Elektromobilitás Ultrakönnyű tápegység elektromos repüléshez - Innovációs jelentés
A Siemens kutatói új típusú, mindössze 50 kilogrammos elektromos motort fejlesztettek ki, amely 260 kilowatt folyamatos elektromos energiát szolgáltat - ötször annyit, mint az összehasonlítható hajtások.
Néha a technikai forradalmat nagyon röviden, egyetlen számban lehet összefoglalni. Ebben az esetben: öt kilowatt kilogrammonként - ez a Siemens Corporate Technology elektromos repülőgép-részlegének új villanymotorjának „teljesítmény-súlyaránya”.
"50 kilogrammos súlyával körülbelül 260 kilowatt folyamatos mechanikai teljesítményt nyújt" - magyarázza dr. Frank Anton, a repülőgép csapatának vezetője. "Ez abszolút világrekord ebben a teljesítményosztályban: Az iparban az ilyen nagy teljesítményű villanymotorok teljesítmény-tömeg aránya általában kevesebb, mint egy kilowatt/kilogramm, és az autóipar legjobb esetben is jó 2 kilowatt/kg-ot ér el."
A Siemens csapata által kezelt alkalmazásokhoz elengedhetetlen a legjobb teljesítmény/tömeg arány - mivel a légi közlekedés hosszú távú forradalmasításáról szól. 2011-ben Frank Anton kutatói az Airbus Group és a Diamond Aircraft társaságában világpremiert nyújtottak, amikor az első hibrid elektromos hajtású repülőgépet a levegőbe vitték.
Aztán 2013-ban ez a repülőgép továbbfejlesztett hajtóművel repült. Abban az időben az elektromos motor elérte a kilogrammonkénti 5 kilowatt alatti teljesítmény-tömeg arányt, ami szintén korábban nem volt elérhető, de csak viszonylag szerény 60 kilowatt folyamatos teljesítményt nyújtott - ez a legjobb esetben is elégséges az egymotoros sportrepülőgépekhez.
Ezért Anton célul tűzte ki, hogy még erősebb, minimális súlyú motorokat fejlesszen ki. Pontosan ez az előfeltétele a belső égésű motorok vagy turbinás motorok jövőbeni teljes cseréjének repülőgépekben vagy helikopterekben, vagy kombinálásuk elektromos meghajtással hibrid rendszer kialakításához.
Világrekord a virtuális optimalizálásnak köszönhetően
Világrekord-motorjuk megvalósítása érdekében a Large Drives divízió és a Corporate Technology szakértői a korábbi motorok összes alkatrészét próbára tették és a műszaki határig optimalizálták őket. Például az úgynevezett végpajzs súlyának több mint a felére sikerült: 10,5 kilogrammról mindössze 4,9 kilogrammra. Ez az alumínium alkatrész ötvözi az elektromos motor és a légcsavar csapágyait, amelyek köztes hajtómű nélkül közvetlenül kapcsolódnak a motorhoz. "Ez egy abszolút biztonsági szempontból kritikus alkatrész, amelyre nagyon nagy giroszkópos erők hatnak, amikor a repülőgép orrát felfelé vagy lefelé bólogatják" - magyarázza Anton. "Ezért volt mindig elég masszív és nehéz."
A könnyűszerkezetes szakértők a Product Lifecycle munkatársaikkal együtt kidolgozták saját optimalizálási algoritmusukat a végpajzs egyszerűsítése érdekében, és integrálták a Siemens NX Nastran CAE programjába. A komponenst több mint 100 000 egyedi elemre bontja, és szimulálja az egyes cellákra ható erőket. Számos optimalizálási ciklus során a szoftver azonosítja azokat az elemeket, amelyek alig vannak betöltve, és ezért kiadhatatlanok. "A természet hasonló módon építi fel a csontjainkat" - mondja Anton. „Szerkezetük követi a külső erők által okozott stressz vonalait. Ez az iteratív folyamat olyan műszaki megoldásokhoz vezet, amelyeket egy mérnök elméletileg soha nem tudott volna kitalálni az asztalánál. "
Az optimalizálás eredménye egy filigrán, támaszszerű szerkezet, amely ennek ellenére megfelel a hajlítómerevség és szilárdság minden biztonsági követelményének. De a fejlesztők még ezzel sem voltak megelégedve - ma már létezik egy szénszálerősítésű műanyagból készült csapágylemez prototípusa, amely mindössze 2,3 kilogrammot nyom, és így a klasszikus megoldás kevesebb mint egynegyede.
