Elektromobilita Ultraľahký agregát pre elektrické lietanie - správa o inováciách
Vedci spoločnosti Siemens vyvinuli nový typ elektromotora, ktorý váži iba 50 kilogramov a dodáva nepretržitý elektrický výkon okolo 260 kilowattov - päťkrát viac ako porovnateľné pohony.
Niekedy možno technickú revolúciu zhrnúť veľmi stručne do jedného čísla. V tomto prípade to je: päť kilowattov na kilogram - to je „pomer výkonu k hmotnosti“ nového elektromotora z oddelenia elektrických lietadiel v spoločnosti Siemens Corporate Technology.
„S hmotnosťou 50 kilogramov poskytuje nepretržitú mechanickú energiu okolo 260 kilowattov,“ vysvetľuje Dr. Frank Anton, vedúci leteckého tímu. „Je to absolútny svetový rekord v tejto výkonnostnej triede: V priemysle je pomer výkonu a hmotnosti takto výkonných elektromotorov všeobecne nižší ako jeden kilowatt na kilogram a automobilový priemysel dosahuje v najlepšom prípade dobré 2 kilowatty na kilogram.“
Pre aplikácie, ktorými sa zaoberá tím spoločnosti Siemens, sú nevyhnutné špičkové pomery výkonu a hmotnosti - pretože ide o dlhodobý revolúciu v letectve. V roku 2011 poskytli vedci Franka Antona spolu so spoločnosťami Airbus Group a Diamond Aircraft svetovú premiéru, keď vzali do vzduchu prvé lietadlo s hybridným elektrickým pohonom.
Potom v roku 2013 toto lietadlo letelo s vylepšeným hnacím ústrojenstvom. V tom čase dosiahol elektromotor pomer výkonu a hmotnosti tesne pod 5 kilowattov na kilogram, čo bolo tiež predtým nedosiahnuteľné, ale dodával iba relatívne skromný 60 kilowattov nepretržitého výkonu - čo je v najlepšom prípade dostatočný výkon pre jednomotorové športové lietadlá.
Preto si Anton dal za cieľ vyvinúť ešte výkonnejšie motory s minimálnou hmotnosťou. To je presne predpoklad pre úplnú výmenu spaľovacích motorov alebo turbínových motorov v lietadlách alebo vrtuľníkoch v budúcnosti alebo ich kombináciu s elektrickým pohonom na vytvorenie hybridného systému.
Svetový rekord vďaka virtuálnej optimalizácii
Odborníci z divízie veľkých diskov a podnikovej technológie podrobili testu komponenty svetového rekordu, aby podrobili testu všetky komponenty predchádzajúcich motorov a optimalizovali ich na technický limit. Napríklad sa im podarilo viac ako polovičnú hmotnosť takzvaného koncového štítu: z 10,5 kilogramu na iba 4,9 kilogramu. Tento hliníkový komponent kombinuje ložiská elektromotora a vrtule, ktoré sú priamo spojené s motorom bez medzistupňa. „Toto je absolútne kritický komponent, na ktorý pôsobia veľmi veľké gyroskopické sily, keď je nos lietadla kývnutý hore alebo dole,“ vysvetľuje Anton. „Preto to bolo vždy dosť masívne a ťažké.“
Odborníci na ľahké konštrukcie spolu so svojimi kolegami z oblasti životného cyklu vyvinuli vlastný optimalizačný algoritmus na zefektívnenie ložiskového štítu a integrovali ho do programu NX Nastran CAE od spoločnosti Siemens. Rozloží komponent na viac ako 100 000 jednotlivých prvkov a simuluje sily na každú z týchto buniek. V priebehu mnohých optimalizačných slučiek potom softvér identifikuje tie prvky, ktoré sú sotva načítané, a preto sú postrádateľné. "Príroda stavia naše kosti podobným spôsobom," hovorí Anton. „Ich štruktúra sleduje línie napätia spôsobené vonkajšími silami. Tento iteračný proces vedie k technickým riešeniam, ktoré by inžinier teoreticky nikdy nemohol vymyslieť pri svojom stole. ““
Výsledkom optimalizácie je filigránová štruktúra podobná vzperám, ktorá napriek tomu spĺňa všetky bezpečnostné požiadavky na tuhosť a pevnosť v ohybe. Ale ani s tým neboli vývojári spokojní - teraz existuje prototyp nosnej dosky z plastov vystužených uhlíkovými vláknami, ktorá váži iba 2,3 kilogramu a teda váži menej ako štvrtinu klasického riešenia.
