Naukowcy z Indii i Polski zbadali ulepszenia, jakie lekkie materiały mogą wnieść do silników elektrycznych. Twoje wyniki wyszukiwania pojawiły się w czasopiśmie energie.
Uczenie się: Modelowanie i symulacja silników elektrycznych przy użyciu lekkich materiałów. Źródło zdjęcia: smashingstocks/Shutterstock.com
Silniki elektryczne
Silniki elektryczne są kluczową technologią w walce ze zmianami klimatycznymi oraz w osiąganiu globalnych celów zerowej emisji dwutlenku węgla netto.
Szczególnie w przypadku pojazdów elektrycznych potrzeba utrzymania mocy i wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu masy pojazdu ma dla projektantów pierwszorzędne znaczenie. Chociaż nadal istnieją wyzwania związane z projektowaniem silników elektrycznych, a w szczególności z materiałami użytymi do ich budowy, pilna potrzeba szybkiej dekarbonizacji zwiększyła koncentrację badań na projektowaniu wydajnych, mocnych i lekkich urządzeń.
Typowy silnik indukcyjny AC. Źródło: Boopathi, NG i in., Energies
Zastosowanie silników elektrycznych w pojazdach samochodowych
W ostatnich latach rynek pojazdów elektrycznych i hybrydowych znacznie się rozwinął. Firmy takie jak Tesla, Porsche i BMW są w czołówce innowacji w tej przestrzeni handlowej od dekady lub dwóch. Projektowanie silników elektrycznych jest sercem tej branży, a projektowanie odpowiednich technologii wiąże się z kilkoma wyzwaniami.
Wysokowydajne pojazdy elektryczne wykorzystują obecnie różne systemy chłodzenia silników elektrycznych, przy czym systemy chłodzone wodą są powszechnie stosowane zamiast konwencjonalnych systemów chłodzonych wentylatorem, które są nieporęczne i ciężkie. Dzięki temu silnik elektryczny jest chłodny i ma maksymalną wydajność bez poświęcania masy i osiągów pojazdu.
Jednak systemy chłodzenia wodą mają własny zestaw problemów, które ograniczają optymalną konstrukcję silników elektrycznych. Po pierwsze, w tych układach mogą wystąpić nieszczelności, w rurociągach itp., co może zmniejszyć ogólną sprawność silników, prowadząc do możliwego przegrzania, a ponadto powoduje problemy z bezpieczeństwem spowodowane przegrzaniem i uszkodzeniem przez wodę. Właściwy projekt i konserwacja mają kluczowe znaczenie.
Ponadto pojawiają się wyzwania związane z zapotrzebowaniem na skomplikowane maszyny w tych systemach, takie jak pompy, rurociągi i grzejniki. To sprawia, że są trudniejsze w utrzymaniu niż konwencjonalne systemy chłodzone wentylatorem.
Stosowanie lekkich materiałów w układach silników elektrycznych
Aby przezwyciężyć problemy z wagą i utrzymać optymalną sprawność silników elektrycznych, badania skoncentrowały się na wykorzystaniu zaawansowanych, lekkich materiałów w komponentach, takich jak systemy chłodzenia wodą.
W ostatnich latach badania dotyczyły wielu różnych materiałów, w tym kompozytów z włókna węglowego i polimerów. Ulepszenie konstrukcji komponentów i ocena wykorzystania zaawansowanych materiałów w silnikach elektrycznych pozwala przezwyciężyć wiele problemów występujących w obecnych technologiach.
Na przykład jednym z głównych elementów silnika indukcyjnego jest cewka rozruchowa. Są one zwykle zbudowane z materiałów metalowych, takich jak miedź, aluminium i stal krzemowa. Na przykład zmiana materiału użytego w osłonie zewnętrznej i zastosowanie polimerów wzmacnianych włóknami zmniejsza wagę tych elementów, a tym samym poprawia ogólną wydajność silników.
Pomiar wymiarów różnych części silnika. Źródło: Boopathi, NG i in., Energies
Badania
Autorzy zbadali różne możliwości zmniejszenia całkowitej masy silników elektrycznych przy użyciu różnych lekkich i zaawansowanych materiałów bez poświęcania ogólnej sprawności energetycznej i wydajności tych kluczowych ekologicznych urządzeń. W szczególności autorzy skupili się na silniku chłodzonym płynem. W artykule przeanalizowano kilka badań i koncepcji.
Do badań autorzy wybrali silnik o mocy 0,5 KM. Jest to konwencjonalny silnik indukcyjny chłodzony wentylatorem. Autorzy wybrali ten silnik, aby zademonstrować, w jaki sposób system chłodzony wodą może poprawić swoją wydajność. Wykorzystując ten silnik jako punkt odniesienia, zaprojektowano silnik chłodzony wentylatorem przy użyciu metod CAD. Silnik wzorcowy został zdemontowany i zmierzono wymiary i wagę komponentów.
Analiza termiczna wykazała zwiększoną wydajność zastosowania płaszcza wodnego w obudowie osiowej w celu zapewnienia chłodzenia w porównaniu z konwencjonalnym, całkowicie zamkniętym silnikiem chłodzonym wentylatorem.
W badaniach wykorzystano analizę MES do oceny różnicy zakresów i gradientów temperatur. Silnik chłodzony wodą miał niższy zakres temperatur niż jego odpowiednik chłodzony wentylatorem. Oceniono PA6GF30, kompozyt polimerowy wzmocniony włóknem szklanym. Zdolność tego materiału do obniżania najwyższej temperatury systemu była prawie porównywalna z aluminium, które jest materiałem konwencjonalnie używanym do tego celu.
Widok osiowy silnika chłodzonego wodą z ramą PA6GF30 po analizie MES. Źródło: Boopathi, NG i in., Energies
przyszłe badania
Chociaż to badanie wykazało zastosowanie lekkich materiałów (w szczególności PA6GF30) w projektowaniu silników elektrycznych (w szczególności systemów chłodzonych wodą) w celu zmniejszenia masy przy zachowaniu podobnej wydajności i wydajności, istnieje kilka przyszłych możliwości badawczych. Znaczna redukcja masy przy użyciu materiału w badaniach świadczy o obiecującym charakterze tej dziedziny badań.
Autorzy stwierdzili, że kolejnym krokiem w badaniach nad udoskonaleniem silników elektrycznych jest ocena lekkich materiałów o niskiej gęstości do zastosowania w obudowach silników. Kluczowym obszarem zainteresowania będzie dobór odpowiednich materiałów, które są kompatybilne z systemem chłodniczym. Chociaż wciąż istnieją wyzwania do pokonania, to badanie wniosło ważny wkład w tę dziedzinę materiałoznawstwa i projektowania.
dodatkowe czytanie
Boopathi, NG i in. (2022) Modelowanie i symulacja silników elektrycznych przy użyciu lekkich materiałów energie 15(14) 5183 [online] mdpi. z. Dostępne w: https://www.mdpi.com/1996-1073/15/14/5183
