Электромотор с аксиальным потоком станет неотъемлемой частью суперкаров

Еще в 1889 году Николь Тесла запатентовал примитивный электрический мотор с аксиальным потоком. Прошло аж 126 лет, прежде чем эта идея попала в автомобиль, а именно в гибридный Koenigsegg Regera с мощностью 1500 лошадиных сил (1103 киловатт), стоимостью 1,9 миллиона долларов США, в 2015 году. Даже сегодня почти все электромобили и гибриды в мире полагаются на относительно неэффективные, но простые в производстве моторы с радиальным потоком.

Начинается новая революция в электрификации, и во главе стоит YASA 

Основанная в Великобритании Тимом Вулмером в 2009 году, компания выросла из его докторского проекта в Оксфорде, а ее новаторские моторы с аксиальным потоком питают гибридные суперкары от настоящих легенд автопрома: Ferrari, Lamborghini, McLaren и Koenigsegg. Среди них Ferrari 296 Speciale и Lamborghini Temerario

Благодаря компактной конструкции и превосходному соотношению мощности к массе, эти моторы устанавливают рекорды на суше, море и в воздухе. Самый быстрый электрический самолет в мире, Rolls-Royce Spirit of Innovation, оснащенный тремя моторами YASA для своего пропеллера, разогнался до рекордных 559,9 км/ч. Используя технологии из программы гонки Formula E, Jaguar с помощью моторов YASA установил морской электрический рекорд скорости 142,6 км/ч в английском Озерном крае в 2018 году (хотя этот рекорд впоследствии превзошли)

Заявленная плотность мощности в три раза превышает лучшие показатели Tesla 

В августе моторы YASA помогли прототипу Mercedes-AMG GT XX установить десятки рекордов выносливости для электромобилей. Кружа итальянским треком Нардо на постоянной скорости 300 км/ч, этот Mercedes с мощностью около 1000 киловатт (1360 лошадиных сил) проезжал примерно 5300 километров в день. За 7,5 дней он преодолел 40 075 км, ровно столько, сколько составляет окружность Земли. Это время включало остановки для зарядки на 850 киловатт

Mercedes купил YASA полностью в 2021 году. Корпоративный отец Mercedes Daimler переоборудовает завод в Берлине, чтобы производить до 100 000 моторов YASA в год, для следующего логического шага: моторы впервые будут питать массовые электромобили, в частности от AMG, мощного подразделения Mercedes с высокопроизводительными моделями

Компания недавно представила свой новейший мотор, и его характеристики поражают: прототип с аксиальным потоком генерирует пиковую мощность 750 киловатт или 1005 лошадиных сил, как показал тест на динамометре. Мотор может выдавать стабильно 350-400 киловатт (469-536 лошадиных сил). При этом вся единица весит всего 12,7 килограмма. Вулмер утверждает, что плотность мощности 59 киловатт на килограмм является неофициальным мировым рекордом для электрического мотора, примерно втрое выше ведущих радиальных конструкций, включая Tesla

“И это не просто идея на экране – мотор уже работает на динамометрах”, говорит Вулмер. «Мы создали электрический мотор, значительно мощнее предыдущего, и все это с материалами и процессами, которые легко масштабировать»

Саймон Одлинг, руководитель новых технологий YASA, объясняет технические нюансы.

Обычные моторы с радиальным потоком напоминают форму сосиски в тесте. Вращающийся ротор расположен внутри неподвижного статора. Линии магнитного потока ориентированы радиально, перпендикулярно центральному валу мотора. Эти линии потока отражают взаимодействие магнитных полей постоянных магнитов в роторе и электромагнитов в статоре. Именно это взаимодействие создает крутящий момент

Конструкция с аксиальным потоком больше похожа на блинчик. В конфигурации YASA пара гораздо больших роторов расположена с обеих сторон статора, и все три элемента имеют примерно одинаковый диаметр. Магнитный поток ориентирован аксиально, параллельно валу. Поскольку крутящий момент пропорционален квадрату диаметра ротора, конструкция с аксиальным потоком может генерировать гораздо больше крутящего момента, чем подобный радиальный агрегат. Двойные роторы с постоянными магнитами удваивают ключевые компоненты для создания крутящего момента и обеспечивают короткий магнитный путь, что повышает эффективность за счет уменьшения потерь в магнитном поле

Одлинг отмечает, что моторы компании весят примерно треть от подобных радиальных машин и более короткие, с интересными преимуществами для компоновки автомобиля и уменьшения массы. “Мотор идеально вписывается между двигателем и коробкой передач в гибридной системе, или создает очень компактный привод для электромобиля”, говорит Одлинг. Такая конфигурация также отлично подходит для колесных моторов, так как плоская форма легко умещается в ширину автомобильных или даже мотоциклетных колес

YASA также подчеркивает экономию массы. Каскадные преимущества в архитектуре автомобиля могут устранить не менее 200 килограммов из современных электромобилей, утверждает компания, примерно половину из самих моторов, а остальные из меньших аккумуляторов, тормозов и более легких опорных структур

Секретный соус YASA – мягкий магнитный композит 

Название компании дает еще одну подсказку по поводу ее технического преимущества: YASA расшифровывается как «Архитектура без ига и сегментированная» (Yokeless and Segmented Architecture). Моторы лишены тяжелого железного или стального ига, структурного и магнитного основания для медных катушек в обычном статоре. Вместо этого используется мягкий магнитный композит (SMC) – материал с очень высокой магнитной проницаемостью. Это свойство делает материал эффективным проводником магнитного потока и его применяют для концентрации и направления поля в моторе. В типичном случае катушки статора обернуты вокруг структур с SMC

Вулмер начал изучать SMC в середине 2000-х, когда еще не было потенциальных клиентов для его моторов: первая Tesla Roadster появилась на дорогах только в 2008 году, а поставщики и инструменты для таких моторов тогда не существовали. Ранние конструкции Вулмера с аксиальным потоком наконец-то попали в Jaguar C-X75 в 2010 году, концепт, который отменили перед производством. К 2019 году Ferrari интегрировала один из моторов Вулмера в свой первый гибрид SF90

SMC стал ключевой инновацией, потому что моторы с аксиальным потоком нельзя производить из стековых стальных ламинаций, как радиальные. Вулмер разделил статор на отдельные «полюсные элементы» SMC, которые формируют под давлением в различные 3D-формы. Такая гибкость значительно уменьшает массу и потери вихревых токов, а также облегчает охлаждение. Там, где обычный мотор может иметь 30 килограммов железа, подобная конструкция YASA требует всего 5 килограммов для той же мощности и крутящего момента

Статоры YASA также включают в себя плоские медные обмотки с прямым масляным охлаждением, говорит Одлинг, без «спрятанной меди», до которой масло не добирается. Это значительно улучшает тепловые характеристики и восстановление в напряженных условиях, что может стать настоящим благом для высокопроизводительных электромобилей

YASA проецирует и разрабатывает свои моторы в Оксфордском центре инноваций. В мае компания открыла новую “суперфабрику” аксиальных моторов в соседнем Ярнтоне с мощностью более 25 000 моторов в год. Компания также обязана Британскому центру передовых движущих систем (APC) как ключевому элементу своего роста. Сотрудничество между правительством Великобритании, промышленностью и академией ускоряет развитие транспортных средств с нулевыми выбросами для достижения целей Net Zero

YASA планирует обнародовать больше деталей о своем новейшем прототипе мотора в декабре. Руководители компании уверяют, что мотор готов для клиентов, без экзотических материалов или производственных техник