Главная цель – предотвратить образование плёнки из оксида меди, которая в СВЧ полях ведёт к дополнительным потерям, а при неравномерном образовании у нас вместо плоской проводящей поверхности получится не пойми что. Серебро более химически стойко.

Технология изготовления электротехнической меди, безусловно, менялась: раньше это было огневое рафинирование, сейчас впридачу применяют электрорафинирование, оно куда “точнее”, но вместе с вредными примесями оно извлекает из меди весьма полезные золото и серебро, чтобы выделить их в чистом виде и окупить весь процесс (электроэнергии оно жрёт знатно).

В общем, выжать что-то существенное из меди уже невозможно.

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”.

Ну как упёрлись – в СССР уже в конце 60-х научились делать электромоторы, раскаляющиеся до 600-700 С, при этом 600 градусов изоляция кое-как выдерживает. Другой вопрос, что такие моторы стоят как крыло от самолета как раз из-за чудовищно дорогой изоляции.

Вдобавок сопротивление любого металла с ростом температуры возрастает. При рабочих температурах двигателей с изоляцией класса F и H омическое сопротивление их обмоток повышается на 40% относительно комнатной температуры. Залезем ещё выше – будет еще больше. Этого в СССР не учли, поэтому форсированные электромоторы в торпедах работают отвратительно, фактически они не выдают заявленные параметры уже через минуту полного хода, а через несколько минут их мощность падает драматически.

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 почти исключительно 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 КПД: 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.

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, КПД 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 его использовать в самом движке, чем больше активных материалов при той же мощности – тем он будет эффективнее. Из экономических соображений для двигателей общего назначения часто выбирается “щадящий” режим: малая плотность тока, малая индукция.

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. Один товарищ попытался поставить такие моторчики на электровелосипед, 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 = BjVмеди,

где B – допустимая напряжённость магнитного поля (индукция), Тл,
j – допустимая плотность тока, А/м2,
Vмеди – 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.

Настоящая революция – это сверхпроводники. Вот там да, там можно скакнуть. Что и продемонстрировали электросамолеты на сверхпроводящих электромоторах. Но в них приходится наливать жидкий гелий, хе-хе. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), работающие при температуре жидкого азота, встречали с большим энтузиазмом, и сейчас даже что-​то начинает получаться, сверхпроводящие провода как будто бы уже могут местами составить конкуренцию обычным медным. Но они до сих пор очень “капризны” в отношении магнитных полей, поле в доли тесла может “разрушить” сверхпроводимость, или, по крайней мере, сильно снизить критический ток, который может через эти провода идти.

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. Поэтому стали так популярны высокооборотные электромоторы – в прости Господи ручных дрелях легко можно встретить мотор на 50.000 rpm, а в более компактных изделиях – и на 100.000 rpm. На таких скоростях коллекторы уже работают неудовлетворительно, поэтому только электронная коммутация обмоток, только хардкор.

По той же причине можно предпочесть “аутраннер”, двигатель, в котором ротор расположен ВОКРУГ статора. 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.

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.

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, имея в виду низкие обороты гидравлической турбины, 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:

https://youtu.be/MQV3D8F6gvw

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. (примерно 70 кВт) и с КПД 30% (т.е в тепло уходит 70% от энергии топлива, это в пределе выходит 163 кВт) он охлаждает асинхронный двигатель и инвертор к нему. И – о ужас, за 12 минут на полной дури оно всё доходит до ручки. То есть двигатель Теслы на мощности в 160 квт имеет КПД всего около 50%, ахахахаха.

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. 

Тарпеннинг и Эберхард

Мало кто о них знает, а это ведь настоящие отцы-​основатели “Теслы”, два инженера. А не шарлатан Илон Маск. Именно они поняли: сделать дешёвый массовый электромобиль, который бы заменил автомобиль на ДВС в большинстве применений – не получается, хоть ты тресни. А давайте тогда сделаем суперкар и будем его продавать местным калифорнийским богачам (может на заработанные деньги устроим масштабные изыскания и научимся всё-​таки делать машинки подешевле, но это не точно)!

Тут-​то они и заметили: способность электродвигателя кратковременно выдать огромную мощность здесь очень кстати. Её не удаётся использовать полезно в электричке (и прочем “классическом” электротранспорте), потому как её тяговооружённость около 10 кВт на тонну (как если бы в автомобиле стоял движок 14 л.с.). Даже если иметь возможность на 10 секунд повысить тягу вдвое, это ничего толком не даст, только лишние неудобства пассажирам, да пережжёный контактный провод. Но если мы изначально поднимаем тяговооружённость эдак до 160 кВт на тонну, так что весь разгон занимает несколько секунд, то “на халяву” можем улучшить динамику ещё в 2,5 раза, благо и литий-​ионные аккумуляторы позволяют выдать очень солидные разрядные токи!

Мне лично глубоко пофиг на калифорнийских богачей, но всё-​таки эти двое довели свою идею до ума. Ещё слоган у них был: Burns rubber, not gas – жжёт резину (покрышек, в смысле от резкого старта), а не бензин. Правда, в процессе у них немножко деньги закончились, нужны были инвестиции – тут-​то им и попался Элон Маск. Его тогда вышвырнули из компании, которая впоследствии станет называться PayPal. Но акции у него сохранились, большой пакет (спасибо отцу, владельцу изумрудных шахт в Африке, сынишку он хорошо пристроил), и в какой-​то момент потрясающе взлетели в цене. Вот на них-​то и была куплена Tesla Motors, а ещё короткое время спустя, когда все технические проблемы были решены – отцов-​основателей вышвырнули на улицу, и каким-​то непостижимым образом почти весь мир про них “забыл”.

Да, физику они не обманули. 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?

Неа, не хорошо. Для электрички разгон с тапком в пол – это нормальный ежедневный режим, она обычно и стартует 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!

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 же 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 10-20, 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 и КПД прекрасен!

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. Это да, что есть то есть.

Зато появились интересные разновидности двигателей, которые раньше если и существовали “на бумаге”, то упирались в сложности в запуске и регулировании, поэтому находили себе очень специфические ниши, а сейчас, при наличии тягового привода, можно из них получить “всё что нужно”. Это, например, 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.

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…