Elektromotori s radijalno postavljenim magnetima

Elektromotori s radijalno postavljenim magnetima
tekst: Marko Guzina

Revolucija za električne automobile i motore

Široj javnosti nepoznata tvrtka Equipmake iz Velike Britanije, zahvaljujući svojoj inovaciji, elektromotoru s radijalno postavljenim magnetima, u narednim bi godinama mogla postati vodećim proizvođačem elektromotora za auto-moto industriju

50% veličine te 80% mase s jednako snage u odnosu na elektromotor s magnetima na obodu

Kad bi vas netko u gluho doba noći probudio iz dubokog sna i pitao tko proizvodi najučinkovitije elektromotore za automobile, slutimo da bi odgovor bio “Tesla”, ili u slučaju kakvog obožavatelja njemačke tehnologije “BMW” ili možda “Audi”. Zanimljivo, ali nitko od protagonista iz prethodne rečenice ne bi bio u pravu jer točan odgovor glasi Equipmake”.

Riječ je o nevelikoj tvrtki sa samo tridesetak zaposlenih, smještenoj u pokrajini Norfolk u Velikoj Britaniji. Tom naoko nejakom timu, koji predvodi Ian Foley, pošlo je za rukom nešto što već godinama nije uspijevalo daleko većim i financijski potkoženijim igračima iz svijeta razvoja elektromotora za autoindustriju.

Ian Foley
Iako ne pretjerano brojni, stručnjaci tvrtke Equipmake raspolažu bogatim iskustvom. To bez dvojbe vrijedi za direktora, vlasnika i osnivača, Iana Foleyja. On je još devedesetih godina razvio sustav aktivnog ovjesa za F1 momčad Lotus, a u isto desetljeće spada i njegov dizajn “lopatica” na mjenjaču za potrebe utrka izdržljivosti u Le Mansu.

Ista osoba potpisuje i “Kinetic Energy Recovery System”, odnosno KERS, odnosno sustav regenerativnog kočenja, razvijen za potrebe momčadi Formule 1 Williams-Toyota, 2009. godine. Upravo iskustvo stečeno na tom projektu, koji je uključivao brze elektromotore, odnosno zamašnjake, dovelo je do razvoja motora s radijalno postavljenim magnetima.

Problem s postojećim rješenjima

Iako neskloni uopćavanju, s velikom dozom sigurnosti možemo reći da današnja autoindustrija za pogon električnih vozila najčešće odabire istosmjerne (DC), beskontaktne (brushless) motore. Osim što su vrlo učinkoviti i kompaktni u odnosu na snagu koju razvijaju, takvi motori gotovo da i ne trebaju održavanje, što ih čini idealnima. Ipak, za to da ne bude sve tako savršeno pobrinut će se komplikacije oko hlađenja. Rotor takvih motora na sebi nosi trajne magnete, na koje djeluje pokretno magnetsko polje zavojnica koje sadrži stator te tako nastaje zakretni moment. U dosadašnjim rješenjima magneti su bili postavljeni po obodu i međudobno laminirani u obliku slova “V”. Takva izvedba prvi put pojavila se u motoru Toyote Prius prije 20 godina, a većina proizvođača kasnije je usvojila taj koncept.

Nedostatak je bio taj da je tijekom duljeg rada pod većim opterećenjem dolazilo do nakupljanja latentne topline unutar magneta, a takva tehnička rješenja nisu pružala adekvatan odgovor na pitanje hlađenja magneta, čime se pojavio problem da trajni magneti, kao što su oni od neodimija, ujedno i najčešći u ovim primjenama, gube svojstva porastom temperature. Upravo to razlog je što se često deklarira vršna snaga za koju je motor sposoban, ali i ona (u pravilu manja) koju motor može proizvoditi bez pregrijavanja i potrebe za gašenjem.

Magneti postavljeni radijalno u rotoru donose više zakretnog momenta i veću iskoristivost, a tvrtka Equipmake riješila je probleme s hlađenjem

Kako bi tome doskočili i magnete učinili manje podložnima gubitku sposobnosti uz porast temperature, proizvođači su pribjegavali legiranju neodimija drugim rijetkim zemnim elementima, kao što je disprozij. Ime tog kemijskog elementa u slobodnom prijevodu s grčkog znači “rijetko se dobiva”, pa je jasno da takav zahvat zauzvrat osjetno povećava cijenu proizvodnje.

