Společnost Mahle, která zahájila svou činnost před více než sto lety výrobou pístů pro spalovací motory, vyvíjí synchronní elektromotor bez permanentních magnetů s indukčním přenosem elektřiny do rotoru.
Synchronní elektromotory se ukazují jako výhodnější pro potřeby osobních automobilů. Většinově se ale používá typ s permanentními magnety, protože je na rozdíl od typu s vinutím na rotoru díky absenci choulostivého přenosu napětí ze statoru na rotor spolehlivější. Společnost Mahle ovšem přišla se zajímavým řešením. Elektrickou energii dokáže dostat na rotor pomocí indukce.
NEVÝHODY VYUŽITÍ PERMANENTNÍCH MAGNETŮ A ELEKTROMAGNETICKÉHO POLE
V Technickém týdeníku 2021/15—16 jsme podrobněji popsali jednotlivé typy elektromotorů. V současné produkci elektromobilů jednoznačně převažují synchronní elektromotory, které se dále dělí do dvou skupin: s vinutím na rotoru a s permanentními magnety. První jmenované provedení není příliš využívané. Kromě Renaultu Zoe ho z velkých automobilek nasazuje pouze BMW. Obrovskou výhodou tohoto řešení je absence vzácných kovů používaných pro permanentní magnety, což znamená nižší pořizovací cenu a v konečném důsledku také menší ekologickou zátěž i závislost na dodavatelích těchto materiálů. Těch totiž není mnoho.
Podle informací společnosti Mahle v současnosti pochází na 83 % světové produkce materiálů potřebných pro permanentní magnety z Číny. Zároveň platí, že je v současnosti recyklováno jen méně než procento vzácných kovů typu neodymu.
Jenže elektromotory s permanentními magnety také mají svou velkou výhodu. Nemusejí vytvářet točivé magnetické pole na rotoru pomocí elektrického napětí, ale spoléhají se na magnety. Právě přenos elektrické energie na rotor, umožňující například u elektromotoru BMW dosáhnout otáček až 17 000 ot/min, představuje problém. Je potřeba využít různé sběrné kroužky a kartáče. Vždy se proto dostává v určité míře do hry tření, a kde je tření, tam vzniká opotřebení a odpor. Dalším problémem je fakt, že elektrické buzení přenesené na rotor odpovídá jednomu až třem procentům výkonu elektromotoru, a tomu musí být přizpůsobena velikost kontaktní plochy mezi kartáči a sběrnými kroužky. S ohledem na opotřebení je vhodné dělat průměr sběrných kroužků co nejmenší, u strojů s dutým hřídelem a větším průměrem je to ale v podstatě nemožné a velikost kroužků je daná. V takovém případě je optimální návrh kontaktní plochy problematický, případně musí docházet k omezení maximálních otáček. Nicméně BMW u svého motoru slibuje řešení, které vydrží po celou dobu životnosti motoru.
ŘEŠENÍ SLIBUJE „KOMBINACE “ MAHLE
Se zajímavým řešením spojujícím dohromady výhody synchronních elektromotorů s permanentními magnety a s vinutím na rotoru přišla společnost Mahle. Ta vyvinula elektromotor pracující s vnějším buzením rotoru, v němž přenos elektrického napětí na rotor je ale zajištěn pomocí indukce, tedy bezkontaktně. Cílem celého vývoje je alternativa k synchronním elektromotorům s permanentními magnety, která nebude dražší než současné elektromotory s vinutím na rotoru. Zatím se pracuje s výkonem až 140 kW, přičemž jako optimum pro použití v automobilech se berou rotace přesahující hodnotu 20 000 ot/min. Celková účinnost nového elektromotoru činí 95 %.
Hlavním prvkem nově vyvíjeného elektromotoru je transformátor zajišťující bezkontaktní přenos elektrické energie ze stacionární na rotující část elektromotoru. Podobně jako například u systému bezdrátového nabíjení telefonů zde existuje dvojice vinutí oddělená vzduchovou mezerou. Pracuje se se dvěma variantami uspořádání, a sice s axiálním a radiálním. Využíván je křehký feritový materiál. Právě kvůli zvýšení odolnosti nemá řešení společnosti Mahle dvě samostatné části, ale celý transformátor je uložen v jednom celku upevněném na statoru. Na pohled se tedy může zdát, že se vůbec netočí. Uvnitř se může otáčet pouze sekundární vinutí transformátoru. S ohledem na maximálně kompaktní konstrukci je otáčející se část vyrobena ve formě planárního (plochého) vinutí na tištěném plošném spoji.
Pro aplikaci indukčního přenosu elektrického napětí bylo nutné upravit také měnič obstarávající přeměnu stejnosměrného proudu dodávaného akumulátorem na proud střídavý. Pro optimální provoz je bezpodmínečné nutné znát aktuální stav rotoru při vysoké vzorkovací frekvenci a s vysokou přesností, a tedy použít vhodný měřicí obvod. Kvůli zjednodušení a zlevnění konstrukce není měřicí obvod umístěn na rotoru zatíženém například vysokými teplotami. Společnost Mahle vyvinula techniku umožňující sledovat stav rotující části elektromotoru prostřednictvím elektroniky umístěné na primární, stacionární straně.
JE TŘEBA SNÍŽIT ZTRÁTY A VÝROBNÍ NÁKLADY
Mahle pracuje na různých variantách, jež by přinesly snížení výrobních nákladů. Například provedení s aktivním chlazením rotoru by umožnilo využít levnější části elektroniky, protože nebude nutné využívat materiály odolné proti vysokým teplotám.
Snahou je také omezit počet komponent na rotoru, což na jedné straně opět sníží výrobní náklady, ale současně lze tímto dosáhnout i snížení ztrát. A konečně bude další vývoj zaměřen rovněž na zmenšení rozměrů jako takových, a tudíž na omezení celkové spotřeby materiálu. Při vývoji jsou využívány počítačové simulace, což vývoj zrychluje i zlevňuje.
Společnost Mahle chce dotáhnout tento nový typ elektromotoru do sériové výroby během nadcházejících tří let. Podle sdělení představitelů společnosti se o tento nový typ elektromotoru zajímají všichni velcí výrobci.
Foto: Mahle