На автомобиле Тесла-в будущее

Аннотация. Статья посвящена рассмотрению и анализу существующих вариантов разработки электромобиля и описанию результатов проектирования авторской модели электродвигателя Тесла.
Ключевые слова: электрический двигатель, электродвигатель Тесла, электромобиль, качер. 

Ускоренные темпы экономического, социального и общественного развития являются причиной появления многих проблем, связанных с экологической обстановкой в мире, экономией ресурсов, поиском альтернативных источников энергии. В системе транспорта и перевозок весомая доля принадлежит автомобильному транспорту (до 80 % объёма перевозок грузов и до 70% перевозок пассажиров осуществляются на нем). Это актуализирует необходимость совершенствования автомобильного транспорта, в частности в сферах снижения себестоимости перевозок, сбережения энергоресурсов и сохранения окружающей среды. Кроме того, в начале 90-х годов XX века  в некоторых странах были приняты жесткие законы, ограничивающие выбросы в атмосферу. Это заставило ведущие автомобильные компании мира Toyota, Honda, Ford, General Motors заняться разработкой электромобилей. Еще одной причиной, способствовавшей развитию идеи создания электромобиля, стала необходимость решения проблемы рационального и бережного расходования энергетических ресурсов, и прежде всего невосполнимых, к числу которых относится жидкое топливо.

Электромобиль – это автомобиль, приводимый в движение не двигателем внутреннего сгорания, а одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов и т. п.).

            Главная заслуга в появлении электромобилей принадлежит сербскому ученому Николе Тесла. В настоящее время разработано достаточно большое количество вариантов электродвигателя, воссоздающих изобретение Тесла. Эти электродвигатели успешно конструируются и используются ведущими автомобильными производителями. Однако секрет того самого двигателя Тесла так и не разгадан полностью.

Общим принципом конструирования электромобилей является использование электрического двигателя (одного или нескольких) для преобразования электрической энергии в механическую. Существует два основных типа электродвигателей: первые работают на переменном токе, вторые – с использованием непосредственно получаемого от аккумуляторов постоянного тока. Двигатели переменного тока в сравнении с использующими постоянный, имеют более простую и надежную конструкцию, лучше подходят для использования в электромобилях, но требуют дополнительных преобразователей для получения переменного тока.

Оба типа двигателей в сравнении с ДВС имеют ряд преимуществ:

• более простую, надежную, компактную и ремонтопригодную конструкцию;
• более высокий коэффициент полезного действия;
• минимальное влияние на окружающую среду.

В традиционных электромобилях для передачи на колеса крутящего момента используется обычная автомобильная конструкция. В перспективных проектах электромобилей применяют более специфические системы, например, мотор-колеса (колесо и электродвигатель составляют единую конструкцию, индивидуальное управление колесами улучшает управляемость).

 Еще одним принципом работы электродвигателя является то, что основным источником энергии по-прежнему являются аккумуляторные батареи, претерпевшие значительные усовершенствования (в конструкции, в применении в них новых материалов и технологий). Однако следует констатировать, что требуется дальнейшая разработка новых накопителей электроэнергии и автономных преобразователей топлива в электрический ток. В качестве накопителей предполагается использование усовершенствованных ионисторов – конденсаторов очень большой емкости. В отличие от аккумуляторов, они могут заряжаться почти мгновенно и не боятся сверхтоков, возникающих при разгоне. Разработчики указывают, что пока ионисторы не имеют достаточно высокой емкости и могут использоваться лишь для подпитки аккумуляторов при разгоне. Топливные элементы позволяют вырабатывать необходимое количество электроэнергии непосредственно на борту автомобиля и в движении [3].

Принципом работы электродвигателя может также считаться использование в качестве источников топлива водорода и кислорода.

Крупные автомобилестроительные концерны разрабатывают электромобили, используя в качестве «донора» серийные модели, исключая из конструкции лишь двигатель внутреннего сгорания и топливную систему. Вместо бензинового или дизельного мотора устанавливается электродвигатель, который получает энергию для движения от аккумуляторных батарей большой емкости, расположенных под днищем автомобиля. Электромотор работает на переменном напряжении. Специальный инвертор преобразует высоковольтное электричество в переменный ток, подающийся на ротор, который в свою очередь приводит в действие оси автомобиля. Вместо коробки передач установлен 1-скоростной редуктор, позволяющий плавно ускорять и замедлять электромобиль. Трансмиссия не предполагает наличия задней передачи. Движение задним ходом осуществляется с помощью изменения вращения ротора электромотора. При замедлении электромотор, работающий как генератор, возвращает до 50% кинетической энергии, которая накапливается в аккумуляторных батареях [4, с. 232-233].

