Elektryczna… zabawka dla dużych chłopców?

Samochodom wyścigowym „ze stajni” firmy Raser Technologies czegoś brakuje . Zapachu spalin…

Jeżeli uruchamiasz samochód wyścigowy, zbudowany ostatnio przez Raser Technologies, nie spodziewaj się, że usłyszysz ryk silnika spalinowego, ponieważ go tam nie ma (oczywiście silnika – nie ryku). Zamiast tradycyjnego w takich pojazdach źródła napędu samochód wyścigowy firmy Raser wykorzystuje jedynie energię elektryczną z zespołu liczącego ponad 30 akumulatorów o napięciu 12 V oraz opatentowany przez firmę własny układ napędowy, bazujący na płaskim indukcyjnym silniku gwiazdowym prądu zmiennego. Podczas badań zespołu napędowego na hamowni wytwarzał on moment obrotowy wynoszący aż 570 Nm, co wystarcza do uzyskania mocy 500 kM przy 6250 obr./min. Samochód firmy Raser był nawet testowany podczas Grand Prix Monaco na początku kwietnia. Po miesiącu, na Światowym Kongresie SAE wypróbował go zwycięzca Indy 500 Danny Sullivan.

^{W CELU ZADEMONSTROWANIA, jakie możliwości tkwią w technologii silników indukcyjnych gwiazdowych prądu zmiennego, firma Raser zbudowała samochód wyścigowy klasy Formuły, napędzany wyłącznie akumulatorami i firmowym zestawem kontrolera Symetron z silnikiem gwiazdowym P2. Nie ma potrzeby stosowania silnika spalinowego}

Pomimo wyglądu zewnętrznego i zespołu specjalistów, który się nim zajmuje, samochodu Raser nie należy mylić z prawdziwym bolidem Formuły. Faktycznie, wszystkie próby, którym był poddawany, przeprowadzano celowo z prędkościami niższymi od rozwijanych na autostradach. – On nie jest tak naprawdę opracowany do rozwijania dużych prędkości – mówi Timothy Fehr, wiceprezes firmy Raser oraz główny technolog. – Opracowany został, by pokazać światu, że w zastosowaniach transportowych, wymagających dużego momentu obrotowego w małej przestrzeni bez zwiększania ilości wydzielanego ciepła, silniki indukcyjne prądu zmiennego mogą konkurować z droższymi silnikami zawierającymi magnesy stałe.

Zwiększony moment i sprawność

Temu celowi doskonale służy samochód wyścigowy firmy Raser. Według Fehra napędzający samochód gwiazdowy silnik indukcyjny prądu zmiennego P2 ważący 67 kg ma moment właściwy 35 Nm, kiedy sprzęgnięty jest z napędem Symetron będącym oryginalnym rozwiązaniem firmy Raser. – W tradycyjnych rozwiązaniach konstrukcyjnych od silników indukcyjnych prądu zmiennego możemy oczekiwać momentu właściwego poniżej 25 Nm – mówi Fehr.

Patrząc z innej perspektywy, silniki te uzyskują tak wysoki moment właściwy, ponieważ pracują z większą sprawnością, silnik zaś wytwarza wysoki moment chwilowy.

A to, z punktu widzenia Fehra, stanowi najmocniejszy atut w sprzedaży technologii firmy Raser. – Jesteśmy w stanie uzyskać z silników indukcyjnych większy ciągły moment obrotowy przy wyższych sprawnościach, niż było to możliwe dotychczas, wziąwszy pod uwagę aktualne doświadczenia w projektowaniu konstrukcji – mówi Fehr, wyjaśniając, iż sprawność tradycyjnych silników prądu zmiennego “szybko się obniża”, gdy silniki te pracują w wyższym zakresie momentów niż ich moment znamionowy. – Przy momencie obrotowym dwukrotnie wyższym od znamionowego sprawność zwykle spada z ponad 90 procent do około 85 procent, – mówi Fehr. Przy momencie trzykrotnie wyższym od znamionowego sprawność zwykle spada nawet więcej, często do około 60 procent.

