Исследование Роберта Сэнсона может проложить путь к производству электромобилей без редкоземельных магнитов. Подробности — к старту нашего флагманского курса по Data Science.
Роберт Сэнсон — прирождённый инженер. Изобретатель из Форт‐Пирса, Флорида, посчитал, что в свободное время завершил не менее 60 инженерных проектов: от аниматронных рук до скоростных беговых ботинок и картинга, который может развивать скорость более 112 километров в час. И ему всего 17.
Пару лет назад Сэнсон наткнулся на ролик о преимуществах и недостатках электромобилей. В видео объясняли, что для большинства двигателей электромобилей нужны магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, добыча которых может стоить дорого как с финансовой, так и с экологической точки зрения. Необходимые редкоземельные материалы могут стоить сотни долларов за килограмм. Для сравнения: медь стоит 7,83 доллара США за килограмм.
«Интерес к электродвигателям у меня врождённый, — рассказывает Сэнсон, который использовал их в различных проектах по робототехнике. — Я хотел разрешить проблему устойчивости и разработать другой двигатель».
Старшеклассник слышал о типе электродвигателя — синхронном реактивном двигателе, в котором эти редкоземельные материалы не используются. Этот тип двигателя используется для насосов и вентиляторов, но он недостаточно мощный для электромобиля. Сэнсон начал мозговой штурм, чтобы повысить его мощность.
За год Сэнсон создал прототип нового синхронного реактивного двигателя с крутящим моментом и эффективностью больше, чем у существующих двигателей. Прототип изготовлен из пластика, медных проводов и стального ротора и протестирован различными измерителями мощности. Скорость вращения двигателей определялась лазерным тахометром. В этом году работа принесла Сэнсону первую премию и $75 000 на Международной научно‐технической ярмарке Regeneron (ISEF) — крупнейшем [в США] конкурсе в науке, технологиях, инженерии и математике для старшеклассников.
Менее устойчивые двигатели на постоянных магнитах состоят из неодима, самария и диспрозия. Эти материалы используются во многих продуктах широкого потребления, включая наушники и наушники‐вкладыши, объясняет профессор электротехники и вычислительной техники в университете Мичигана Хит Хофманн. Хофманн много работал над электромобилями, в том числе консультировал Tesla в области разработки алгоритмов управления их силовым приводом.
«Кажется, количество приложений магнитов становится всё больше и больше, — говорит он. — Многие материалы добываются в Китае, поэтому цена часто может зависеть от нашего торгового статуса с Китаем». Хофманн добавляет, что Tesla в своих двигателях недавно начала использовать постоянные магниты.
Для вращения ротора электродвигатели задействуют вращающиеся электромагнитные поля. Эти электромагнитные поля создаёт статор — катушки проволоки в неподвижной внешней части двигателя. В двигателях с постоянными магнитами магниты, прикреплённые к краю вращающегося ротора, создают магнитное поле, которое притягивается к противоположным полюсам вращающегося поля. Это притяжение раскручивает ротор.
В синхронных реактивных двигателях магнитов нет. Стальной ротор с прорезанными в нём воздушными зазорами выравнивается с вращающимся магнитным полем. Ключ к такому выравниванию — магнитное сопротивление. Крутящий момент создаётся, когда ротор и магнитное поле вращаются вместе, а увеличивается, когда увеличивается разница в магнетизме материалов — здесь это сталь и немагнитный воздушный зазор.
Сэнсон решил, что вместо воздушных зазоров может включить в двигатель другое магнитное поле. Это увеличило бы соотношение предельной и наименьшей индуктивности и, в свою очередь, увеличило крутящий момент. В конструкции есть и другие компоненты, но изобретатель не может раскрыть больше: в будущем он надеется запатентовать технологию.
В тестах на крутящий момент и эффективность новый двигатель превзошёл традиционный синхронный реактивный двигатель аналогичной конструкции.
«Как только у меня появилась эта первоначальная идея, мне пришлось сделать несколько прототипов, чтобы проверить, будет ли эта конструкция работать на самом деле, — говорит Сэнсон. — У меня нет огромного количества ресурсов для создания очень продвинутых двигателей, поэтому мне пришлось сделать уменьшенную версию — модель в масштабе — с помощью 3D‐принтера».
