15.05.2024

Гиганты электрической мысли мерятся роторами и катушками

По сравнению с обычными электростанциями для EV, двигатели с аксиальным потоком меньше и легче, а также имеют больший крутящий момент. Но их трудно производить в промышленных масштабах. Теперь Mercedes выводит их в массы.

Бен Оливер

Автолюбители скорбят о превращении силовых установок в товар. Когда-то любители бензиновых автомобилей выбирали BMW за его рокочущую шестерку или Mercedes-AMG за его громогласный V8. Теперь многие полагают, что эта отличительная черта стремительно теряет свою актуальность. Электромобили могут обеспечить сумасшедшую, бесшумную тягу, но часто жалуются, что они в основном не отличаются друг от друга по характеру трансмиссии.

Автопроизводители тоже беспокоятся об этом. Инженерный гений все менее заметен в эпоху EV, поэтому они больше полагаются на дизайн, силу бренда и другие виды технологий, чтобы дифференцировать свои автомобили и удержать клиентов. Нет смысла пытаться превзойти конкурентов по мощности, когда самые быстрые Tesla и Lucid уже обладают гораздо большей мощностью, чем та, которую вы когда-либо сможете использовать на дорогах общего пользования. Больше - не значит лучше, когда у вас уже слишком много.

Но скоро снова появится выбор: между традиционными радиально-флюктуационными двигателями, которыми оснащались почти все EV до сих пор, и чем-то совершенно иным.

Двигатели с аксиальным потоком не гарантируют большей мощности, но они настолько легче и меньше, что, по мнению их сторонников, способны изменить почти все остальные ключевые показатели производительности EV и всю архитектуру автомобиля, спроектированного на их основе.

Благодаря установке двигателей с аксиальным потоком в колеса, места в кузове автомобиля, которые в настоящее время занимают двигатели, могут быть в значительной степени освобождены, освобождая пространство для размещения большего количества батарей, людей или вещей, и позволяя проявить тот вид дизайнерского изобилия, который EV давно обещали, но так и не смогли реализовать.

Что еще более важно, этот новый дизайн двигателя может помочь справиться с растущим общественным протестом против избыточного веса и дороговизны EV. Они могут снизить вес типичного EV примерно на 200 килограммов (440 фунтов) - наполовину за счет самих двигателей, а наполовину за счет эффекта компаундирования массы, который позволяет в результате снизить вес других систем, таких как батареи и тормоза.

Запуская массу в благотворную нисходящую спираль, автопроизводители смогут увеличить запас хода, снизить стоимость и, возможно, даже сохранить маневренную управляемость легких автомобилей, которая, как опасаются энтузиасты, может исчезнуть с внедрением EV.

Мощность потока

Принцип не нов. Впервые двигатель с аксиальным потоком был продемонстрирован Майклом Фарадеем в 1821 году, но за прошедшие два столетия никто так и не придумал, как обеспечить его надежное серийное производство.

Британский ученый Тим Вулмер, однако, любит сложные задачи. Он посвятил свою докторскую диссертацию в Оксфорде разработке оптимального двигателя для электромобиля. Он решил, что двигатель с аксиальным потоком будет более разумным, чем почти повсеместно распространенный и легко производимый в массовом порядке двигатель с радиальным потоком. Но мало того, что выбранная им конструкция почти 200 лет не выходила из лаборатории, на момент начала работы в 2005 году для нее просто не было рынка: EV1 от GM уже давно был снят с производства, а до появления Tesla Roadster оставалось еще три года.

В двигателе с аксиальным потоком «блин» статор (неподвижная часть электродвигателя) и роторы представляют собой диски, расположенные рядом друг с другом на расстоянии менее миллиметра. Поток проходит через статор аксиально или параллельно валу и действует на постоянные магниты в роторах с обеих сторон, вращая их.

В «сосисочной» конструкции знакомого двигателя с радиальным потоком цилиндрический ротор («сосиску») проходит через магнитный поток, который течет радиально вокруг медных обмоток статора («булочку»), и поворачивается под его действием.

Двигатели YASA с аксиальным потоком в виде «блина» могут снизить вес типичного электромобиля примерно на 200 кг. Фото: Mercedes-Benz AG

Преимущества двигателей с аксиальным потоком становятся очевидными, когда вы видите один из них на столе Тима. По диаметру он похож на стоящий рядом двигатель Tesla, но в этом случае его длина примерно на одну шестую меньше, вес на четверть меньше - 12 кг, а мощность на четверть больше - 250 лошадиных сил. Это изящное, продуманное инженерное решение, и благодаря ему двигатель Tesla выглядит как проект научной ярмарки с его беспорядочными, расточительными медными витками, вручную обвязанными кевларовой нитью, выпирающей из статора.