В качестве частного принципа работы электродвигателя выдвигается принцип подзарядки батарей, которая может осуществляться: 1) с помощью 3-х фазного зарядного устройства мощностью 200 вольт; 2) с помощью бытовой электросети (позволяет полностью зарядить автомобиль за 6 часов); 3) от зарядной станции, расположенной на дороге.

«Это – автомобиль–загадка, однажды продемонстрированный Николой Тесла, который мог бы похоронить все бензиновые двигатели навсегда», – так отзывались современники великого ученого о его изобретении – электромобиле, так отзываются о нем и сейчас. При поддержке компаний Pierce-Arrow Co. and General Electric в 1931 году, Тесла снял бензиновый двигатель с нового автомобиля фирмы «Pierce-Arrow» и заменил его электромотором переменного тока мощностью в 80 лошадиных сил, без каких бы то ни было традиционно известных внешних источников питания. В местном радиомагазине он купил 12 электронных ламп, провода, несколько резисторов и собрал их в коробочку длиной 60 см., шириной 30 см. и высотой 15 см. с двумя стержнями длиной 7,5 см., торчащих снаружи. Укрепив коробочку сзади за сиденьем водителя, он выдвинул стержни и сообщил: «Теперь у нас есть энергия». После этого он ездил на машине неделю, гоняя ее на скоростях до 150 км/ч. На машине стоял двигатель переменного тока, и не имелось никаких батарей [2].

Популярные в то время комментарии привлекали обвинения «в черной магии». Чувствительному гению не понравились скептические комментарии прессы. Он снял с машины таинственную коробочку, и возвратился в свою лабораторию в Нью-Йорке. Тайна его источника энергии умерла вместе с ним.

В настоящее время существует 2 основных гипотезы электродвигателя Тесла.

Гипотеза 1. Некоторые исследователи привлекают к объяснению работы электромобиля Тесла магнитное поле Земли, которое Тесла мог использовать в своем генераторе. Считается возможным, что используя схему высокочастотного высоковольтного переменного тока, Тесла настраивал ее в резонанс с колебаниями «пульса» Земли (≈ 7,5 герц). Но при этом частота колебаний в его схеме должна была быть как можно более высокой, оставаясь при этом кратной 7,5 герцам (между 7,5 и 7,8 герц). В этой гипотезе установлено, что в схеме электромобиля Тесла то, что принимают за приемник (черный ящик и два стержня за спиной у водителя), является передатчиком. Также используется 2 излучателя. Кроме электродвигателя на автомобиле должны были присутствовать аккумулятор и стартер. При включении стартера вместе с электродвигателем последний превращается в генератор, который питает 2 пульсирующих излучателя. Высокочастотные колебания излучателей поддерживают движение электродвигателя. Электродвигатель, таким образом, может одновременно являться и источником вращения колес автомобиля и генератором, питающим ВЧ излучатели. Ученые предполагают, что движущей силой электродвигателя Тесла являлся не электрический ток, какого бы происхождения он ни был, а резонансные высокочастотные колебания в среде – эфире, вызывающие в электродвигателе движущую силу [1, с. 35], не на атомарном уровне, а на уровне колебательного контура электродвигателя.

Таким образом, можно изобразить следующую концептуальную схему работы электродвигателя Тесла (см. рис. 1). 

Рис. 1. Схема работы электродвигателя Тесла

Гипотеза 2.