Прежде чем он смог проверить конструкцию, потребовалось несколько прототипов.
«На самом деле у меня не было наставника, который мог бы мне помочь, поэтому каждый раз, когда двигатель выходил из строя, мне приходилось проводить массу исследований и пытаться устранять неполадки, — говорит он. — Но в итоге я смог получить работающий прототип на 15‐м двигателе».
Сэнсон проверил крутящий момент и эффективность своего двигателя, а затем — для сравнения — изменил его конфигурацию так, чтобы он работал как более традиционный синхронный реактивный двигатель. Он обнаружил, что при 300 оборотах в минуту его новая конструкция даёт крутящий момент больше на 39% и на 31% повышает эффективность.
При 750 об./мин эффективность увеличилась на 37%. Он не мог тестировать прототип при более высоких оборотах: пластиковые детали перегревались. Этот урок он усвоил на собственном горьком опыте, когда один из прототипов расплавился прямо на столе, рассказывает он подкасту Top of the Class.
Для сравнения: двигатель Tesla Model S может развивать скорость до 18 000 об./мин, объяснил главный конструктор двигателей компании Константинос Ласкарис в интервью 2016 года Кристиану Руоффу для журнала об электромобилях Charged.
Сэнсон подтвердил свои результаты во втором эксперименте, где «изолировал теоретический принцип, согласно которому новая конструкция создаёт явно выраженные магнитные полюса». По сути, этот эксперимент исключил все другие переменные и подтвердил, что улучшения крутящего момента и эффективности в его конструкции коррелируют с бо́льшим отношением предельной и наименьшей индуктивностей.
«Он определённо правильно смотрит на вещи, — говорит Хофманн о Сэнсоне. — Есть потенциал, это может стать следующей вехой». Однако он добавляет, что многие профессора работают над исследованиями всю свою жизнь, и «в конечном счёте они довольно редко завоёвывают мир».
Хофманн говорит, что материалы для синхронных реактивных двигателей недороги, но машины сложные и, как известно, производить их трудно. Таким образом, препятствие для их широкого применения и основное ограничение для изобретения Сэнсона — высокие производственные затраты.
Сэнсон соглашается с Хофманном, но говорит: «с новыми технологиями (например, 3D‐печатью), в будущем создать двигатель было бы проще».
Сейчас Сэнсон работает над расчётами и трёхмерным моделированием 16‐й версии своего двигателя, которую он планирует построить из более прочных материалов, чтобы протестировать её на более высоких оборотах. Если его двигатель продолжит работать с высокой скоростью и эффективностью, Сэнсон продвинется вперёд в процессе патентования.
Будучи старшеклассником Центральной средней школы Форт‐Пирса, Сэнсон мечтает поступить в Массачусетский технологический институт. Его выигрыш от ISEF пойдёт на оплату обучения в колледже.
Сэнсон говорит, что изначально не планировал участвовать в конкурсе. Но когда он узнал, что одно из его занятий позволило ему завершить годовой исследовательский проект и статью по выбранной им теме, то решил воспользоваться возможностью и продолжить работу над своим двигателем.
«Я подумал, если смогу вложить в это много энергии, то смогу также сделать это проектом научной выставки и участвовать с проектом в конкурсах», — объясняет он. После хороших результатов на районных и государственных соревнованиях он перешёл к ISEF.
Сэнсон ждёт следующего этапа испытаний, прежде чем обратиться к какой‐либо автомобильной компании, и даже надеется, что однажды его двигатель станет для электромобилей предпочтительным.
«Редкоземельные материалы в существующих электродвигателях — основная причина, подрывающая устойчивость электромобилей. — утверждает он. — Увидеть день, когда электромобили станут полностью устойчивыми благодаря помощи моей новой конструкции двигателя, — это было бы сбывшейся мечтой».
А мы поможем прокачать ваши навыки или с самого начала освоить профессию, актуальную в любое время:
