Innowacyjny, chłodzony od wewnątrz przewód zwiększa gęstość mocy dwukrotnie
Silniki elektryczne coraz częściej zasilają urządzenia wymagające dużej mocy i wysokiej wydajności, takie jak samochody czy samoloty. Czynnikiem, który ogranicza możliwości tej technologii, jest oferowana przez silniki elektryczne mało konkurencyjna gęstość mocy. Dlatego silnik elektryczny w porównaniu ze spalinowym jest na z góry straconej pozycji. Gęstość mocy to parametr pokazujący ilość mocy w odniesieniu do konkretnej objętości silnika. Przykładowo parowóz cechuje się niską gęstością mocy, ponieważ w stosunku do swoich dużych rozmiarów osiąga małą moc, a z kolei gęstość mocy silnika samochodu wyścigowego jest bardzo wysoka, gdyż w małej przestrzeni wytwarzana jest ogromna moc. W przypadku silnika elektrycznego parametr ten w sposób zasadniczy zależy od temperatury – energia elektryczna, przechodząc przez przewody, generuje ciepło. Zatem zwiększenie natężenia prądu powoduje wzrost nie tylko gęstości mocy, ale też temperatury, co sprawia, że w pewnym momencie przewody się przepalają. Aby zapobiegać pożarom, w urządzeniach elektrycznych stosuje się bezpieczniki odcinające zasilanie. Czynnikiem ograniczającym gęstość mocy jest maksymalna temperatura, jaką mogą wytrzymać przewody. Logicznym rozwiązaniem tego problemu byłby odpowiedni system chłodzenia przewodów, który w znacznym stopniu usprawniłby działanie silnika, jednak w praktyce jest to metoda bardzo trudna do zastosowania. Przyczyną jest izolacja przewodów, która sprawia, że chłodzenie zewnętrzne jest praktycznie niemożliwe.
Chłodzenie od wewnątrz
Zespół finansowanego przez UE projektu Capcooltech rozwiązał ten problem, projektując nowy typ przewodu elektrycznego, który jest „pusty” w środku, dzięki czemu może przez niego przepływać płyn chłodzący. W ramach projektu opracowano nową technologię i wprowadzono ją na rynek, pierwotnie z myślą o zastosowaniach w branży motoryzacyjnej. Cewka – czyli zwoje przewodów nawinięte wokół metalowego rdzenia – jest istotnym elementem silnika elektrycznego. Jak wyjaśnia koordynator projektu Michael Naderer: „Dzięki wykorzystaniu pustych w środku przewodów, które tworzą zwoje cewki, możliwe jest ich chłodzenie w najbardziej rozgrzanych miejscach poprzez oddziaływanie bezpośrednio na miedź”. Uczeni realizujący projekt opracowali też specjalne złącza do łączenia wypełnionych płynem przewodów z uzwojeniem, a w drodze analiz udało im się stworzyć optymalne konfiguracje uzwojenia i łączeń.
Większa gęstość mocy i lepsze osiągi
Chłodzenie pozwala na zwiększenie natężenia prądu, a co za tym idzie – uzyskanie proporcjonalnie większej gęstości mocy. Jak dotąd zespołowi projektu udało się podwoić standardową ilość mocy wyjściowej, co oznacza, że wydajność silnika również zwiększyła się niemal dwukrotnie. Uzyskanie wyższej gęstości mocy umożliwi projektowanie mocniejszych, ale lżejszych silników. A skoro jest to dokładnie to, do czego dążą producenci elektrycznych statków powietrznych i samochodów, technologia opracowana w ramach projektu Capcooltech przyciąga uwagę przede wszystkim podmiotów z tych sektorów. Dla branży motoryzacyjnej oznacza to możliwość produkcji tańszych, bardziej wydajnych i mocniejszych silników. „W praktyce umożliwi to wjechanie elektrycznym samochodem, holującym przyczepę, pod górę bez żadnej awarii. Z kolei przemysł lotniczy uzyska możliwość budowania elektrycznych taksówek i dronów przenoszących cięższe ładunki na dalsze odległości”, dodaje Naderer. Technologia ta pozwoli również przemysłowi wytwórczemu zwiększyć swoją produktywność dzięki szybszym i bardziej wydajnym maszynom. Zespół projektu miał nadzieję podbić rynek samochodów z instalacją o napięciu 48 V – prawdopodobnie nowym standardem elektrycznych samochodów przyszłości – którego wartość na najbliższe lata już teraz szacuje się na miliardy euro. Jak na razie zespołowi nie udało się przebić na ten rynek. Jego plany po części zakłócił wybuch pandemii COVID-19. Uczeni potrafili jednak dostosować się do nowej sytuacji i obecnie poszukują alternatywnych zastosowań. Nowy plan zakłada uruchomienie produkcji na pełną skalę do 2024 roku.
Słowa kluczowe
Capcooltech, elektryczny, silnik, przewody, chłodzenie, moc, gęstość mocy