^{CHOCIAŻ POKAZANY tu silnik gwiazdowy P2 firmy Raser z kontrolerem Symetron jest prawie równy pod względem wielkości silnikowi używanemu w samochodzie hybrydowym Toyota Prius, zapewnia on ogromny moment obrotowy oraz moc}

W rozwiązaniu firmy Raser dąży się do utrzymania uzyskanej wartości sprawności nawet wtedy, gdy silnik pracuje w najcięższych warunkach. I, jak mówi Fehr, silniki firmy Raser wraz z napędem Symetron tracą mniej niż 2 procent swojej sprawności przy momencie dwukrotnie przekraczającym moment znamionowy i jedynie 3 do 4 procent przy momencie trzykrotnie większym od znamionowego. – Nasze silniki pracowały nawet przy momencie cztero- lub pięciokrotnie przekraczającym ich moment projektowy i uzyskiwały zadowalające wyniki – zapewnia.

Faktycznie, liczy się każda jednostka sprawności, szczególnie dla tych inżynierów, którzy próbują upakować silniki w ciasnych przestrzeniach. – Zwiększenie sprawności o dwa procent zwykle odpowiada zmniejszeniu wymiarów silnika o 10 procent przy zachowaniu takiej samej mocy – zauważa George Holling, naczelny inżynier firmy Raser.

W jaki sposób Raser to robi? Kierownicy techniczni firmy traktują odpowiedź na to pytanie jak tajemnicę państwową – co jest zrozumiałe, biorąc pod uwagę, że technologia silnika jeszcze nie została skomercjalizowana. Fehr powiedział jedynie, że firma Raser dokonała fizycznych zmian w istniejących silnikach indukcyjnych prądu zmiennego, opierając się na rozpoznaniu pewnych “luk w istniejącej aktualnie teorii konstrukcji”. Holling ze swej strony opisuje technologię kontrolera Symetron jako mającą atrybuty napędu wektorowego i zmiennej częstotliwości. – Technologia ta ma zalety napędu wektorowego i prostotę napędu zmiennej częstotliwości – mówi. Dodaje jedynie, że firma Raser udoskonaliła algorytmy zapewniające sterowanie napędem wektorowym, bez konieczności stosowania drogich czujników i mikroprocesorów o wysokiej rozdzielczości prądowej. – Urządzenia Symetron są bardzo łatwe w obsłudze – twierdzi.

Symetron P2

Nikłe wskazówki dotyczące tego, co robi firma Raser, można znaleźć w jedynym jak dotąd udostępnionym patencie (patent USA nr 6 847 186). Wydany został nie dla tradycyjnego indukcyjnego silnika prądu zmiennego, lecz dla czegoś, co firma określiła jako “silnik rezonansowy”. Patent ten opisuje silnik ze szczeliną powietrzną 10 razy większą, niż nakazywałoby doświadczenie projektowe. Tak duża szczelina powietrzna wywołuje “wyraźną indukcję magnetyczną w samym silniku”. Silnik ten w obwodzie z kondensatorem zachowuje się zatem jak element indukcyjny, tworząc układ rezonansowy (LCR). Podlega on drganiom pod wpływem pola elektrycznego (gdy jest zasilany), a drgania te wykorzystywane są do wzbudzania silnika, eliminując tradycyjną elektronikę sterującą oraz modulację czasu trwania impulsu (PWM). “Właściwe dla niego charakterystyki drgań obwodu rezonansowego LCR wytwarzają sinusoidalne napięcie prądu zmiennego do komutacji własnej wyłączników zasilania i sprawnego działania bez uciekania się do modulacji czasu trwania impulsu (PWM) oraz strat towarzyszących przełączaniu przy wysokiej częstotliwości nośnej”.

