Silniki elektryczne nowej generacji: innowacja z tradycjami

Próby zastosowania silnika elektrycznego do napędu pojazdów samochodowych podejmowane są od wielu lat. Były one szczególnie intensyfikowane przy okazji kolejnych kryzysów paliwowych. Najbliższy osiągnięcia sukcesu był koncern General Motors, który w połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku zaprezentował model EV1. Europejscy producenci samochodów nie podjęli jednak w odpowiednim czasie wyzwania, którym było zaprojektowanie i wdrożenie do produkcji samochodu elektrycznego.

Do chwili obecnej nieomal wszystkie koncerny samochodowe posiadają w swojej ofercie samochody elektryczne – często jednak tylko w wersji studyjnej. Pomimo tego, że branża motoryzacyjna oferuje coraz więcej modeli samochodów elektrycznych, to wciąż pojazdy takie traktowane są jako nowinka techniczna. Niesłusznie, bo napęd elektryczny konkurował ze spalinowym od zarania motoryzacji. Już pod koniec XIX w. klienci mogli nabywać pojazdy bezkonne wyposażone w silnik elektryczny. Barierę 100 km/h jako pierwszy złamał w 1899 r. właśnie pojazd elektryczny – belgijski La Jamais Contente.

Głównym ograniczeniem do całkowitego opanowania technologii samochodu elektrycznego jest bez wątpienia źródło energii elektrycznej, które nakłada na pozostałe składniki systemu (przede wszystkim na silnik) bardzo trudne do spełnienia wymagania. Z tego powodu projekt silnika dla samochodu elektrycznego uwzględniać musi wszystkie ograniczenia z tego wynikające. Jednostka napędowa musi być jednocześnie optymalnie dostosowana do standardowego cyklu jazdy. Oznacza to konieczność zredukowania do minimum ciężaru i objętości silnika przy jednoczesnym optymalnym sposobie przetwarzania energii w całym zakresie prędkości obrotowych.

Obecnie stosowane silniki elektryczne do napędów samochodów hybrydowych i elektrycznych posiadają wiele istotnych wad i z tego powodu ich układy zasilania i one same muszą być znacznie przewymiarowane, aby zagwarantować istnienie odpowiednio dużego momentu obrotowego przy starcie i dla małych prędkości obrotowych. Jednocześnie stosowanie wielostopniowych skrzyń biegów komplikuje cały system oraz powoduje zwiększenie gabarytów i masy wypadkowej układu. Preferowane obecnie rozwiązania wykorzystujące silniki z magnesami trwałymi wykazują również niezadowalające parametry szczególnie przy dużych prędkościach obrotowych. Celem ograniczenia tych efektów stosuje się różne techniki osłabiania strumienia magnetycznego w maszynie. Konwencjonalne rozwiązanie tego problemu polega na regulacji prądu wzbudzenia w ten sposób, że wytwarza on pole magnetyczne skierowane przeciwnie do pola magnesów osłabiając je. Prowadzi to do komplikacji systemu i powiększenia jego gabarytów.

Jako rozwiązanie tych problemów w ramach projektu realizowanego w konkursie OPUS zaproponowaliśmy całkowicie nową strukturę wysokoobrotowej maszyny z magnesami trwałymi, która umożliwia regulację strumienia magnesów trwałych (Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine ECPMSM). Maszyna ta to połączenie maszyny tarczowej z maszyną o strumieniu poprzecznym. Jej cechą charakterystyczną jest istnienie dodatkowego układu generacji strumienia magnetycznego, a także wysoka sprawność w całym zakresie prędkości obrotowych i obciążeń. Jednocześnie posiada duży moment rozruchowy i zdolność łatwej regulacji obrotów. Cechy te odpowiadają dzisiejszym wymaganiom stawianym przez przemysł samochodowy jednostkom napędowym (wysokie standardy środowiskowe, oszczędność, małe gabaryty). Pełne opanowanie technologii produkcji takiego silnika elektrycznego oznaczałoby zmniejszenie dystansu technologicznego dzielącego nasz kraj od rozwiniętych krajów Europy w bardzo ważnej dziedzinie gospodarki.

prof. dr hab. inż. Ryszard Pałka

Ukończył z wyróżnieniem Wydział Elektryczny Politechniki Szczecińskiej (1976). Stopień doktora nauk technicznych uzyskał na Wydziale Elektrycznym Politechniki Poznańskiej (1979), a stopień doktora habilitowanego nauk technicznych w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie (1986). W latach 1983-84 przebywał, jako stypendysta Fundacji Aleksandra von Humboldta, w Instytucie Maszyn Elektrycznych, Napędów i Kolei Uniwersytetu Technicznego w Brunszwiku (Niemcy), a następnie w latach 1988-2005 był pracownikiem naukowym tego Instytutu. Obecnie jest pracownikiem Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Był współwykonawcą kilku grantów badawczych NCN i NCBiR oraz około 25 opracowań dla przemysłu, dla takich firm, jak: Siemens, Bosch, Volkswagen, BMW, Atlas-Copco, Linde, Thyssen, Nexans, Philips, AEG, RWE oraz Daimler-Chrysler. Aktywnie współpracuje z ośrodkami naukowymi w Niemczech, Włoszech, Anglii, Kanadzie i Korei Południowej. Pełnił w przeszłości funkcję prodziekana Wydziału Elektrycznego i prorektora ds. Organizacji i Rozwoju ZUT. Obecnie jest kierownikiem Katedry Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych Wydziału Elektrycznego ZUT. Jest członkiem Komitetu Elektrotechniki PAN, International Compumag Society, Polish Society of Theoretical and Applied Electrical Engineering oraz Polish Society of Applied Electromagnetism. Pełni również funkcję wiceprezesa Societas Humboldtiana Polonorum.

Data publikacji: 10.11.2017