Großer Schritt in Richtung hybrider Hochleistungsantriebstechnologien für Flugzeuge der nächsten Generation
Das EU-finanzierte Projekt HASTECS hat Fachwissen aus dem elektronischen, chemischen und thermischen Ingenieurswesen gebündelt, um Architekturen hybrider Antriebe zu bewerten und optimieren. Dabei handelt es sich um eine aufstrebende Technologie, die zu erheblichen Senkungen der CO2-Emissionen zukünftiger Flugzeuge führen könnte. Genauso wie bei Hybridfahrzeugen stellt die Technologie herkömmlichen Verbrennungsmotoren elektrische Motoren zur Seite, die Energie aus zusätzlichen Stromquellen wie Batterien oder Brennstoffzellen beziehen. Zwar hat dieses Konzept vielversprechendes Potenzial, allerdings erfordern elektrische Systeme Fortschritte bei der Leistungselektronik, um die stetig wachsenden Lasten bewältigen zu können und die Wärme abzuleiten, die in der elektrischen Versorgungskette verloren geht. Darüber hinaus müssen das Gewicht der zusätzlichen elektronischen Bauteile und der daraus resultierende Brennstoffverbrauch durch Systeme mit sehr hoher energetischer Leistung wettgemacht werden. „Wir konzentrierten uns auf Kurzstreckenflugzeuge, die Platz für bis zu 70 Reisende bieten, und entwickelten Modelle und Hilfsmittel, um Hybridantriebe zu optimieren. Unsere Aktivitäten deckten die gesamte Bandbreite der hybriden elektrischen Energieversorgung ab: Elektromaschinen, Kühlung, Leistungselektronik und Thermomanagement“, merkt Xavier Roboam an, Forschungsdirektor des LAPLACELabors an der Universität Toulouse und Koordinator von HASTECS.
Hochleistungselektromotoren
Die LAPLACE-Forschenden stellten Elektromotoren mit einer hohen spezifischen Leistung vor, die 11 kW/kg übertraf (einschließlich des Kühlungsgeräts). Die hohen festgestellten elektrischen Effizienzen (über 97 %) wurden dem Hochleistungsdauermagneten-Synchronmotor zugeschrieben, der mit einem Halbach-Array ausgestattet wurde. Besondere Spulen und ultradünne Magnetfolien, die Verlusten im Hochfrequenzbereich vorbeugen, hatten ebenfalls erheblichen Anteil an den hervorragenden Effizienzen. Hohe elektromechanische Umwandlungseffizienzen müssen aber auch mit ebenso leistungsstarken Kühlungssystemen einhergehen. Zu diesem Zweck verwendeten Forschende des Prime Institute ein Glycol-Wasser-Gemisch als Kühlmittel für den Rotor und Stator und weitere Kühlrohre in den Statorschlitzen, um noch höhere spezifische Leistungen zu erzielen. „In Flugzeugmotoren spezifische Leistungen von über 10 kW/kg zu erzielen, ist ein echter Durchbruch. Die Leistungen von Elektrofahrzeugen sehen im Vergleich dazu alt aus. Der Motor eines Elektrofahrzeugs von Tesla erreicht, das Kühlsystem eingerechnet, eine spezifische Leistung von weniger als 4 kW/kg“, erklärt Roboam.
Optimierte Leistungselektronik, Kühlung und Hochspannungsverteilung
Die LAPLACE-Forschenden leisteten auch in puncto Steuerung und Umwandlung elektrischer Leistung beeindruckende Arbeit. Die gleichzeitige Verwendung eines Hochspannungswandlers (2 kV) mit optimierter mechanischer Struktur, der besten elektronischen Bauteile in Form von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode der 7. Generation sowie von Modulationsstrategien, die für verschiedene Multilevel-Umrichter optimiert sind, erwiesen sich bei der Entwicklung kompakter und effizienter Leistungselektroniksysteme als besonders wirksam. Das Prime Institute stellte gemeinsam mit dem Forschenden des LAPLACE-Labors ebenfalls ein zweiphasiges Hochleistungskühlsystem mit Pumpe vor. „Im Leistungselektroniksystem kann 1 kg des Kühlungsgeräts 4,5 kW Wärmeverluste einsparen, sodass die spezifische Leistung des Energieumwandlungssystems über 30 kW/kg erreicht, was die ehrgeizigen Ziele der Luftfahrtindustrie bei Weitem übertrifft“, merkt Roboam an. „Im Rahmen der Bemühungen, die Kapazität elektrischer Energiequellen durch die Erforschung bislang unerreichter Spannungspegel zu erhöhen, stellten Teilentladungen eine besondere Herausforderung dar“, erklärt Roboam. Dieses Phänomen, das auf Materialermüdung der Isolierstoffe, die hohen Spannungspegeln ausgesetzt sind, zurückzuführen ist, beschädigt die Ausrüstung und kann auch zu Verlustleistung führen. Um dagegen vorzugehen, schlugen die LAPLACE-Forschenden die Verwendung widerstandsfähigerer (gegen Teilentladungen unempfindlicher) Isolierstoffe vor, die mit Spannungswandlern in Spannungsbereichen von 1,5 bis 2 kV kompatibel sind. Die Optimierung des gesamten Triebwerks wurde in den von HASTECHS durchgeführten Studien abgeschlossen und zeigte unerwartete Interaktionen auf. HASTECS war ein echter technologischer und wissenschaftlicher Erfolg, indem es Entwürfe für Antriebsbauteile mit hohen spezifischen Leistungen vorlegte. „Unsere bahnbrechende Arbeit ebnet den ersten praktisch umsetzbaren Antriebssystemen für zukünftige Hybridelektroflugzeuge den Weg, die umweltfreundlicher sind“, schließt Roboam.
Schlüsselbegriffe
HASTECS, Kühlung, spezifische Leistung, Hybridantrieb, Leistungselektronik, Elektromotor, Teilentladungen, LAPLACE-Labor, Universität Toulouse, Hochspannungsverteilung
