Electromobilitate Puterea ultraligeră pentru zborul electric - Raportul inovațiilor
Cercetătorii Siemens au dezvoltat un nou tip de motor electric care cântărește doar 50 de kilograme și furnizează aproximativ 260 kilowați de energie electrică continuă - de cinci ori mai mult decât unitățile comparabile.
Uneori, o revoluție tehnică poate fi rezumată foarte scurt într-un singur număr. În acest caz este: cinci kilowați pe kilogram - acesta este „raportul putere/greutate” al unui nou motor electric de la departamentul de aeronave electrice de la Siemens Corporate Technology.
„Cu o greutate de 50 de kilograme, oferă aproximativ 260 de kilowați de putere mecanică continuă”, explică Dr. Frank Anton, șeful echipei de aeronave. „Acesta este un record mondial absolut în această clasă de performanță: în industrie, raportul putere-greutate al unor astfel de motoare electrice puternice este, în general, mai mic de un kilowatt pe kilogram, iar industria auto realizează cel puțin 2 kilowatti pe kilogram în cel mai bun caz.”
Pentru aplicațiile gestionate de echipa Siemens, sunt esențiale rapoartele performanță-greutate - pentru că este vorba de revoluționarea aviației pe termen lung. În 2011, cercetătorii lui Frank Anton, împreună cu Airbus Group și Diamond Aircraft, au oferit o premieră mondială atunci când au luat primul avion cu o transmisie electrică hibridă în aer.
Apoi, în 2013, acest avion a zburat cu un motor propulsor îmbunătățit. În acel moment, motorul electric a obținut un raport putere-greutate de puțin sub 5 kilowați pe kilogram, care, de asemenea, nu putea fi atins anterior, dar a furnizat doar un relativ modest 60 de kilowați de ieșire continuă - care este cel mai bine puterea suficientă pentru avioanele sportive cu un singur motor.
De aceea, Anton și-a propus să dezvolte motoare și mai puternice, cu o greutate minimă. Aceasta este tocmai condiția prealabilă pentru înlocuirea completă a motoarelor cu ardere internă sau a motoarelor cu turbină din avioane sau elicoptere în viitor sau combinarea acestora cu o transmisie electrică pentru a forma un sistem hibrid.
Record mondial datorită optimizării virtuale
Pentru a-și realiza motorul de record mondial, experții din divizia Large Drives și Corporate Technology au pus la încercare toate componentele motoarelor anterioare și le-au optimizat la limita tehnică. De exemplu, au reușit să înjumătățească mai mult decât înjumătățirea așa-numitului scut final: de la 10,5 kilograme la doar 4,9 kilograme. Această componentă din aluminiu combină rulmenții motorului electric și a elicei, care este conectat direct la motor fără un angrenaj intermediar. „Aceasta este o componentă absolut sigură, care este acționată de forțe giroscopice foarte mari atunci când nasul avionului este încuviințat în sus sau în jos”, explică Anton. "De aceea a fost întotdeauna destul de masiv și greu."
Experții în construcții ușoare, împreună cu colegii lor din ciclul de viață al produselor, și-au dezvoltat propriul algoritm de optimizare pentru a eficientiza scutul final și l-au integrat în programul NX Nastran CAE de la Siemens. El descompune componenta în mai mult de 100.000 de elemente individuale și simulează forțele pe fiecare dintre aceste celule. Pe parcursul multor bucle de optimizare, software-ul identifică apoi acele elemente care sunt abia încărcate și, prin urmare, sunt dispensabile. „Natura ne construiește oasele într-un mod similar”, spune Anton. „Structura lor urmează liniile de stres cauzate de forțe externe. Acest proces iterativ duce la soluții tehnice pe care un inginer nu ar fi putut să le inventeze teoretic niciodată la biroul său. "
Rezultatul optimizării este o structură filigranată, asemănătoare cu strut, care îndeplinește totuși toate cerințele de siguranță pentru rigiditate și rezistență la flexiune. Dar chiar și cu asta, dezvoltatorii nu au fost mulțumiți - există acum un prototip de scut de rulment din plastic armat cu fibră de carbon, care cântărește doar 2,3 kilograme și, astfel, cântărește mai puțin de un sfert din soluția clasică.
