Рекордные швейцарские обороты

Двигатель-миллионник выглядит довольно скромно. А составить представление о том, из чего он сделан, можно, рассматривая разобранный на части двигатель-предшественник с 500 тыс. оборотами в минуту

Один миллион сто тысяч оборотов в минуту — до такой скорости осенью 2008 года раскрутили ротор своего двигателя швейцарские инженеры под руководством профессора Йохана Колара из Федерального института технологии (Eldgenössische Technische Hochschule) в Цюрихе. Потом у двигателя расплавились подшипники. Так был побит поставленный теми же швейцарцами два года назад рекорд — 500 тыс. оборотов в минуту.

Мощность рекордного двигателя, правда, невелика — 100 Вт, а размер крошечный — несколько сантиметров. Предыдущей модели, той самой, с 500 тыс. оборотов, инженеры уже нашли применение: она станет поддерживать давление внутри экспериментального робота-самолета «Солнечный импульс». Этот робот, оснащенный лишь солнечной батареей, совершит кругосветное путешествие без посадок на высоте до 12 километров, поднимаясь днем повыше, а ночью спускаясь пониже. Здесь использовали как раз миниатюрность двигателя и его малый вес. Зачем еще могут быть нужны двигатели с такими огромными скоростями вращения?

Самое главное применение — сверление сверхмалых дырочек. Оказывается, в микроэлектронике есть серьезная проблема контактов: на многих микросхемах их сотни, размер же микросхем все время падает. Значит, и размер дырочек, в которые нужно вставлять контакты, тоже должен быть малым. Сейчас удается сверлить отверстия диаметром 75 мкм. Чтобы уменьшить его до 10 мкм, нужен либо дорогостоящий лазер, либо дрель с двигателем, способным обеспечить скорость миллион оборотов в минуту.

Малые дырочки другого типа сверлят в человеческих зубах. До сих пор высокую скорость вращения обеспечивают пневматические буры, скорость которых сложно регулировать. Помещающаяся в ладони дрель с миниатюрным электродвигателем, способным по желанию врача и ускоряться до 500 тыс. оборотов в секунду, и замедляться, сильно изменит представления стоматологов и их пациентов о борьбе с кариесом.

Следующее применение — автомобиль. Для экономии топлива и его полного сгорания нужно уменьшать размер двигателя и использовать турбонаддув. А чем меньше двигатель, тем

меньше и быстрее должна быть турбина, обеспечивающая этот наддув. Миниатюрный сверхскоростной двигатель турбины — незаменимая деталь автомобиля ближайшего будущего. Он же понадобится и в водородном топливном элементе, который все время надо проветривать.

Сверхскоростной двигатель позволяет создавать и миниатюрные газовые турбины. Они нужны не для движения, а для генерации электричества. А оно, в свою очередь, требуется для питания миниатюрных роботов, а также современного солдатского электрооборудования — всевозможных прицелов, передатчиков, навигаторов, кондиционеров и прочих полезных принадлежностей, суммарная мощность которых уже превысила 100 Вт. Микротурбина с 500 тыс. оборотов в минуту гораздо легче соответствующего комплекта батареек.

Ну и наконец, системы хранения энергии с использованием маховиков. Двигатель с 300 тыс. оборотов в минуту обеспечит мощность в 100 Вт —этого хватит для питания малого спутника на околоземной орбите.

Чтобы добиться рекордного миллиона оборотов в минуту, швейцарские инженеры применили максимум изобретательности, которая обеспечила кажущуюся простоту конструкции. Ротор их двигателя — намагниченный в поперечном направлении стержень диаметром 1,7 мм из сильного магнитного сплава SmCo₅. Для защиты от разрушения его поместили в оболочку из титана. Оптимальный внутренний диаметр статора из аморфного железа составил 5,3 мм. Удачная схема обмоток позволила обойтись без датчиков для контроля за смещениями ротора — эти данные получались автоматически. Зато управляющая и силовая электроника заставила авторов работы повозиться.

Сейчас в экспериментальном двигателе применены обычные подшипники. А в будущем планируется переход на комбинированный безопорный подвес. В начале движения это будет магнитный подвес, а затем к нему добавится аэродинамический. Оно и понятно: мало какие подшипники способны долго выдерживать столь гигантские скорости вращения.

Не надо думать, что планы швейцарцев ограничиваются маломощными двигателями. Они уже сделали двигатель киловаттной мощности с 500 тыс. оборотов в минуту. Диаметр его ротора побольше — с тонкую шариковую авторучку. Сейчас они конструируют киловаттный двигатель-миллионник. Не исключено, что такие мощные и в то же время миниатюрные двигатели при серийном производстве совершат революцию в машиностроении. Во всяком случае, малое предприятие для внедрения своих сверхдвигателей инженеры из Цюриха уже создали.

Подготовлено по материалам статьи «Mega-Speed Drive Systems: Pushing Beyond 1 Million RPM», любезно предоставленной Йоханом Коларом.