Duży krok w kierunku wysokowydajnych napędów hybrydowych dla samolotów następnej generacji
Wykorzystując wiedzę specjalistyczną w dziedzinie inżynierii elektrycznej, chemicznej i cieplnej, zespół finansowanego przez UE projektu HASTECS przeprowadził ocenę i optymalizację architektur hybrydowych układów napędowych – rozwijanej obecnie technologii, która może przyczynić się do znacznego ograniczenia emisji CO2 generowanych przez lotnictwo. Podobnie jak w samochodach hybrydowych silniki elektryczne stanowią uzupełnienie dla tradycyjnych silników spalinowych napędzanych paliwem, które wykorzystują energię z pomocniczych jednostek zasilających, takich jak akumulatory lub ogniwa paliwowe. Pomimo potencjału systemy elektryczne wymagają ulepszeń w zakresie energoelektroniki, aby sprostać stale rosnącym obciążeniom, i odprowadzania ciepła powstającego w wyniku strat w łańcuchu zasilania elektrycznego. Co więcej dodatkowa masa i zużycie paliwa wynikające z zastosowania uzupełniających komponentów elektrycznych muszą być kompensowane przez układy o bardzo wysokiej wydajności energetycznej. „Skupiając się na samolotach regionalnych, przeznaczonych do przewozu maksymalnie 70 pasażerów na trasach krótkodystansowych, opracowaliśmy modele i narzędzia do optymalizacji napędu hybrydowego. Nasze działania obejmowały całe spektrum łańcucha hybrydowego napędu elektrycznego: maszyny elektryczne, chłodzenie, energoelektronikę i zarządzanie ciepłem”, mówi Xavier Roboam, kierownik badań w laboratorium LAPLACE przy Uniwersytecie w Tuluzie (Francja) i koordynator projektu HASTECS.
Wysokowydajne silniki elektryczne
Naukowcy z LAPLACE zaprezentowali silniki elektryczne o wysokiej mocy właściwej, która przekroczyła 11 kW/kg (łącznie z urządzeniem chłodzącym). Wysoką wydajność elektryczną (ponad 97 %) zawdzięczają wysokowydajnemu silnikowi synchronicznemu z magnesami trwałymi wyposażonemu w macierz Halbacha. Kluczowe znaczenie dla uzyskania tak wysokiej wydajności miały również specjalne uzwojenia i ultracienkie blachy magnetyczne ograniczające straty przy wysokich częstotliwościach. Wysoka wydajność konwersji elektromechanicznej musi iść w parze z równie wydajnymi układami chłodzenia, dlatego naukowcy z Prime Institute wykorzystali mieszaninę glikolu i wody jako czynnik chłodzący wirnik i stojan oraz umieścili rurki chłodzące w szczelinach stojana, aby uzyskać jeszcze wyższą moc właściwą. „Osiągnięcie mocy właściwej przekraczającej 10 kW/kg w silnikach lotniczych to prawdziwy przełom. Możliwości pojazdów elektrycznych w porównaniu z tym wypadają blado. Moc właściwa silnika wraz z układem chłodzącym w pojazdach Tesla wynosi poniżej 4 kW/kg”, wyjaśnia Roboam.
Optymalizacja układów energoelektronicznych, chłodzenia i dystrybucji wysokiego napięcia
Naukowcy z LAPLACE dokonali również imponującego postępu w zakresie sterowania i przetwarzania energii elektrycznej. Jednoczesne wykorzystanie szyny wysokonapięciowej (2 kV) o zoptymalizowanej strukturze mechanicznej, najlepszych komponentów elektronicznych – tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką siódmej generacji – oraz strategii modulacji zoptymalizowanych dla różnych konwertorów wielopoziomowych okazało się szczególnie skuteczne w projektowaniu kompaktowych i wydajnych systemów energoelektronicznych. Badacze z Prime Institute i laboratorium LAPLACE stworzyli także dwufazowy układ chłodzenia z pompą. „Urządzenie chłodzące o masie 1 kg umieszczone wewnątrz układu energoelektronicznego może usunąć 4,5 kW strat ciepła, pozwalając na osiągnięcie mocy właściwej układu konwersji mocy przekraczającej 30 kW/kg, co znacznie wykracza poza ambitne cele wyznaczone przez przemysł lotniczy”, zauważa Roboam. „W pracach nad zwiększeniem mocy źródeł energii elektrycznej poprzez próby uzyskania nieosiągalnych wcześniej poziomów napięcia szczególnym wyzwaniem są wyładowania niezupełne”, tłumaczy. Zjawisko to, spowodowane zmęczeniem materiałów izolacyjnych wystawionych na działanie wysokiego napięcia, uszkadza urządzenia i może być przyczyną utraty mocy. Aby temu zapobiec, badacze z LAPLACE zastosowali bardziej wytrzymałe (odporne na wyładowania niezupełne) materiały izolacyjne, kompatybilne z szynami napięciowymi o napięciu w zakresie od 1,5 do 2 kV. Optymalizacja całego układu napędowego zwieńczyła badania prowadzone przez HASTECS, rzucając światło na nieoczekiwane oddziaływania. Projekt HASTECS jest prawdziwym sukcesem technologicznym i naukowym, który zaowocował powstaniem pokładowego komponentu układu napędowego o wysokiej mocy właściwej. „Nasze przełomowe osiągnięcia przygotowują grunt pod opracowanie pierwszych praktycznych układów napędowych dla przyszłych hybrydowych samolotów elektrycznych, które są bardziej przyjazne dla środowiska”, podsumowuje Roboam.
Słowa kluczowe
HASTECS, chłodzenie, moc właściwa, napęd hybrydowy, energoelektronika, silnik elektryczny, wyładowania niezupełne, laboratorium LAPLACE, Uniwersytet w Tuluzie, dystrybucja wysokiego napięcia
