В минувшее жаркое лето москвичи расхватывали кондиционеры, как горячие пирожки, особо не присматриваясь к характеристикам приборов. Собственно, самый дешёвый китайский агрегат ни по одному из важных для покупателя параметров не отличается от самого дорогого японского. За одним исключением: дорогостоящие модели работают бесшумно и не мешают спокойному сну своих обладателей. А всё дело в двигателе.
Другой пример: искушённый автолюбитель, безусловно, оценит качественный электроусилитель руля с как можно более плавным вращением двигателя. Он готов нести дополнительные расходы на энергопотребление, но подайте ему плавность вращения! А ведь чем мощнее двигатель, тем сильнее у него выражен «зубцовый эффект» (угловая неоднородность механического момента) и тем меньше плавность вращения. Вибрация, лязг, шум – это всё следствия зубцового эффекта.
За счёт чего создается этот эффект? Статоры (неподвижная часть электродвигателя, генерирующая магнитное поле – Ред.) для современных двигателей изготовляют из мелких кусочков материала – их намагничивают особым образом и спекают в единое целое. Между кусочками постоянных магнитов существует «мёртвая зона» с заметно более низкой намагниченностью – при прохождении ротором (вращающаяся часть электродвигателя – Ред.) этой границы в работе двигателя и происходит резкий скачок, как если бы колесо на дороге налетело на ухаб.
Для того чтобы «сгладить ухабы», необходимо создать более плавную доменную границу и таким образом избежать встряски на стыках между фрагментами. За счёт увеличения количества спеченных кусочков проблему не решить: вместе с этим возрастет и количество мёртвых зон. Но представим, что у нас есть материал, из которого можно формировать изделия какой угодно формы, с произвольной конфигурацией магнитных полюсов и любыми нужными магнитными свойствами, без «мёртвых зон» – тогда встрясок уже не будет. Созданием таких материалов занимаются учёные физического факультета МГУ и сотрудники компании «Валтар». Они же рассчитывают параметры магнитных систем и электродвигателей, собственно создавая общую теорию электродвигателей.
Какой магнит лучше?
«Современные постоянные магниты не отличаются высоким качеством и требуют специальной обработки перед использованием. Мы поставили перед собой цель – изготовить качественные редкоземельные магнитотвердые магнитопласты», – рассказывает старший научный сотрудник физического факультета МГУ Владимир Милов, который более тридцати лет занимается исследованием магнитных материалов.
Магнитопласты – это полимерные постоянные магниты. Они изготавливаются из смеси магнитного порошка с магнитотвердыми свойствами и связующего полимера. Грубо говоря, это пластмасса с магнитным порошком, способная работать как полноценный магнит.
В чём преимущества магнитопластов? Дело в том, что у большинства современных готовых магнитов из сплавов Al-Ni-Co (алюминий-никель-кобальт), ферритов или спеченных Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) невозможно изменить оси намагничивания – направления в материале, вдоль которых затраты энергии по его намагничиванию минимальны. Они задаются ещё до процесса спекания при высокой температуре. Если хоть сколько-нибудь сложную деталь – тот же статор – формировать из фрагментов с разнонаправленными осями (и, следовательно, разнородным намагничиванием) – на стыках этих участков непременно образуются «мёртвые зоны». Именно поэтому во многих моторах, генераторах и двигателях, изготовленных подобным образом, возникают краевые эффекты, в том числе зубцовый. Что же касается редкоземельных магнитопластов, то эти изотропные материалы можно намагнитить в разных направлениях, у них нет преимущественных осей намагничивания. Магнитопласты могут быть использованы при создании изделий любой сложной формы. Причём задавать им необходимые магнитные характеристики можно уже после изготовления. Всё это может гарантировать работу двигателей без «встрясок».
Для изготовления магнитопластов используют металлический порошок, полученный быстрой закалкой. Сначала материал получают в аморфном виде, а потом с помощью специальных термических обработок добиваются в нем роста чешуек-нанокристалликов размером в 30–40 нанометров. После этого порошок перемешивают с органическими веществам, способными к превращению в полимеры. В результате реакции полимеризации получают прочные магнитопласты, которые затем специально намагничивают. «Это достаточно сложная задача, наше ноу-хау», – подчеркивает Милов. Для этого требуются более сильные магнитные поля, чем у обычных магнитов, и дорогие соленоиды (катушки с проводником, генерирующие магнитное поле – Ред.) специальной конструкции. Несмотря на эти сложности, на основе магнитопластов учёные могут создавать многополюсные магниты или магниты со специальной формой магнитного поля. Причём и те, и другие меньше по весу в сравнении со спеченными магнитами, обладают высоким сопротивлением и устойчивостью к коррозии.