A fejlesztők mélyen belemélyedtek az elektromágneses kialakítású trükkökbe is, hogy minél jobban csökkentsék a súlyt. Az állórészben található kobalt-vas magas mágnesezhetőséget biztosít a teljes dinamikus tartományban, és a rotor állandóan gerjesztett mágnesei úgynevezett Halbach-elrendezéssel rendelkeznek: Mágneses pólusonként négy különböző irányban vannak elrendezve egymás mellett, így a mágneses fluxus optimális módon, anyag kevés felhasználásával lehetséges. vezethet, és ezáltal a légrés indukciójának alapvető hulláma megnő a hagyományos mágneses elrendezésekhez képest. A hűtés szintén jelentősen hozzájárul a súlycsökkentéshez.
"A nagy áramsűrűség miatt az intelligens hulladékhő-koncepció különösen fontos volt" - magyarázza Anton. "A közvetlen vezetékhűtésre támaszkodunk, és így a domináns rézveszteségeket közvetlenül egy elektromosan nem vezető hűtőfolyadékhoz vezetjük, amelyhez például szilikonolaj vagy Galden lehetséges."
Mindezen optimalizálási lépéseknél a szakértők döntő jelentőségűek az elektromos motorok folyamatainak ismeretében. „Csak néhány vállalat képes ötvözni a konverterek és motorok részletes megértését több évtizedes tapasztalattal, nagyon különböző és néha nagyon zord környezetben. A Siemensnél is meg vagyunk győződve az elektromos repülésről, és elegendő maradóképességgel rendelkezünk az új hajtások fejlesztéséhez. ”- mondja Anton. Természetesen más cégek is felfedezték ezt a jövőorientált témát - Anton azonban a Siemens vezetését legalább három évre becsüli.
A kutatók célja: regionális repülőgépek hibrid meghajtással
Mindenesetre az új Siemens motor valódi erőforrássá vált, amely még egy négyüléses számára is sportos motor, és már nem áll túlságosan távol azoktól a követelményektől, amelyeket a regionális repülőgépek hajtanak a hajtásukra: 500 kilowatt és két megawatt elég lenne egy maroknyihoz Üzleti utazók szállítása Németországban.
Az ilyen új hajtások valódi áldásnak bizonyulhatnak a környezet és a repülőterek lakói számára - mert a repülőgépek zaján kívül a légi forgalom CO2-kibocsátása is jelentősen csökken. És a légitársaságok számára jelentős költségmegtakarítás származna: "A repülőgép életciklusának több mint 50 százaléka teszi ki a kerozin költségeit" - számolja Anton. "A hibrid elektromos hajtások használatával az üzemanyag-fogyasztás körülbelül 25 százalékkal csökkenthető, így a repülőgép teljes költsége körülbelül 12 százalékkal csökken."
Mivel a hibrid hajtásokkal, vagyis az elektromos motor és az égésmotor intelligens kombinációjával a turbinákat a jövőben sokkal kisebbre lehet méretezni, és a repülés során mindig optimális hatékonysággal működtethetők - manapság maximális teljesítményre tervezték őket, de csak indításkor és indításkor. mászáskor szükséges. Ezt követően 60 százalék teljesen elegendő.
"Kerozin-elektromos hibrid meghajtással a turbina folyamatosan optimális teljesítményen működne, és egy generátoron keresztül energiával látná el a propeller elektromos motorját" - magyarázza Anton. "Az indítási szakaszban további energia származik egy akkumulátorból."
A Siemens az Airbusszal dolgozik az elektromos repülés víziójának valóra váltásában. 2013 óta együttműködési megállapodás van érvényben a vállalatok között: a Siemens elsősorban az új elektromos meghajtású szerelvényekkel foglalkozik, míg az Airbus új repülőgép-koncepciókat dolgoz ki. Az első 60-100 személyes hibrid elektromos hajtású repülőgépek pedig már 2035-ben elérhetőek lehetnek - ha a mérnököknek sikerül még erősebb, a lehető legkisebb súlyú elektromos motorokat kifejleszteni.