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2015-7-23 閱讀(1018)
西門子開發(fā)出一款杰出的電動發(fā)動機,，它兼具大功率和超輕盈之優(yōu)勢,。發(fā)動機的所有部件均得到系統(tǒng)化改進,，由此造就的全新驅(qū)動系統(tǒng)在同級別產(chǎn)品中創(chuàng)造了功率-重量比的世界紀(jì)錄,。這項開發(fā)成果是電動飛機和電動直升機普及化道路上的重要一步。
有時候,，幾個簡單的數(shù)據(jù)就足以表明一項技術(shù)革新,。對于這款全新的電動發(fā)動機，這個數(shù)據(jù)就是5千瓦/千克,。這個數(shù)據(jù)代表西門子中央研究院電動飛機部新研發(fā)的電動發(fā)動機的功率-重量比,。“新發(fā)動機的重量是50千克,，但它可以持續(xù)供應(yīng)260千瓦左右的電力,。"電動飛機團隊負(fù)責(zé)人Frank Anton博士介紹道，“它打破了這一功率等級的世界紀(jì)錄,。當(dāng)前業(yè)界采用的強勁電動發(fā)動機的功率-重量比zui高不超過1千瓦/千克,，在汽車行業(yè)，他們zui高也只達(dá)到了2千瓦/千克,。"
對于西門子團隊關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域,，功率-重量比是一項關(guān)鍵指標(biāo)。畢竟,，他們的長遠(yuǎn)目標(biāo)是帶來整個航空業(yè)的變革,。2011年,，Anton的研發(fā)團隊與空客集團、鉆石飛機攜手合作,，實現(xiàn)了有史以來*架混合電動飛機的首航,。2013年，這架飛機再次啟航,，當(dāng)時它的驅(qū)動系統(tǒng)已得到優(yōu)化,。那一次所使用的新電動發(fā)動機的功率-重量比為5千瓦/千克左右，在當(dāng)時這個水平已經(jīng),，不過這款發(fā)動機的持續(xù)供電水平相對一般,，大約為60千瓦——zui多只能支撐單引擎輕型飛機的航行。
因此,，Anton的目標(biāo)是開發(fā)出一款更為強勁,、輕盈的電動發(fā)動機，唯有如此才能*取代目前飛機和直升機中采用的內(nèi)燃式引擎或噴氣式引擎,，或者將這些引擎與電動驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合,，組成混合系統(tǒng)。
為給這個端罩“瘦身",，輕型工程領(lǐng)域的專家和西門子產(chǎn)品生命周期部門的開發(fā)人員聯(lián)合開發(fā)出了一種專門的優(yōu)化算法,，并將其集成到西門子CAD（計算機輔助工程）程序NX Nastran中。
算法增強締造世界紀(jì)錄
西門子研究人員開發(fā)出了一種新型電動發(fā)電機,，
它的重量只有50千克,，但能夠持續(xù)輸出260千瓦左右的電能，
這一水平比同類驅(qū)動系統(tǒng)高出五倍,。
為研制出一款創(chuàng)紀(jì)錄的發(fā)動機,，大型驅(qū)動部和中央研究院的專家們著手對以往發(fā)動機的所有組件展開測試，在技術(shù)可行范圍內(nèi)對組件進行優(yōu)化,。通過這一系列工作,，他們得以將發(fā)動機端罩的重量縮減一半以上，從10.5千克減輕到只有4.9千克,。端罩由鋁質(zhì)材料制成,，此組件安裝到連續(xù)驅(qū)動軸上，中間沒有變速箱,，端罩的作用是支撐發(fā)動機的軸承和推進器,。Anton介紹道：“每當(dāng)飛機的頭部揚起或下降時，端罩要承受極其巨大的力,，所以對于飛行安全而言,，它是至關(guān)重要的組件。所以過去這個組件往往非常堅固,，因此也就很重,。"
為給這個端罩“瘦身",，輕型工程領(lǐng)域的專家和西門子產(chǎn)品生命周期部門的開發(fā)人員通力合作，開發(fā)出了一種專門的優(yōu)化算法,，并將其集成到西門子CAE（計算機輔助工程）程序NX Nastran中,。該算法將組件細(xì)分成10萬多個元件，然后模擬作用于其中每個元件的力,。經(jīng)過無數(shù)次的優(yōu)化環(huán)節(jié),，軟件zui終能夠判斷出哪些元件基本不會受力，因此可以去掉,?！霸煳镏髟O(shè)計人體骨骼的時候也是這樣的，讓它的結(jié)構(gòu)順應(yīng)外力,。利用這種反復(fù)迭代優(yōu)化的過程,，我們zui終得到了一個單純依靠理論永遠(yuǎn)也無法達(dá)到的解決方案。" Anton說道,。
