Silniki elektryczne nowej generacji: innowacja z tradycjami

Próby zastosowania silnika elektrycznego do napędu pojazdów samochodowych podejmowane były od wielu lat. Były one szczególnie intensyfikowane przy okazji kolejnych kryzysów paliwowych (przykładowo koncern General Motors już w połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku zaprezentował zaawansowany technologicznie model EV1). Europejscy producenci samochodów nie podjęli jednak w odpowiednim czasie wyzwania, którym było zaprojektowanie i wdrożenie do produkcji samochodu elektrycznego.

Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine: a) schemat, b) rozkład pola magnetycznego

W chwili obecnej wszystkie koncerny samochodowe posiadają w swojej ofercie samochody elektryczne. Pomimo tego, że branża motoryzacyjna oferuje coraz więcej modeli samochodów elektrycznych, to wciąż pojazdy takie traktowane są jako nowinka technologiczna. 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 na drodze 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, a jednocześnie jednostka napędowa musi być 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.

Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine 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 (dla małych prędkości obrotowych). Preferowane obecnie rozwiązania wykorzystujące silniki z magnesami trwałymi wykazują również niezadowalające parametry 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.

Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine Jako rozwiązanie tych problemów, w ramach projektu realizowanego w konkursie OPUS 9, zaproponowano 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, co pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności w całym zakresie prędkości obrotowych i obciążeń. Maszyna ta posiada jednocześnie 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). Opanowanie technologii produkcji takiego silnika elektrycznego oznaczałoby zmniejszenie dystansu technologicznego dzielącego nasz kraj od rozwiniętych krajów Europy w bardzo ważnej dziedzinie gospodarki.

Efektem badań przeprowadzonych w ramach projektu OPUS 9 było skonstruowanie i przebadanie kilku prototypów nowatorskich maszyn z magnesami trwałymi i regulacją strumienia. Wyniki tych badań opublikowano w kilkudziesięciu artykułach i przedstawiono podczas kilkunastu konferencji naukowych. Na rozwiązania maszyn hybrydowych otrzymano również 4 patenty krajowe.