Već se neko vrijeme zna da je motor s drugačije orijentiranim magnetima u rotoru superiorno rješenje, ali ono je sa sobom nosilo neke stare i neke nove tehničke probleme, koje nitko prije ekipe tvrtke Equipmake nije riješio. Još je 2016. godine kao odgovor na izazov Odjela za energiju SAD-a tvrtka General Electric (GE) objavila dokument u kojem identificira motor s radijalno postavljenim magnetima kao idealan. Ipak, niti moćni GE nije uspio otkloniti izazove s hlađenjem i rentabilnom serijskom proizvodnjom takvog motora.

Na scenu stupa Equipmake

Ideje koje je ponudio General Electric nisu bile primjerene za serijsku proizvodnju, a upravo je to ključna inovacije koja motor APM 200 čini revolucionarnim. To tvrtku Equipmake stavlja nekoliko godina ispred konkurencije, kada je riječ o idućem koraku u razvoju elektromotora za autoindustriju. Otprije je poznato da radijalno postavljeni magneti omogućuju maksimalno iskorištavanje magnetskog polja, i to nije ono što su Britanci ovdje izmislili, ali način proizvodnje i hlađenja motora jest.

Motor APM 200 na testnom postolju u radionici tvrtke Equipmake
Izrada motora ne iziskuje skupe tehnologije, a potpuna kontrola kvalitete jamči pouzdanost

Osim što zahvaljujući adekvatnom hlađenju ovaj novi motor može koristiti najjeftiniji neodimij za svoje magnete kako bi proizveo jednaku snagu kao dosadašnji motori, Equipmakeov dizajn, zahvaljujući rasporedu magneta, može biti upola manjeg volumena, 20% lakši te istovremeno dati 25% više zakretnog momenta. Sve to znači da će inženjeri s ovim rješenjem moći pojeftiniti proizvodnju i smanjiti motor, a uz postizanje ciljanih performansi.

Trenutačno sklop APM 200 uključuje motor nazivne snage 220 kW i mase od 40 kg, čemu treba pridodati 9 kg teški sklop planetarnog redukcijskog prijenosa s omjerom 5,5:1 te inverter mase 8 kg koji upravlja radom motora. Dimenzije vrlo kompaktnog sklopa motora i prijenosa iznose 318 mm u promjeru te 247 mm duljine, a takva integracija znači da se izlazno vratilo redukcije može spojiti izravno na glavčinu kotača vozila koje će pogoniti. Fascinantan je podatak da 450 Nm zakretnog momenta koje razvija motor, nakon prolaska kroz planetarni redukcijski prijenos postaje 2.475 Nm momenta na izlaznom vratilu, što je na razini većih kamiona.

Motor za Formulu E? Ne, za autobus!

Priča o razvoju motora s radijalno postavljenim magnetima za tvrtku Equipmake počela je kad je njihov klijent izrazio potrebu za elektromotorom koji bi koristio u tada raspisanim pravilima za Formulu E, tada još u začecima. Sve je teklo glatko čak i kada su pravila izmijenjena, pa je na volju momčadima ostavljen tek odabir pogonskog motora, ali niti to nije bilo duga vijeka. Završen projekt razvoja novog motora naprasno je ostao siroče kada su prije početka prve sezone pravila za prvenstvo Formule E izmijenjena tako da se došlo do kup natjecanja u kojem će svi koristiti jednake bolide, a za pogon je odabran elektromotor tvrtke McLaren.

Iako su snovi o sudjelovanju u prvom prvenstvu električnih bolida pali u vodu, Foley je imao gotovo rješenje za napredni elektromotor, a nedugo zatim na njegovim se vratima pojavila tvrtka Atom Motors Co sa svojim projektom HIPERCAR. Ispalo je da kompaktni i sposobni motori APM 200 savršeno odgovaraju automobilu u nastajanju, a nije trebalo mnogo da se dokazani koncept prenamjeni za cestovnu primjenu.

Toyota TF109, za koju je Foley razvio sustav KERS, te na tom projektu stekao iskustvo potrebno za razvoj motora o kojem pišemo u ovom tekstu
Motor APM 200 prvotno je trebao pogoniti Formulu E, ali promjene pravila prije početka prve sezone otklonile su tu mogućnost

U međuvremenu je Equipmake iznjedrio i pogonsku grupu za autobuse koja je bazirana na motorima APM 200. Uz tako dobar i svestran proizvod, nevelika kompanija uskoro bi se mogla naći pred svim izazovima munjevita rasta i prelaska na velikoserijsku proizvodnju.