Nic nie wskazuje na to, iż silnik P2 oraz kontroler Symetron znajdujący się w samochodzie wyścigowym oparte są na tym konkretnym patencie. Przykładowo, technologia sterowania Symetron wykorzystuje aktualnie, jak twierdzi Holling, “skuteczną postać modulacji czasu trwania impulsu (PWM)”. I dodaje on, że wszystkie fizyczne modyfikacje tradycyjnych silników indukcyjnych prądu zmiennego dokonane przez firmę Raser “pozostają w istniejącej infrastrukturze silnika, co oznacza, że zachowaliśmy takie samo wypełnienie szczeliny”.

Fehr również ostrzega przed doszukiwaniem się zbyt wiele w tym pojedynczym patencie. – Sam z siebie niewiele powie – twierdzi. I zwraca uwagę, iż ostatnio firma wystąpiła z wnioskami o co najmniej 20 dodatkowych patentów. Przyznaje jednak, iż pewne sprzeczne z intuicją myślenie konstrukcyjne o tym, co przedstawiono w patencie, pozwala uzyskać informacje o technologii silników indukcyjnych prądu zmiennego firmy Raser. I dodaje, że firma ujawni więcej informacji o swoich pracach nad silnikami indukcyjnymi prądu zmiennego, kiedy pozycja firmy odnośnie do patentu się umocni.

^{CZYM WYRÓŻNIA SIĘ w stosunku do dotychczasowych zespół składający się z silnika gwiazdowego P2 prądu zmiennego firmy Raser oraz kontrolera Symetron? Według firmy zapewnia on znaczne zwiększenie momentu obrotowego oraz momentu właściwego w porównaniu z możliwościami produktów innych firm, od silnika-kontrolera Toyoty Prius, do silnika IPV5138-4WS20 Siemensa}

Obiecujące możliwości zastosowań

Twierdzenie firmy Raser, że uzyskuje dodatkowy moment przy tak niewielkich stratach może wywołać pewien sceptycyzm wśród tych, którzy znają silniki. George Gulalo, prezes Motion Tech Trends, w ciągu ponad 20 lat funkcjonowania jako konsultant klientów w przemyśle samochodowym, ma doświadczenie w kwestionowaniu śmiałych twierdzeń na temat osiągów. – Za każdym razem, kiedy ktoś reklamuje tak drastyczną zmianę technologii, wydaje mi się, że to się nigdy nie urzeczywistni – mówi. I to ma sens szczególnie w odniesieniu do silników indukcyjnych prądu zmiennego, sprawdzonej technologii, której wejściowe parametry projektowe i metody konstrukcyjne są dobrze zrozumiałe. – Silniki indukcyjne istnieją od dawna – mówi. “Trudno uwierzyć, że ktoś mógłby je tak ulepszyć”.

Na dziś Gulalo nie wyklucza możliwości, iż technologia firmy Raser stanie się dobrym interesem. – To wszystko może być prawdą w przypadku bardzo szczególnego profilu osiągów i obszarów stosowania – mówi. Jeżeli to, co twierdzi firma Raser sprawdzi się w praktyce, ich technologia stanie się ważnym punktem zwrotnym. Jak zauważa Fehr, dodatkowy moment pozwoli projektantom na zmniejszenie gabarytów silników, oszczędzając miejsce i zmniejszając ich ciężar. I podobnie pozwoli inżynierom uzyskiwać dodatkową moc przy zadanej wielkości klatki.

Występują także implikacje kosztowe. Silnik indukcyjny prądu zmiennego o naprawdę wysokich parametrach mógłby służyć jako alternatywa dla silników z magnesami stałymi zawierającymi kosztowne materiały ziem rzadkich. Fehr ocenia, że silniki indukcyjne prądu zmiennego przy produkcji na skalę przemysłową będą kosztowały około 25 procent mniej niż porównywalne silniki z magnesami stałymi (PM). Holling twierdzi, że sterownik Symetron zapewnia osiągi podobne do napędu wektorowego przy cenach zbliżonych do ceny napędu zmiennej częstotliwości (VF).