Другие преимущества менее заметны. Благодаря большой площади поверхности и тому, что горячие части не спрятаны в недрах двигателя за многочисленными тепловыми интерфейсами, двигатели с аксиальным потоком легче охлаждаются. Площадь поверхности для магнитного взаимодействия больше, а поскольку оно происходит в основном на периферии ротора большего диаметра, осевые двигатели, естественно, создают больший крутящий момент.

Но понять, как сделать его массовым, до Вульмера не удавалось никому. Через пять недель после защиты диссертации он решил эту проблему. В его конструкции не было тяжелого «ярма», которое служило основой для медных катушек статора в обычных конструкциях с аксиальным потоком, что позволило сэкономить около 80 процентов железа, сделать конструкцию еще тоньше и легче и освободить место для второго ротора на другой стороне статора, что снова увеличило крутящий момент.

Двигатели как драгоценность

Катушки Вульмера похожи на медные украшения, намотанные на треугольные секции вокруг сердечников из мягкого магнитного композита и искусно расположенные в статоре, как сегменты апельсина.

Он придумал, как охлаждать их непосредственно маслом, что невозможно в радиально-поточной конструкции, и позволил своей конструкции непрерывно работать на 90 % от пиковой мощности по сравнению с 70 % для радиального двигателя. При этом сохраняется постоянный зазор между статором и ротором, несмотря на огромные магнитные силы, действующие на них.

Вульмер основал компанию YASA в 2009 году, еще не защитив докторскую диссертацию, и теперь его переосмысление первых принципов Фарадея насчитывает более 150 патентов. Название компании может показаться экзотическим, но оно расшифровывается как «бездроссельная и сегнетоэлектрическая арматура» - ключевые инженерные принципы, которые по-прежнему лежат в основе его разработок. Первые годы работы YASA прошли в основном в "создании машин для создания машин", как говорит Вульмер, потому что ни один поставщик не мог создать инструменты для производства того, что еще никогда не производилось.

Но двигатели также прогрессировали, по крайней мере, на 20 процентов каждый год по всем важным показателям, утверждает Вулмер. Его первый прототип выдавал всего 20 киловатт и весил 20 кг. К 2012 году мощность возросла в восемь раз, и YASA начала поставлять прототипы, гоночные или очень малосерийные шоссейные автомобили, такие как Jaguar C-X75, Koenigsegg Regera и электрический рекордсмен скорости на трассе Lola-Drayson.

В 2019 году Ferrari SF90 стал первым серийным автомобилем, получившим двигатель YASA, за ним последовала модель 296GTB. Изящный агрегат SF90 обеспечивает гибридную передачу энергии на заднюю ось, идеально располагаясь между двигателем внутреннего сгорания и коробкой передач. Новый гибрид Revuelto от Lamborghini использует два двигателя на передней оси, чтобы обеспечить помощь своему V12. Сообщается, что McLaren тоже готов стать заказчиком.

Гибрид Revuelto от Lamborghini использует два мотора YASA на передней оси для помощи своему V12. Фото: Lamborghini Press

Аксиальная авиация

Вульмер также основал компанию Evolito для разработки двигателей с аксиальным потоком для электрических полетов, где они могут стать еще более революционными, чем в электромобилях. Три двигателя YASA привели в движение экспериментальный электросамолет Rolls-Royce Spirit of Aviation, который установил ряд рекордов скорости в 2021 году.

С тех пор компания Evolito вела переговоры с большинством крупных аэрокосмических компаний, но Вулмер не разглашает никаких подробностей. Физика и экономика здесь работают совсем по-другому: По словам Вулмера, авиационные клиенты готовы заплатить 10 000 евро (10 770 долларов) за экономию одного килограмма по сравнению с 10 евро у автопроизводителей, а эффект от уменьшения массы также выше: каждый килограмм, сокращенный из двигателя, позволяет сократить до восьми в других местах, что потенциально делает конструкцию EVTOL практически и коммерчески жизнеспособной.

Компания Evolito разрабатывает двигатели мощностью 50 киловатт на килограмм - «и у нас есть реальные шансы достичь этого» - то есть около 4 кг, что на треть меньше массы двигателя SF90 при той же мощности с использованием редких, дорогих, легких материалов.

Электросамолет Spirit of Aviation компании Rolls-Royce, оснащенный тремя двигателями YASA, установил рекорд скорости в 2021 году. Фото: Rolls Royce Press

Для дорожных автомобилей YASA планирует использовать двигатели мощностью около 300 л.с. и весом 7 кг, что меньше обычного тормозного диска и позволяет разместить двигатель в самом колесе без увеличения неподрессоренной массы, ухудшающей управляемость автомобиля.