Чем отличается фен от электродвигателя?
Прогресс электротехники в конструировании двигателей малой мощности, как ни странно, оказался за последние десятилетия довольно незначительным. Существующие двигатели малой мощности характеризуются очень низкими электротехническими параметрами – более того, чем меньше мощность двигателя, тем они хуже.
«У серийно выпускаемых двигателей, которые устанавливаются на наши современные ракеты и спутники, характерные значения коэффициента полезного действия (КПД) не превышают 30–50 процентов. Собственно, отождествление стандартного электродвигателя с хорошо замаскированным феном было бы вполне справедливо.
Из тех 600 Ватт, которые он потребляет из электрической сети, только сорок процентов превращается в полезную работу, а остальное затрачивается на нагрев обмоток. Необходима очень высокая скорость двигателя, чтобы продуть через него достаточное количество воздуха. И при малейшей остановке он мгновенно раскаляется и выходит из строя. Причём при ближайшем рассмотрении у самого дешевого китайского инструмента и наиболее дорогого профессионального устройства окажутся одинаковые электротехнические характеристики двигателя, а качество будет определяться специальными ухищрениями – использованием термостойкой пластмассы и материалов, выдерживающих кратковременный нагрев», – объясняет Милов.
Электродвигатели делятся на два больших класса. У двигателей первого класса магнитное поле создает переменный электрический ток, а во втором случае используются постоянные магниты.
В настоящее время в лучших образцах электродвигателей малой мощности используются постоянные магниты из редкоземельных материалов, что позволяет существенно повысить энергосберегающие возможности механизма. Но у таких двигателей всё-таки есть и свои недостатки – большой вес и неспособность в достаточной мере концентрировать магнитное поле в рабочем объёме. Использование магнитопластов решает эти проблемы. На их основе учёные из МГУ создали вентильные двигатели разной мощности и низкооборотные электродвигатели с высоким моментом для электроусилителя руля без зубцового эффекта. Они рассчитали и изготовили опытные образцы двигателей с КПД около 85 процентов. По словам Милова, количество сэкономленной электроэнергии будет несущественным, но при равных тепловых потерях такой двигатель будет в три раза мощнее, со значительно большим вращающим моментом.
По сути, московские учёные создали основы серийного производства магнитных систем улучшенного качества, которые уже находят свое применение. Их можно найти в коллекторных и вентильных двигателях, в датчиках положения, вращения и ускорения, а также в качестве муфт, выдерживающих вакуум и высокое давление, используемых, например, в пищевой промышленности. Они используются в различных генераторах – от индивидуальных компактных (например, в фонариках и приборах ночного видения) до мощных генераторов сверхдолгих импульсов, в измерителях уровня жидкости и диагностических приборах, в сверхминиатюрных громкоговорителях, специальных динамических микрофонах и охранных системах сигнализации, в гибридных электродвигателях и… автомобилях ВАЗ.
Но на этом Милов и его сотрудники останавливаться не собираются. Разрабатывая более совершенные электродвигатели, учёные обнаружили, что как таковой теории электродвигателей всё ещё не существует, несмотря на обилие литературы по данному вопросу. Также ни в одной книге нельзя найти формулы расчёта момента электродвигателя или плавности его вращения. Поэтому ещё одно направление работы учёных – попытки создания хотя бы полуколичественной теории работы электродвигателей. «Мы активно этим занимаемся, привлекая ведущих математиков, а также аспирантов и студентов, пытаясь учесть многие характеристики двигателей – не только вращающий момент, но и шумы, равномерность вращения и скорость реакции. Однако эта работа ещё далека от завершения», – подытоживает Милов.
Работа учёных ведётся в рамках государственных контрактов (07.03.2007 г. № 02.516.11.6011 – «Повышение эффективности существующих и разработка новых электродвигателей и электрогенераторов на базе монолитных магнитных систем из редкоземельных магнитопластов» и 09.11.2009 г. № 02.526.11.6016 – «Разработка новых высокоэффективных электродвигателей на базе монолитных магнитных систем из редкоземельных магнитопластов и создание опытно-промышленного производства двигателей»).
