Електромобилност Свръхлек захранващ блок за електрическо летене - Доклад за иновациите
Изследователите на Siemens са разработили нов тип електрически мотор, който тежи само 50 килограма и доставя около 260 киловата непрекъсната електрическа мощност - пет пъти повече от сравнимите задвижвания.
Понякога техническата революция може да бъде обобщена съвсем накратко в едно число. В случая това е: пет киловата на килограм - това е „съотношението мощност към тегло“ на нов електрически мотор от отдела за електрически самолети на корпоративната технология на Siemens.
„С тегло от 50 килограма той осигурява около 260 киловата непрекъсната механична мощност“, обяснява д-р. Франк Антон, ръководител на екипа на самолета. "Това е абсолютен световен рекорд в този клас на производителност: В индустрията съотношението мощност/тегло на такива мощни електрически двигатели обикновено е по-малко от един киловат на килограм, а автомобилната индустрия постига добри 2 киловата на килограм в най-добрия случай."
За приложенията, обработвани от екипа на Siemens, са необходими най-добрите съотношения между производителност и тегло - защото става дума за революция в авиацията в дългосрочен план. През 2011 г. изследователите на Франк Антон, заедно с Airbus Group и Diamond Aircraft, осигуриха световна премиера, когато взеха във въздуха първия самолет с хибридно електрическо задвижване.
След това през 2013 г. този самолет лети с подобрено задвижване. По това време електрическият мотор постигна съотношение мощност/тегло от малко под 5 киловата на килограм, което също беше преди това недостижимо, но доставяше само относително скромни 60 киловата непрекъсната мощност - това е в най-добрия случай достатъчно мощност за едномоторни спортни самолети.
Затова Антон си е поставил за цел да разработи още по-мощни двигатели с минимално тегло. Това е точно предпоставката за пълна подмяна на двигатели с вътрешно горене или турбинни двигатели в самолети или хеликоптери в бъдеще или комбинирането им с електрическо задвижване, за да се образува хибридна система.
Световен рекорд благодарение на виртуалната оптимизация
За да реализират своя двигател със световен рекорд, експерти от подразделението Large Drives и от Corporate Technology подложиха на тест всички компоненти на предишните двигатели и ги оптимизираха до техническата граница. Например, те са успели повече от наполовина да намалят теглото на така наречения краен щит: от 10,5 килограма на само 4,9 килограма. Този алуминиев компонент съчетава лагерите на електродвигателя и витлото, което е директно свързано към двигателя без междинна предавка. „Това е абсолютно важен за безопасността компонент, на който се въздейства от много големи жироскопични сили, когато носът на самолета се кима нагоре или надолу“, обяснява Антон. "Ето защо тя винаги е била доста масивна и тежка."
Експертите по лека конструкция, заедно със своите колеги от жизнения цикъл на продукта, разработиха свой собствен алгоритъм за оптимизация, за да рационализират крайния щит и го интегрираха в програмата NX Nastran CAE от Siemens. Той разбива компонента на повече от 100 000 отделни елемента и симулира силите върху всяка от тези клетки. В хода на много оптимизационни цикли, софтуерът след това идентифицира онези елементи, които са едва натоварени и следователно са необходими. „Природата изгражда костите ни по подобен начин“, казва Антон. „Структурата им следва линиите на стрес, причинени от външни сили. Този итеративен процес води до технически решения, които един инженер теоретично никога не би могъл да измисли на бюрото си. "
Резултатът от оптимизацията е филигранна, подобна на опора конструкция, която въпреки това отговаря на всички изисквания за безопасност за твърдост и якост на огъване. Но дори и с това разработчиците не останаха доволни - сега има прототип на носеща плоча, изработена от армирани с въглеродни влакна пластмаси, която тежи едва 2,3 килограма и по този начин тежи по-малко от една четвърт от класическото решение.
Разработчиците също ровят дълбоко в торбата си с трикове за електромагнитния дизайн, за да намалят максимално теглото. Кобалтовото желязо в статора осигурява висока намагнитимост в целия динамичен диапазон, а трайно възбудените магнити на ротора имат така нареченото разположение на Халбах: Те са разположени един до друг в четири различни ориентации на магнитен полюс, така че магнитният поток е оптимално възможен с малко използване на материал може да доведе и по този начин основната вълна на индукцията на въздушната междина се увеличава в сравнение с конвенционалните устройства с магнити. Охлаждането също има значителен принос за намаляване на теглото.
„Поради високата плътност на тока, концепцията за интелигентна топлина на отпадъците беше особено важна“, обяснява Антон. "Разчитаме на директно охлаждане по линия и по този начин прехвърляме доминиращите медни загуби директно върху електрически непроводима охлаждаща течност, за която може да се използва силиконово масло или Galden, например."
За всички тези стъпки за оптимизация знанията на експертите за процесите в електродвигателите са от решаващо значение. „Има само няколко компании, които могат да съчетаят подробно разбиране на преобразувателите и двигателите с десетилетия опит в много различни и понякога много тежки условия. Ние от Siemens също сме убедени в електрическата авиация и имаме достатъчно постоянна мощност, за да разработим новите задвижвания “, казва Антон. Разбира се, и други компании вече са открили тази тема, ориентирана към бъдещето - но Антон смята, че преднината на Siemens е поне три години.
Целта на изследователите: регионални самолети с хибридно задвижване
Във всеки случай новият двигател на Siemens се превърна в истински силов агрегат, който е спортен двигател дори за четириместен и вече не е твърде отдалечен от изискванията, които регионалните самолети поставят върху тяхното задвижване: 500 киловата на два мегавата биха били достатъчни за шепа Транспортиране на бизнес пътници из Германия.
Такива нови задвижвания могат да се окажат истинска благословия за околната среда и жителите на летищата - защото освен шума от въздухоплавателните средства, емисиите на CO2 от въздушния трафик също биха намалели значително. Авиокомпаниите биха се възползвали от големи икономии на разходи: „Повече от 50 процента от разходите за жизнения цикъл на самолета отчитат разходите за керосина“, изчислява Антон. "Чрез използването на хибридни електрически задвижвания разходът на гориво може да бъде намален с около 25 процента, така че общите разходи за самолета да намалят с около 12 процента."
Тъй като при хибридни задвижвания, т.е. интелигентната комбинация от електродвигател и двигател с вътрешно горене, турбините могат да бъдат оразмерени много по-малки в бъдеще и винаги да работят с оптимална ефективност по време на полета - днес те са проектирани за максимална производителност, но само при стартиране и се изисква при катерене. След това 60 процента са напълно достатъчни.
„При керосин-електрическо хибридно задвижване турбината щеше да работи с оптимална мощност през цялото време и да захранва електродвигателя на витлото с енергия чрез генератор“, обяснява Антон. „По време на стартовата фаза допълнителна енергия ще идва от батерия.“
Siemens работи с Airbus, за да сбъдне визията за електрически полет. От 2013 г. има споразумение за сътрудничество между компаниите: Siemens се занимава предимно с нови електрически задвижващи влакове, докато Airbus разработва нови концепции за самолети. А първите самолети с 60 до 100 места с хибридно електрическо задвижване могат да бъдат налични още през 2035 г. - ако инженерите успеят да разработят още по-мощни електрически двигатели с възможно най-ниското тегло.