Електромобільний надлегкий блок живлення для електричного польоту - звіт про інновації
Дослідники Siemens розробили новий тип електродвигуна, який важить всього 50 кілограмів і забезпечує близько 260 кіловат безперервної електричної потужності - в п'ять разів більше, ніж порівнянні приводи.
Іноді технічну революцію можна коротко підвести до одного числа. У даному випадку це: п’ять кіловат на кілограм - це „відношення потужності до ваги” нового електродвигуна від відділу електричних літаків корпорації Siemens.
"Вагою 50 кілограмів він забезпечує близько 260 кіловат безперервної механічної потужності", - пояснює д-р. Френк Антон, керівник авіаційної команди. "Це абсолютний світовий рекорд у цьому класі продуктивності: у промисловості відношення потужності до ваги таких потужних електродвигунів, як правило, менше одного кіловата на кілограм, а автомобільна промисловість у кращому випадку досягає 2 кіловат на кілограм".
Для програм, якими опікується команда Siemens, важливе значення мають найвищі співвідношення продуктивності та ваги - адже метою є революція в авіації в довгостроковій перспективі. У 2011 році дослідники Френка Антона разом з Airbus Group та Diamond Aircraft влаштували світову прем'єру, коли підняли в повітря перший літак з гібридним електроприводом.
Потім у 2013 році цей літак пролетів із вдосконаленим приводом. На той час електродвигун досяг співвідношення потужності до ваги трохи менше 5 кіловат на кілограм, що також було раніше недосяжним, але забезпечувало лише відносно скромні 60 кіловат безперервної потужності - це в кращому випадку достатньо потужності для одномоторних спортивних літаків.
Тому Антон поставив собі за мету розробити ще більш потужні двигуни з мінімальною вагою. Це саме передумова для повної заміни двигунів внутрішнього згоряння або турбінних двигунів у літаках або вертольотах у майбутньому або поєднання їх з електроприводом для формування гібридної системи.
Світовий рекорд завдяки віртуальній оптимізації
Для того, щоб реалізувати свій двигун світового рекорду, експерти підрозділу Large Drives та Corporate Technology випробували всі компоненти попередніх двигунів та оптимізували їх до технічних меж. Наприклад, їм вдалося більш ніж вдвічі зменшити вагу так званого торцевого щита: з 10,5 кілограма до всього 4,9 кілограма. Цей алюмінієвий компонент поєднує в собі підшипники електродвигуна та гвинта, який безпосередньо з'єднаний з двигуном без проміжної передачі. "Це абсолютно важливий компонент безпеки, на який діють дуже великі гіроскопічні сили, коли ніс літака кивається вгору або вниз", - пояснює Антон. "Ось чому воно завжди було досить масовим і важким".
Експерти з полегшеного будівництва разом із колегами по життєвому циклу продукту розробили власний алгоритм оптимізації для впорядкування торцевого щита та інтегрували його в програму NX Nastran CAE від Siemens. Він розбиває компонент на більш ніж 100 000 окремих елементів і моделює сили на кожну з цих клітин. Протягом багатьох циклів оптимізації програмне забезпечення потім визначає ті елементи, які ледь завантажуються і тому є необхідними. «Природа будує наші кістки подібним чином, - говорить Антон. «Їх структура йде по лініях напружень, спричинених зовнішніми силами. Цей ітераційний процес веде до технічних рішень, які інженер теоретично ніколи не міг би винайти за своїм робочим столом ".
Результатом оптимізації є філігранна конструкція, схожа на розпірку, яка, тим не менше, відповідає всім вимогам безпеки щодо жорсткості та міцності на вигин. Але навіть цим розробники не були задоволені - зараз існує прототип несучої пластини з армованих вуглецевими волокнами пластмас, яка важить лише 2,3 кілограма і, таким чином, важить менше чверті класичного рішення.
Розробники також глибоко заглибились у свій пакет хитрощів щодо електромагнітного дизайну, щоб максимально зменшити вагу. Кобальтове залізо в статорі забезпечує високу намагнічуваність у всьому динамічному діапазоні, а постійно збуджені магніти ротора мають так зване розташування Гальбаха: вони розташовані поруч один з одним у чотирьох різних орієнтаціях на магнітний полюс, так що магнітний потік є оптимальним при незначному використанні матеріалу може призвести і тим самим основна хвиля індукції повітряного зазору збільшується порівняно зі звичайними пристроями магнітів. Охолодження також робить значний внесок у зменшення ваги.
"Через високу щільність струму інтелектуальна концепція теплоти відходів була особливо важливою", - пояснює Антон. "Ми покладаємось на пряме охолодження лінії і, таким чином, переносимо домінуючі втрати міді безпосередньо на електрично непровідну охолоджуючу рідину, для чого може бути використано силіконове масло або Гальден".
Для всіх цих етапів оптимізації знання експертів про процеси в електродвигунах є вирішальним. “Є лише кілька компаній, які можуть поєднати детальне розуміння перетворювачів та двигунів із багаторічним досвідом роботи в дуже різних, а часом і дуже суворих умовах. Ми в Сіменсі також впевнені в електромобільній авіації і маємо достатньо сил для розробки нових приводів », - говорить Антон. Звичайно, інші компанії зараз також відкрили цю тему, орієнтовану на майбутнє - але Антон вважає, що провідна діяльність Siemens складає щонайменше три роки.
Мета дослідників: регіональний літак з гібридною силовою установкою
У будь-якому випадку, новий двигун Siemens став справжнім силовим агрегатом, який є спортивним двигуном навіть для чотиримісного автомобіля і вже не надто віддалений від вимог, які регіональні літаки ставлять до своїх рухів: 500 кіловат до двох мегават було б достатньо для купки Перевезення ділових мандрівників по Німеччині.
Такі нові накопичувачі можуть виявитись справжнім благословенням для навколишнього середовища та мешканців аеропортів - адже, крім шуму літаків, викиди CO2 від повітряного руху також значно зменшаться. А авіакомпанії виграють від значної економії витрат: "Більше 50 відсотків витрат на життєвий цикл літака припадають на витрати на гас", - підрахував Антон. "Використовуючи гібридні електроприводи, споживання палива можна зменшити приблизно на 25 відсотків, так що загальна вартість літака зменшиться приблизно на 12 відсотків".
Оскільки з гібридними приводами, тобто інтелектуальною комбінацією електродвигуна та двигуна внутрішнього згоряння, в майбутньому турбіни можуть мати розміри набагато менші та завжди працюватимуть з оптимальною ефективністю під час польоту - сьогодні вони розроблені для максимальної продуктивності, але лише при запуску та необхідний при сходженні. Після цього 60 відсотків цілком достатньо.
"За допомогою гасово-електричного гібридного приводу турбіна весь час працювала б з оптимальною потужністю і забезпечувала б електродвигун пропелера енергією через генератор", - пояснює Антон. "На етапі запуску додаткова енергія буде надходити від акумулятора".
Siemens співпрацює з Airbus, щоб здійснити бачення електричного польоту. З 2013 року між компаніями діє угода про співпрацю: Siemens передусім стосується нових електричних приводів, тоді як Airbus розробляє нові концепції літаків. А перші 60-100-місні літаки з гібридним електроприводом можуть бути доступні вже в 2035 році - якщо інженерам вдасться розробити ще більш потужні електродвигуни з мінімально можливою вагою.