Затем экономия веса начинает расти: никаких карданных валов, возможно, никакой коробки передач, а если закон будет изменен, то и обычных фрикционных тормозов - электромоторы будут так же эффективно сбрасывать скорость, как и создавать ее.

"Вы не увидите этого на дорогах в ближайшие годы, но сегодня это делается в лаборатории", - говорит Вульмер. Правительство Великобритании убеждено в этом и поддержало проект YASA по созданию двигателя в колесе, выделив 21,2 миллиона фунтов стерлингов (26,5 миллиона долларов) из своего Центра перспективных движителей в сентябре прошлого года и еще 7,7 миллиона фунтов стерлингов в марте.

"В автомобильной промышленности благодарят за экономию веса, но это не меняет ситуацию", - говорит Вульмер. "Но есть точка невозврата, когда двигатели становятся маленькими и легкими настолько, что вы можете начать размещать их рядом с колесами, освобождая все это пространство и приводя в движение новые архитектуры. Даже если бы наш двигатель был дороже, а я не утверждаю, что это так, я думаю, что его преимущества в компоновке будут настолько убедительным аргументом, что стоимость даже не будет рассматриваться".

Существуют и другие компании, пытающиеся коммерциализировать двигатели с аксиальным потоком для использования в электромобилях, но это сложный и дорогостоящий бизнес, и ни один из них еще не достиг производства или не был оснащен автомобилем. Британская компания Saietta, целью которой было производство доступных и легких двигателей с аксиальным потоком для использования в мотоциклах и мотодельтапланах, в марте закрылась. Другая компания, Magnax, базируется в Бельгии, но уже два года не публикует на своем сайте никаких новостей о развитии бизнеса.

И не все внимание, которое привлекает YASA, является положительным. «Люди напрямую пытались скопировать некоторые элементы технологии, и мы столкнулись с несколькими закулисными схватками», - говорит Вульмер. - «Но поскольку это такое неизученное направление, а мы пришли туда очень рано и упорно работали над технологией в течение 15 лет, у нас появилась действительно сильная и надежная интеллектуальная собственность. Традиционно проблемы рассматриваются как негативная вещь, но мы считаем, что если мы первыми столкнемся с проблемой, то, решив ее, мы получим охраняемую интеллектуальную собственность. Кто-то другой, кто придет, не сможет напрямую скопировать. Им придется пробираться через очень неприятные заросли патентов. И вообще, на этом рынке нет времени копировать кого-то, потому что если вы и создадите что-то подобное, то уже опоздаете на пять лет».

Модернизация от Mercedes

Однако защита этой интеллектуальной собственности теперь возложена на Mercedes-Benz. Компания хочет использовать технологии YASA для своей высокопроизводительной, полностью электрической платформы AMG.EA, на которой в конце следующего года появятся первые автомобили.

Хотя YASA может масштабировать производство двигателей для своих малосерийных суперкаров, создание их в шестизначных цифрах, необходимых Merc, могло бы разорить компанию. Поэтому Mercedes купил весь бизнес, за исключением Evolito, за нераскрытую сумму в 2021 году.

В прошлом году Merc продемонстрировал концепт Vision One Eleven с двигателями YASA, а сейчас строит завод в Берлине, чтобы производить двигатели для AMG в больших объемах и, возможно, сохранить часть отличительных особенностей, которые приверженность Merc к полной электрификации грозила уничтожить.

Концепт 2023 Vision One Eleven от Merc с двигателями YASA, которые компания разрабатывает серийно. Фото: Mercedes Press

«Именно по этой причине мы и купили компанию», - говорит генеральный директор Mercedes-Benz Ола Каллениус. - «С самого начала для AMG силовой агрегат всегда был отличительной чертой. Перенеситесь на 60 лет вперед, в эру электричества: Почему мы должны думать иначе? Вы снова возвращаетесь к готовому рецепту».

«Вы были в YASA. Посмотрите, насколько компактен этот агрегат. Это почти нелепо. Такого соотношения мощности и веса можно добиться только с помощью конструкции с аксиальным потоком. Соедините его с нашей высокоэффективной батареей, и вы вернетесь к оригинальному рецепту AMG, но с принципиально иными технологиями, которые, как я полагаю, будут актуальны для клиентов AMG. И они знают, что получают нечто такое, чего нет ни у кого другого».

Ну, никто, кроме покупателей Lamborghini, Ferrari и McLaren, хотя ассоциация с этими марками вряд ли повредит AMG, а их более экстремальные требования могут подтолкнуть к усовершенствованию технологии YASA, которая дойдет и до простых покупателей AMG.