Академик Валерий Дудышев предложил следующую разгадку тайны электромобиля Тесла. Она заключается в получении электроэнергии непосредственно из обычного лампового триода-пентода в необычных режимах их работы. Необходимо лишь обеспечить взрывную электронную эмиссию с его катода. В итоге из лампового триода можно получить в электрическую нагрузку, присоединенную к нему параллельно огромное количество электроэнергии (с выходной мощностью источника 5–10 кВт). Взрывная электронная эмиссия (открытие академика Г. Месяца) достигается в триоде подачей на управляющую сетку триода серии коротких по длительности, но высоковольтных импульсов высокого напряжения. Она с поверхности катода приводит к образованию лавины электронов, ускоряемых управляющей сеткой и попадающих на анод триода.
В итоге – эта лавина электронов с анода поступает в электрическую нагрузку и через нее снова на анод триода. Так возникает и поддерживается электрический ток в цепи «триод-нагрузка».

Расчеты показывают, что обычный ламповый вакуумированный триод в таком режиме работы позволяет получить мощную электронную эмиссию в ламповом триоде и после некоторой доработки триода получить из обычного лампового триода бесплатную электроэнергию, причем при охлаждении катода и анода – с одной радиолампы до 10 кВт.

Проектирование модели электродвигателя Тесла  (авторская гипотеза)

Двигатель в соответствии с нашей авторской гипотезой состоит из 2 частей: 1. Питающая часть.  2. Электромотор.

              1. Известно, что Тесла мечтал передавать энергию на расстоянии, для этого он использовал прибор, который в наше время называется Катушкой Тесла. Позже в СССР русским ученым Бровиным, который пытался создать звуковой компас, случайно был изобретен прибор, названный самим изобретателем качером (качателем реактивностей). Бровин имеет патент на это название. Именно этот прибор и послужил питающей частью нашего электродвигателя.

         Качер представляет собой несложную схему, разница между ним и SGTC состоит в том, что в классической искровой катушке Тесла колебательный контур работал за счет искрового разрядника, в качере же Бровина вместо разрядника используется транзистор. При накоплении достаточного заряда в затворе транзистора (нами был использован полевой транзистор с изолированным затвором) он открывается и происходит пробой через транзистор и первичную обмотку; во вторичной обмотке возникает ток. Стоит заметить, что качер является автогенератором, то есть после первого импульса будет уже неважно, какой ток поступает на затвор, качер будет работать, даже если ток на затвор вообще не поступает.

1. При создании авторской модели электродвигателя Тесла был использован традиционный электромотор, состоящий из статора и ротора. Электромотор питается за счет энергии вторичной катушки, которая передается, как и мечтал Тесла, по воздуху. Всем известен устоявшийся стереотип – лампочка, горящая без проводов в руке Тесла. В данном случае вместо лампочки был взят электромотор, подключенный к диодному мосту с выпрямительным конденсатором. Катушка Тесла (или качер) была использована как устройство, изобретенное великим ученым и не нашедшее в современном мире никакого применения.

            В процессе проектирования авторской модели электродвигателя Тесла были использованы следующие компоненты:

В начале проектной и экспериментальной работы нами была разработана следующая схема электродвигателя Тесла (см. рис. 2)

 Рис. 2. Авторская модель электродвигателя Тесла 

Функциональность авторской модели электродвигателя оценивалась в соответствии со следующими критериями: напряжение, подаваемое на электросхему катушки Тесла; сопротивление резистора R1; количество витков первичной обмотки; количество витков вторичной обмотки; скорость автомобиля.

По результатам итогового среза опытный образец машинки развил скорость 8 см/с, что представляется нам достаточным.

Вывод: разработанная нами авторская модель электродвигателя Тесла является действующей, однако она может быть усовершенствована в аспекте увеличения расстояния между вторичной обмоткой и принимающей катушкой.  

Ссылки на источники

1. Исачкин А.Ф. «Электромобиль» Тесла // Энергетика и промышленность России. – № 1 (29). – 2003. – С. 18-24.
2. Никола Тесла. Рассекреченная история. Серия в 14 книгах. –М., Изд-во «Эксмо»: Яуза, 2010. – 256 с.
3. Ставров О.А. Перспективы создания эффективного электромобиля. – М.: Наука, 1984. – 88 с.
4. Электротехнический справочник: В 4 т. / Под общ. ред. В. Г. Герасимова, А. Ф. Дьякова, А. И. Попова. – 9-е, стереотипное. – М.: Издательство МЭИ, 2004. – Т. 4. Использование электрической энергии. – С. 526. – 696 с.