^{ROZWIĄZANIE FIRMY RASER zapewnia najlepsze wyniki, kiedy konstrukcja silnika pracuje wspólnie z firmowym kontrolerem Symetron, łącząc prostotę napędu zmiennej częstotliwości z zaletami napędu wektorowego}

Zarówno osiągi, jak i koszty odegrały rolę w dwóch szerokich obszarach zastosowań wytyczonych przez firmę Raser. Pierwszy, jak można było przypuszczać w związku z zademonstrowanym wyścigiem samochodowym, obejmuje zastosowania transportowe. Jak twierdzi Fehr, najszersze zastosowanie znajdą jako silniki pojazdów hybrydowych. – To właśnie tutaj zalety naszych osiągów, upakowania i redukcji kosztów są najważniejsze – mówi. Oprócz samochodu wyścigowego firma ma opracowane gotowe inne prototypy przydatne w transporcie oraz projekty takich konstrukcji. Wybudowała już i obecnie prowadzi próby z niewielkim, całkowicie elektrycznym, samochodem użytkowym. Laboratorium badawcze Armii USA ostatnio zleciło firmie Raser zaprojektowanie dwóch urządzeń ze zintegrowanym rozrusznikiem-alternatorem (ISA) do użytku w układzie przeniesienia napędu przyszłych wojskowych pojazdów kołowych. Ukształtowane gwiazdowo tego typu silniki szeregowe zaprojektowane zostaną w celu zapewnienia zarówno wspomagania przy przyspieszaniu, jak i wytwarzania energii elektrycznej pojazdu.

^{NIE, NIE JEST TO PRAWDZIWY SAMOCHÓD wyścigowy, ale został ostatnio wypróbowany podczas Grand Prix na torze w Monaco}

Druga grupa obejmuje rozwiązania przemysłowe, które powinny być zasilane silnikami elektrycznymi o zmiennej mocy wyjściowej i mogłyby być dzięki nim bardziej opłacalne. Fehr wymienia wyposażenie do wiercenia oraz dmuchawy systemów HVAC jako dwa zastosowania, w których w coraz większym stopniu można by wykorzystywać silniki elektryczne o zmiennej mocy wyjściowej – jeśli cena będzie odpowiednia. Technologia firmy Raser mogłaby również znaleźć zastosowanie w różnorodnych obrabiarkach.

Moment obrotowy oraz sprawność w funkcji prędkości

Sprawność w funkcji momentu obrotowego

^{SILNIKI GWIAZDOWE, takie jak ten napędzający samochód Raser Edge, są tylko jednym przykładem zastosowania technologii firmy Raser. Firma wykorzystała również swoje modyfikacje silników i kontrolerów w silnikach wzdłużnych-liniowych. Jakikolwiek byłby typ silnika, łączy je wysoki moment obrotowy z jednoczesnym zachowaniem wysokiej sprawności. Wykres po lewej stronie pokazuje, w jaki sposób udoskonalone przez firmę silniki i Symetron przewyższają w działaniu standardowe silniki prądu zmiennego. Wykres po prawej stronie pokazuje, w jaki sposób dodatkowy moment oraz sprawność pozwolą wykorzystać mniejszy silnik do wykonywania tej samej pracy albo uzyskać większy moment przy podanej klatce silnika (dane z firmy Raser Technologies)}

Jak dotąd firma Raser zbudowała silniki prototypowe o zakresie mocy 5 do 500 KM – lub w obudowach o wielkościach szeregu NEMA 145 do 254. – Technologia ta jest skalowalna – mówi Fehr. Może również zostać rozszerzona na inne typy silników. Według Fehra firma Raser ma plany rozwojowe silników komutatorowych oraz o zmiennym oporze magnetycznym. We wszystkich przypadkach firma nie zamierza jednak wytwarzać tych silników, lecz jak mówi Fehr: – Planujemy skomercjalizować je ściśle poprzez umowy licencyjne.

Autor: TEKST: JOSEPH OGANDO, ILUSTRACJE: RASER TECHNOLOGIES