Vývojári tiež načreli hlboko do svojej tašky trikov pre elektromagnetický dizajn s cieľom znížiť hmotnosť na maximum. Kobaltové železo v statore zaisťuje vysokú zmagnetizovateľnosť v celom dynamickom rozsahu a permanentne budené magnety rotora majú takzvané Halbachovo usporiadanie: Sú usporiadané vedľa seba v štyroch rôznych orientáciách na jeden magnetický pól, takže magnetický tok je optimálne možný pri malom použití materiálu môže viesť a tým sa základná vlna indukcie vzduchovej medzery zväčšuje v porovnaní s konvenčnými usporiadaniami magnetov. Chladenie tiež významne prispieva k zníženiu hmotnosti.
„Z dôvodu vysokej hustoty prúdu bol obzvlášť dôležitý koncept inteligentného odpadového tepla,“ vysvetľuje Anton. „Spoliehame sa na priame chladenie potrubím, a tým prenášame dominantné straty medi priamo do elektricky nevodivej chladiacej kvapaliny, pre ktorú je možný napríklad silikónový olej alebo Galden.“
Pre všetky tieto optimalizačné kroky sú rozhodujúce znalosti odborníkov o procesoch v elektrických motoroch. „Existuje iba niekoľko spoločností, ktoré dokážu skombinovať podrobné pochopenie prevodníkov a motorov s desaťročnými skúsenosťami vo veľmi odlišných a niekedy veľmi drsných podmienkach. My v spoločnosti Siemens sme tiež presvedčení o elektrickom letectve a máme dostatok sily na vývoj nových pohonov, “hovorí Anton. Túto tému zameranú na budúcnosť teraz, samozrejme, objavili aj ďalšie spoločnosti - Anton však odhaduje, že náskok spoločnosti Siemens bude minimálne tri roky.
Cieľ výskumníkov: regionálne lietadlá s hybridným pohonom
V každom prípade sa z nového motora Siemens stal skutočný agregát, ktorý je športovým motorom aj pre štvormiestne vozidlo a už nie je príliš vzdialený požiadavkám, ktoré na ich pohon kladú regionálne lietadlá: 500 kilowattov až dva megawatty by stačilo na hrsť Preprava obchodných cestujúcich po celom Nemecku.
Takéto nové pohony by sa mohli ukázať ako skutočné požehnanie pre životné prostredie a obyvateľov letísk - pretože okrem hluku lietadiel by sa výrazne znížili aj emisie CO2 z leteckej dopravy. Aerolinkám by pomohla veľká úspora nákladov: „Viac ako 50 percent nákladov na životný cyklus lietadla predstavuje náklady na petrolej,“ počíta Anton. „Použitím hybridných elektrických pohonov by sa mohla znížiť spotreba paliva asi o 25 percent, takže celkové náklady na lietadlo by sa znížili asi o 12 percent.“
Pretože s hybridnými pohonmi, t. J. Inteligentnou kombináciou elektromotora a spaľovacieho motora, by mohli byť turbíny v budúcnosti dimenzované oveľa menšie a vždy by mali pracovať počas letu s optimálnou účinnosťou - dnes sú navrhnuté pre maximálny výkon, ale iba pri štarte a je potrebné pri lezení. Potom je 60 percent úplne postačujúcich.
„Pri hybridnom pohone s petrolejovým elektrickým pohonom by turbína neustále bežala pri optimálnom výkone a prostredníctvom generátora napájala elektromotor pre vrtuľu,“ vysvetľuje Anton. „Počas štartovacej fázy by potom ďalšia energia prichádzala z batérie.“
Spoločnosť Siemens spolupracuje s Airbusom na uskutočnení vízie elektrického lietania. Dohoda o spolupráci medzi spoločnosťami existuje od roku 2013: Siemens sa zameriava predovšetkým na nové elektrické hnacie ústrojenstvá, zatiaľ čo Airbus vyvíja nové koncepcie lietadiel. A prvé 60 až 100 miestne lietadlo s hybridným elektrickým pohonom by mohlo byť k dispozícii už v roku 2035 - ak sa inžinierom podarí vyvinúť ešte výkonnejšie elektromotory s čo najmenšou hmotnosťou.