Електромобилност Ултралесен пакет за напојување за електрично летање - Извештај за иновации
Истражувачите на Сименс развија нов вид електричен мотор кој тежи само 50 килограми и испорачува околу 260 киловати континуирана електрична енергија - пет пати повеќе од споредливите погони.
Понекогаш техничката револуција може да се сумира многу кратко во еден број. Во овој случај тоа е: пет киловати на килограм - тоа е „односот моќност и тежина“ на нов електричен мотор од одделот за електрични авиони на корпоративната технологија на Сименс.
„Со тежина од 50 килограми, тој обезбедува околу 260 киловати континуирана механичка моќ“, објаснува др. Френк Антон, шеф на тимот на авиони. „Ова е апсолутен светски рекорд во оваа класа на изведба: Во индустријата, односот моќ-тежина на таквите моќни електрични мотори генерално е помал од еден киловат на килограм, а автомобилската индустрија во најдобар случај постигнува добри 2 киловати по килограм.
За апликациите што ги обработува тимот на Сименс, врвните стапки на перформанси-тежина се неопходни - бидејќи станува збор за револуција во авијацијата на долг рок. Во 2011 година, истражувачите на Френк Антон, заедно со групацијата Ербас и Дијамант авион, обезбедија светска премиера кога го зедоа првиот авион со хибриден електричен погон во воздухот.
Потоа, во 2013 година овој авион леташе со подобрен возен воз. Во тоа време, електричниот мотор постигна сооднос моќ-тежина од нешто помалку од 5 киловати на килограм, што исто така беше неспоредливо до денес, но само испорачуваше релативно скромни 60 киловати континуиран излез - тоа е во најдобар случај доволно моќ за спортски авион со еден мотор.
Затоа Антон си постави цел да развива уште помоќни мотори со минимална тежина. Ова е прецизно предуслов за целосно заменување на мотори со внатрешно согорување или мотори на турбини во авиони или хеликоптери во иднина или нивно комбинирање со електричен погон за формирање хибриден систем.
Светски рекорд благодарение на виртуелната оптимизација
Со цел да се реализира нивниот мотор со светски рекорди, експертите од одделот Large Drives и Corporate Technology ги ставија на тест сите компоненти на претходните мотори и ги оптимизираа до техничката граница. На пример, тие успеаја повеќе од преполовување на тежината на таканаречениот краен штит: од 10,5 килограми на само 4,9 килограми. Оваа алуминиумска компонента ги комбинира лежиштата на електричниот мотор и пропелерот, кој е директно поврзан со моторот без средна брзина. „Ова е апсолутно критична компонента, врз која дејствуваат многу големи жироскопски сили кога носот на авионот е климав нагоре или надолу“, објаснува Антон. „Затоа отсекогаш бил доста масивен и тежок“.
Лесните градежни експерти, заедно со нивните колеги од циклусот на живот на производи, развија сопствен алгоритам за оптимизација за да го насочат штитот на лежиштето и да го интегрираат во програмата NX Nastran CAE од Сименс. Тој ја разложува компонентата во повеќе од 100.000 одделни елементи и ги симулира силите на секоја од овие ќелии. Во текот на многу оптимизирани јамки, софтверот потоа ги идентификува оние елементи што се едвај натоварени и затоа се издаваат. „Природата ги гради нашите коски на сличен начин“, вели Антон. „Нивната структура ги следи линиите на стрес предизвикани од надворешните сили. Овој повторлив процес доведува до технички решенија што инженер никогаш не можел теоретски да ги измисли на своето биро “.
Резултатот од оптимизацијата е филигранска структура налик на струг, која сепак ги исполнува сите безбедносни барања за цврстина на флексија и цврстина. Но, дури и со тоа, програмерите не беа задоволни - сега постои прототип на плочка за лежишта изработена од армирано-пластични јаглеродни влакна, која тежи само 2,3 килограми и со тоа тежи помалку од една четвртина од класичното решение.
Програмерите, исто така, копаа длабоко во нивната торба со трикови за електромагнетниот дизајн со цел да ја намалат тежината што е можно повеќе. Кобалтното железо во статорот обезбедува голема магнетибилност во текот на целиот динамички опсег, а трајно возбудените магнети на роторот имаат таканаречен аранжман Халбах: Тие се распоредени една до друга во четири различни ориентации по магнетски пол, така што магнетниот тек е оптимално возможен со мала употреба на материјал може да доведе и со тоа основниот бран на индукција на воздушниот јаз е зголемен во споредба со конвенционалните аранжмани за магнет. Ладењето, исто така, дава значителен придонес во намалувањето на тежината.
„Поради големата густина на струја, интелегентниот концепт на отпадна топлина беше особено важен“, објаснува Антон. „Ние се потпираме на директно ладење и со тоа ги пренесуваме доминантните загуби на бакар директно во електрично непроводлива течност за ладење, за што е можно силиконско масло или Галден, на пример.
За сите овие чекори за оптимизација, клучното е познавање на експертите за процесите во електричните мотори. „Постојат само неколку компании кои можат да комбинираат детално разбирање на конвертерите и моторите со децениско искуство во многу различни, а понекогаш и многу сурови средини. Ние во Сименс сме убедени и во електричната авијација и имаме доволно моќ да ги развиеме новите погони “, вели Антон. Се разбира, други компании сега исто така ја открија оваа тема ориентирана кон иднината - но Антон проценува дека водството на Сименс е најмалку три години.
Целта на истражувачите: регионални авиони со хибриден погон
Во секој случај, новиот мотор на Сименс стана вистинска централа, што е спортски мотор дури и за четворосед и повеќе не е далеку од барањата што регионалните авиони ги поставуваат на нивниот погон: 500 киловати до два мегавати би биле доволни за неколку Превоз на деловни патници низ Германија.
Ваквите нови погони може да се покажат како вистински благослов за животната средина и жителите на аеродромите - бидејќи покрај бучавата во авионите, емисиите на СО2 од воздушниот сообраќај исто така значително би се намалиле. А авиокомпаниите би имале голема корист од голема заштеда на трошоците: „Повеќе од 50 проценти од трошоците за животниот циклус на авионот ги чинат трошоците за керозин“, смета Антон. „Со користење на хибридни електрични погони, потрошувачката на гориво може да се намали за околу 25 проценти, така што вкупните трошоци на авионите ќе се намалат за околу 12 проценти.
Бидејќи со хибридни погони, т.е. интелигентна комбинација на електричен мотор и мотор на согорување, турбините може да бидат многу помали димензионирани во иднина и секогаш да работат со оптимална ефикасност за време на летот - денес тие се дизајнирани за максимални перформанси, но само при стартување и е потребно при качување. После тоа, 60 проценти се целосно доволни.
„Со керозин-електричен хибриден погон, турбината ќе работи со оптимална моќ цело време и ќе го снабдува електричниот мотор за пропелерот со енергија преку генератор“, објаснува Антон. „За време на почетната фаза, дополнителна енергија тогаш ќе доаѓаше од батеријата“.
Сименс работи со Ербас за да се оствари визијата за електрично летање. Има договор за соработка меѓу компаниите од 2013 година: Сименс првенствено се занимава со нови електрични погонски возови, додека Ербас развива нови концепти на авиони. И првиот авион од 60 до 100 седишта со хибриден електричен погон може да биде достапен веќе во 2035 година - ако инженерите успеат да развијат уште помоќни електромотори со најмала можна тежина.