Pretjerivanje kao pokretač razvoja
Iako su korijeni razvoja motora APM 200 negdje drugdje, aktualna izvedba namijenjena je pogonu budućeg hiperautomobila britanske tvrtke Ariel. Tvrtka Ariel Motor Co poznata je po beskompromisnim automobilima (i motociklima) pogonjenim motorima s unutarnjim izgaranjem, a njihov novi projekt nazvan HIPERCAR (HIgh PERformance CArbon Reduction) odlazi još korak dalje. Automobil koji će u konačnoj izvedbi biti prikazan 2019. godine, a godinu kasnije naći će se u proizvodnji, pogonit će četiri motora APM 200, što ukupnu snagu postavlja na 880 kW, odnosno gotovo 1.200 ks, uz pogon na četiri kotača. Električnu energiju u ovom automobilu skladištit će Litij-ionske baterije kapaciteta 42 kWh ili 56 kWh, a tijekom vožnje dopunjavat će ih mikroturbina od 35 kW. Ariel planira i izvedbu s pogonom na stražnje kotače, gdje će se koristiti dva motora APM 200, što će, pak, davati “samo” 440 kW snage te 900 Nm zakretnog momenta.

Gotovo dvije tisuće konjskih snaga hranit će baterije, a njih, pak, maleni mlazni motor koji pogoni generator električne energije

Što nosi sutra?

Savladane su velike prepreke. Inteligentni dizajn doveo je do toga da za korištenje arhitekture elektromotora s radijalno postavljenim trajnim magnetima, što donosi veći zakretni moment, nema više ekonomskih prepreka, a ujedno je otklonjen i problem hlađenja. Kompaktni motor, za koji je deklarirana gustoća snage od 9 kW/kg, koristi rotor u kojem su kanali za hlađenje dovedeni do same plohe magneta, čime je odgovoreno na pitanje zadržavanja topline pri kontinuiranim visokim opterećenjima.

Sve je to vrlo dobro, no predvođena Ianom Foleyjem, i u njegovu stopostotnom vlasništvu, tvrtka Equipmake pred novim je izazovima. Izrada skromnih serija motora za potrebe projekta Ariel HIPERCAR neće predstavljati veliki izazov, no interes velikih kompanija koje se bave izradom električnih vozila samo raste. Foley je za “Popular Mechanics” napomenuo kako su pred njima još tri, a možda i pet godina od serijske proizvodnje ovog revolucionarnog motora. Za dvije godine očekuje da će moći isporučivati približno tisuću jedinica u godinu dana, a uz veliki udio manualnog rada, to planiraju postići s dva-tri radnika. Uz više radnika i u više smjena, nada se dostići proizvodnju od 10.000 motora godišnje.

Takav brzi rast zasigurno će iziskivati i pronalaženje poslovnih partnera, a nekako nam se čini da će veći problem biti odabrati prave partnere, jer zainteresiranih za ulaganje ne bi trebalo nedostajati.

Kompaktni turbinski generatori
Činjenica da će Atom HIPERCAR koristiti kompaktni turbinski generator kao “range extender” potaknula nas je spomenuti odavno poznate APU (auxiliary power unit) sustave iz zrakoplovstva. Iako je u samim počecima bila riječ o klipnim motorima koji su davali mehaničku energiju, danas je riječ o poglavito turbinskim motorima koji su sadržani unutar kompaktnih sklopova s generatorima, a zadatak im je veće zrakoplove, plovila ili vozila opskrbljivati dodatnom električnom energijom i stlačenim zrakom koji se “krade” iz kompresora turbine. Osim što su turbine nasljedno pouzdanije od klipnih motora jer imaju daleko manje pokretnih dijelova, koji k tome ne osciliraju već se “samo” vrte, kad je u pitanju gorivo, daleko su fleksibilnije.

Ako ste ikada na repu većih zrakoplova primijetili ispuh, on je pripadao APU jedinici tog zrakoplova, a na stajankama imali ste priliku čuti i specifičan zvuk nevelikog turbinskog generatora ako ste se muvali oko stražnjeg dijela zrakoplova, a APU je bio uključen.

Napomena: Tekst je izvorno objavljen u Bugu br. 314

Podijeli:
1