в сотрудничестве с Институтом электродвигателей и исполнительных механизмов Университета Бундесвера (Университета Федеральных Вооруженных Сил) в Нойбиберге, недалеко от Мюнхена.
Новые двигатели разрабатываются в рамках исследовательского проекта по анализу способов повышения эффективности асинхронных двигателей с целью решения двух проблем, препятствующих рыночному распространению электромобилей: их малого запаса хода и высокой цены. В рамках этого исследовательского проекта изучаются компоненты трансмиссии, а испытания основаны на циклах движения — той же концепции, которая используется при тестировании эффективности и выбросов для двигателей внутреннего сгорания. Важным элементом этого подхода является то, что результаты зависят от эффективности при частичной нагрузке, а не при полной.
Однозубчатая обмотка:
Перспективным подходом к оптимизации эффективности электродвигателей является концепция асинхронных двигателей с концентрированными обмотками. В отличие от обычного асинхронного двигателя с распределенной обмоткой, где катушки намотаны на несколько зубцов ламелей, в этих двигателях используется только один зубец. Хотя эта технология известна уже некоторое время, она не нашла практического применения из-за связанных с ней гармонических помех.
В этом совместном исследовательском проекте группа из FEAAM и университета с высокой точностью проанализировала магнитные поля в двигателе, используя сочетание моделирования и практических экспериментов. В результате они смогли разработать различные меры по подавлению нежелательных гармоник. Чем ближе гармоники к основной рабочей волне, тем сильнее они могут мешать работе двигателя, вызывая электрические потери или акустический шум.
Снижение гармонических колебаний достигается за счет специальной технологии намотки, при которой соседние катушки наматываются в противоположных направлениях. Правильно подобрав количество проводов в каждой катушке, можно уменьшить гармоники. В рамках исследовательского проекта структура катушки сначала была смоделирована с использованием математических моделей, а полученные результаты впоследствии были подтверждены измерениями.
испытательными стендами
для электродвигателей мощностью до 220 кВт и максимальным крутящим моментом 2000 Н·м. Испытательные стенды предназначены для работы в четырех квадрантном режиме и оснащены высокоточными датчиками крутящего момента и скорости, анализаторами мощности и осциллографами. Они используются для студенческих проектов, исследований и совместной работы с промышленностью.
Процесс разработки занял около двух лет и был также направлен на оптимизацию простоты изготовления, снижение производственных затрат и достижение высокой производительности в условиях частичной нагрузки.
Прототипы:
Конечный результат представляет интерес для автомобильной промышленности и других отраслей. В настоящее время рассматривается несколько патентных заявок, и для промышленных партнеров разработаны первые прототипы. Прототип нового асинхронного двигателя эквивалентен обычному тяговому двигателю для электромобиля и имеет выходную мощность около 50 кВт.
Двигатель приводится в движение тремя фазами напряжением до 400 В. Токи и напряжения измеряются с помощью преобразователей на каждой фазе, что позволяет выявлять асимметрии. Помимо измерения КПД, регистрируются характеристики крутящего момента и скорости, которые используются для оптимизации математических моделей. Поскольку сопротивление ротора, а следовательно, и потери, увеличиваются с температурой, оно поддерживается постоянным с помощью охлаждающей жидкости и контролируется тепловизионной камерой.
Кроме того, измерения проводятся в различных режимах движения. Измерения мощности и КПД выполняются с помощью анализаторов мощности Yokogawa WT1600, WT1800 и WT3000. Результаты, включающие крутящий момент, скорость и результирующие измерения КПД, автоматически переносятся в электронную таблицу Excel.
«Мы используем несколько поколений измерителей мощности Yokogawa и очень довольны их производительностью и результатами испытаний», — говорит профессор Дитер Герлинг, кандидат технических наук. «Для нас особенно важно достичь высокой точности измерений КПД, даже когда КПД превышает 97%, и мы убедились, что можем полностью полагаться на эти приборы»
Серийное производство.
Благодаря простоте производства и большей эффективности в условиях частичной нагрузки, новый асинхронный двигатель обладает преимуществами как с точки зрения стоимости, так и автономности.
Новая технология намотки также принесет новые преимущества в производство. Штампованные металлические компоненты статора можно наматывать по отдельности, а затем просто устанавливать вместе в двигатель. Это контрастирует с традиционными асинхронными двигателями, где сначала собираются пластины статора, а затем намотка выполняется гораздо более сложным способом. Из-за этого сложного производственного процесса и высоких затрат, связанных с этим типом двигателей, они не идеально подходят для производства нескольких миллионов единиц в год, что обычно требуется автомобильной промышленности.
«В прошлом электродвигатели такой мощности производились компаниями среднего размера в количестве нескольких тысяч в год, — говорит профессор Дитер Герлинг. — В автомобильной промышленности речь идет о значительно больших объемах, поэтому связанные с этим затраты становятся гораздо более существенными»
«В этой отрасли накоплен богатый опыт в управлении затратами, — добавляет он. — Это, конечно, также относится к силовой электронике и аккумуляторным технологиям»
В настоящее время немецкие компании являются мировыми лидерами в автомобильной отрасли, однако количество производимых ими полностью электрических автомобилей остается очень небольшим по сравнению с французскими, китайскими и, прежде всего, японскими производителями.
По словам профессора Дитера Герлинга, немецкие автопроизводители уже догнали своих конкурентов, по крайней мере, в технологическом плане, и вскоре смогут предложить аналогичную продукцию.
Электромобильность.
Помимо электродвигателей, команда FEAAM и университет также сосредоточились на оптимизации схем силовой электроники и систем управления двигателями. Уже существуют предложения по оптимизации эффективности в условиях частичной нагрузки. Кроме того, они также исследуют системы электропроводки в транспортных средствах и самолетах. По словам профессора Дитера Герлинга, во всех этих областях еще есть значительный потенциал для улучшения.
До сих пор вопросам веса и эффективности электродвигателей уделялось мало внимания, но с появлением электромобильности ситуация кардинально изменилась. В частности, объемы производства, присущие автомобильной промышленности, должны привести к значительному снижению затрат. Члены команды из Университета Бундесвера убеждены, что будущее принадлежит автомобилям, оснащенным электродвигателями.