這項開發(fā)的成果是設(shè)計出的結(jié)構(gòu)不僅輕巧，同時還滿足硬度和穩(wěn)定性方面的所有安全要求,。而這僅僅是個開始,。開發(fā)人員現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出一款新的端罩雛形，它由碳纖維強化聚合物材料構(gòu)成,，重量只有2.3千克,，不到傳統(tǒng)組件的四分之一。
在發(fā)動機的電磁設(shè)計方面,，開發(fā)人員另辟蹊徑,，再次找到了盡可能減輕機身重量的妙招。在定子中采用鈷鐵合金材料,，實現(xiàn)很高的磁化能力,，同時用哈爾巴赫陣列排列轉(zhuǎn)子的永磁體。也就是說,，將四個磁體依次排列,，每個磁體的磁場均相反。如此排列的結(jié)果之一是可以在使用zui少材料的情況下優(yōu)化磁通量導(dǎo)向,。此外,，研究人員還發(fā)現(xiàn)一種新的冷卻概念，能夠進一步減輕重量,?！坝捎陔娏髅芏群艽螅覀冃枰环N巧妙的方法來處理廢熱,，我們使用直接冷卻的導(dǎo)體,，將銅損失直接釋放到絕緣冷卻液中,，比如說，我們這里用的是硅油或熱傳導(dǎo)液,。" Anton解釋道,。
上述所有方面的改進都要求研發(fā)單位對電動發(fā)動機的不同流程擁有深厚的專業(yè)知識?！皩Q流器和發(fā)動機具有如此深入了解的公司可謂鳳毛麟角,，更不用說有幾十年在各類不同甚端環(huán)境下展開研究的經(jīng)驗。另外,，在西門子,，我們致力于實踐電動飛行的理念，具有持續(xù)開發(fā)新驅(qū)動系統(tǒng)的實力,。" Anton指出,。毋庸諱言，其他公司必然也已經(jīng)關(guān)注到這一領(lǐng)域,，但據(jù)Anton估計,，西門子在業(yè)界至少三年。
智能混合驅(qū)動系統(tǒng)將電動發(fā)動機與內(nèi)燃機相結(jié)合,，它采用的渦輪機不僅顯著小于現(xiàn)今的渦輪發(fā)動機,，還能在飛行期間始終保持zui的運轉(zhuǎn)。
研發(fā)目標(biāo)：混合動力的地區(qū)航班
西門子研制出的新型電動發(fā)動機十分強勁,，支持四座飛機飛行綽綽有余,，為地區(qū)航班提供足夠動力的目標(biāo)也并不遙遠(yuǎn)。從500千瓦到2000千瓦的功率足以在德國境內(nèi)運送一組旅客,。這樣的驅(qū)動系統(tǒng)對于環(huán)境和機場附近的居民都是一種福音,，因為它們可以顯著降低航空運輸?shù)亩趸寂欧帕亢惋w機噪音。同時,，航空公司也將因大幅節(jié)約成本而受益,。“航空煤油占飛機生命周期成本的50%以上,，采用混合電驅(qū)動系統(tǒng)可使耗油量降低25%左右,，這樣飛機的總體成本將能降低12%左右。" Anton解釋說,。
之所以會如此,，其原因是智能混合驅(qū)動系統(tǒng)將電動發(fā)動機與內(nèi)燃機相結(jié)合，它采用的渦輪機不僅顯著小于現(xiàn)今的渦輪機,，還能在飛行期間始終保持zui的運轉(zhuǎn),。相比之下，現(xiàn)今的渦輪機的設(shè)計zui大輸出功率只有在飛機起飛和爬升時才會用到,。除此以外,，它們只需要用到zui大輸出功率的60%,。“如果采用煤油電動混合驅(qū)動系統(tǒng),，渦輪機可以持續(xù)地在zui高能效狀態(tài)下運轉(zhuǎn),，通過發(fā)電機向電動發(fā)動機供電，從而為推進器提供動力,。在起飛的時候,，可以由電池提供額外電能。" Anton介紹道,。
西門子目前正在與空客公司合作,，力推電動飛行的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實。根據(jù)2013年簽訂的合作協(xié)議,，西門子的主要任務(wù)是開發(fā)新型電驅(qū)動系統(tǒng),，空客公司則負(fù)責(zé)尋找全新的航空理念。如果工程師們成功研發(fā)出更輕,、更強勁的電動發(fā)動機,，那么首架混合電力驅(qū)動的60-100座航班將有望zui早在2035年“沖上云霄"。