De asemenea, dezvoltatorii au săpat adânc în punga lor de trucuri pentru designul electromagnetic pentru a reduce greutatea cât mai mult posibil. Fierul de cobalt din stator asigură o magnetizabilitate ridicată pe întregul interval dinamic, iar magneții excitați permanent ai rotorului au așa-numitul aranjament Halbach: sunt dispuși unul lângă celălalt în patru orientări diferite pe pol magnetic, astfel încât fluxul magnetic să fie optim posibil cu o utilizare redusă a materialului poate conduce și, prin urmare, unda fundamentală a inducției spațiului de aer este mărită în comparație cu aranjamentele magnetice convenționale. Răcirea aduce, de asemenea, o contribuție semnificativă la reducerea greutății.
„Datorită densității mari de curent, un concept inteligent de căldură reziduală a fost deosebit de important”, explică Anton. „Ne bazăm pe răcirea directă a liniei și astfel transferăm pierderile dominante de cupru direct către un lichid de răcire neconductiv electric, pentru care sunt posibile ulei de silicon sau Galden, de exemplu.”
Pentru toți acești pași de optimizare, cunoștințele experților despre procesele din motoarele electrice sunt cruciale. „Există doar câteva companii care pot combina o înțelegere detaliată a convertoarelor și motoarelor cu decenii de experiență în medii foarte diferite și uneori foarte dure. La Siemens suntem, de asemenea, convinși de aviația electrică și avem suficientă putere de ședere pentru a dezvolta noile acționări ”, spune Anton. Desigur, alte companii au descoperit acum și acest subiect orientat spre viitor - dar Anton estimează că plumbul Siemens este de cel puțin trei ani.
Scopul cercetătorilor: aeronave regionale cu propulsie hibridă
În orice caz, noul motor Siemens a devenit o adevărată putere, care este un motor sportiv chiar și pentru un patru locuri și nu mai este prea îndepărtat de cerințele pe care le pun aeronavele regionale pe propulsia lor: 500 kilowați la doi megawati ar fi suficient pentru o mână Transportul călătorilor de afaceri în toată Germania.
Astfel de noi acționări s-ar putea dovedi o adevărată binecuvântare pentru mediu și pentru rezidenții aeroporturilor - deoarece, pe lângă zgomotul aeronavelor, emisiile de CO2 provenite din traficul aerian ar scădea semnificativ. Și companiile aeriene ar beneficia de economii majore de costuri: „Mai mult de 50% din costurile ciclului de viață ale unei aeronave reprezintă cheltuielile pentru kerosen”, calculează Anton. "Prin utilizarea acționărilor electrice hibride, consumul de combustibil ar putea fi redus cu aproximativ 25%, astfel încât costul total al aeronavei să scadă cu aproximativ 12%".
Deoarece, cu acționări hibride, adică combinația inteligentă de motor electric și motor cu ardere, turbinele ar putea fi dimensionate mult mai mici în viitor și să funcționeze întotdeauna cu o eficiență optimă în timpul zborului - astăzi sunt proiectate pentru performanțe maxime, dar numai la pornire și este necesar la urcare. După aceea, 60% sunt complet suficiente.
„Cu o acționare hibridă kerosen-electrică, turbina ar funcționa la putere optimă tot timpul și ar furniza motorului electric elicei cu energie prin intermediul unui generator”, explică Anton. "În timpul fazei de pornire, energia suplimentară ar proveni dintr-o baterie."
Siemens lucrează cu Airbus pentru a face realitatea viziunea zborului electric. Există un acord de cooperare între companii din 2013: Siemens se preocupă în primul rând de noile trenuri cu propulsie electrică, în timp ce Airbus dezvoltă noi concepte de aeronave. Și primul avion de 60 până la 100 de locuri cu transmisie electrică hibridă ar putea fi disponibil încă din 2035 - dacă inginerii reușesc să dezvolte motoare electrice și mai puternice cu greutatea cea mai mică posibilă.