Альтернативы

Но не всем нравятся технологии аксиального потока. Хотя с их удельной мощностью крутящего момента трудно поспорить, некоторые сомневаются в целесообразности перемещения двигателей в колеса, что может привести к увеличению неподрессоренных масс, дублированию вспомогательного оборудования и подвергнуть двигатели опасности повреждения.

Двигатели с радиальным потоком также быстро прогрессируют в дизайне и удельной мощности, и Aston Martin решил не следовать за своими конкурентами-суперкарами по пути аксиального потока, вместо этого предоставив Lucid долю в своем бизнесе в обмен на доступ к силовым установкам американской компании, которые, вероятно, теперь являются эталоном для технологий с радиальным потоком.

В разобранном виде двигатель Lucid представляет собой такое же прекрасное произведение инженерной мысли, как и YASA. Медные катушки поля формируются из одного отрезка проволоки и запрессовываются в статор на восемь глубин в ходе уникальных для Lucid процессов, избегая сотен вызывающих сопротивление сварных швов мотора Porsche и неаккуратных концевых обмоток Tesla.

При мощности 500 кВт с 31,4-килограммового двигателя, или 16 кВт на килограмм, устройство Lucid имеет более чем в два раза большую удельную мощность, чем двигатель Porsche, и более чем в два с половиной раза большую, чем даже двигатель Tesla «Raven» с ротором из углеродного волокна.

Усовершенствованные двигатели Lucid стали эталоном технологии радиального потока в EV. Фото: Lucid Press

Радиальные двигатели Rimac могут похвастаться аналогичными показателями, их мощность увеличивается благодаря способности вращаться со скоростью 24 000 оборотов в минуту, по сравнению с 15 000 шесть лет назад.

«Мы не хотим успокаиваться насчёт наших технологий», - говорит Вульмер. - «Радиальные машины значительно улучшились. Мы говорим о преимуществе в три к одному в удельном крутящем моменте, которое имеют осевые двигатели, но если бы мы стояли на месте последние пять лет, то это преимущество было бы гораздо более значительным».

Вице-президент Lucid по силовым агрегатам Эмад Длала признает, что аксиальные двигатели имеют свое место, но не считает, что Lucid будет их производить. «Конечно, в гибридных системах, где их размеры являются преимуществом, в авиации и, возможно, для таких брендов, как Ferrari, где стоимость менее важна», - говорит он. «Но как определить лучший электродвигатель? У нас уже есть конструкция, которая дает нам 500 кВт и более 200 миль/ч. Нам нужно сделать шаг назад и подумать о том, что нужно покупателю. Мы думаем, что это сделать EV более доступными, и я не думаю, что двигатели с аксиальным потоком могут быть рентабельными в сотнях тысяч или миллионах».

Мате Римак положительно отзывается о покупке Merc, но он также говорит, что будет придерживаться радиальных двигателей. «Наша текущая стратегия основана на радиально-реактивных двигателях, и по мере того, как мы выходим на более высокие объемы, мы видим преимущество в масштабируемости радиально-реактивных двигателей», - говорит он. - «У двигателей с аксиальным потоком тоже есть свои преимущества и области применения, но YASA, похоже, лучше всего позиционируется в этой области, так что мы не видим необходимости идти туда. Я считаю, что Mercedes сделал отличный ход, приобретя YASA. Эти двигатели дадут Mercedes-AMG конкурентное преимущество. Но гиперкары - это совсем другое зверьё. Им нужна еще большая мощность и крутящий момент, и здесь, на мой взгляд, радиально-флюктуационные двигатели занимают более выгодное положение».

Вульмер может с этим не согласиться. По его словам, в один прекрасный день двигатели YASA могут производить до 800 л.с., и хотя в настоящее время они не работают над тем, как производить их миллионами, эта идея находится на радаре.

Сейчас в Великобритании работает более 400 человек, и компания может производить до 70 000 высококлассных двигателей для суперкаров клиентов YASA на двух своих заводах вблизи Оксфорда, всего в нескольких минутах езды на электромобиле от того места, где у него впервые возникла идея.

Оставаться независимым и проворным в рамках машины Mercedes-Benz может оказаться еще одним вызовом, но Ола Каллениус говорит, что он намерен защищать YASA: особенно если это даст людям возможность покупать его автомобили, а не машины конкурентов.

«Это же мечта, верно?» - говорит Вулмер. - «Маленький Y на кузове AMG. Но мы также должны совершить шаг вперед в архитектуре автомобиля, и я надеюсь, что остальной мир согласится с нами и Mercedes-Benz, когда мы запустим эту идею в массовое производство».

Источник: wired.com