Длинный и извилистый путь: MTC и Бристольский университет обсуждают использование АМ в электрических системах

Сотрудники MTC вместе с одним преподавателем Бристольского университета обсуждают свои исследовательские усилия в области электрификации, при том, что представленные отделы не работают вместе - во всяком случае, пока - а двое из трёх никогда раньше даже не встречались виртуально.

TCT беседует с Дэном Уолтоном, старшим инженером-исследователем MTC; Ходой Амель, менеджером по технологиям аддитивного производства MTC; и Ником Симпсоном, старшим преподавателем электротехники Бристольского университета, пока две организации выясняют, как именно они могут сотрудничать. В течение многих лет они работали независимо друг от друга, изучая, как технология аддитивного производства (AM) может улучшить характеристики электрических машин и компонентов, что в наше время, когда в различных отраслях требуются более эффективные источники энергии, становится все более важным. Получив ряд многообещающих результатов в области 3D-печати корпусов и обмоток двигателей, обе стороны теперь изучают возможности объединения усилий: объединить свой опыт, придать импульс и, в конечном итоге, внедрить свои решения в промышленность.

"У Ника невероятное количество академических знаний в области [электрификации]", - начинает Уолтон. "Он занимается этим с 2015 года, и я думаю, что инструменты проектирования Ника великолепны, но цепочка поставок в Великобритании для этого довольно ограничена. Это действительно хороший пример того, как Ник развивает эту конкретную технологию AM для электрификации и в конечном итоге хочет довести её до промышленности, и именно здесь MTC идеально подходит, в этой так называемой долине смерти, для решения которой мы были созданы в 2010 году. Если мы сможем заинтересовать крупных OEM-производителей, которые занимаются масштабным производством, тем, что делает Ник, они смогут начать формировать свои машины уже сейчас, чтобы рассмотреть возможность внедрения того, над чем работает Ник".

Ник работает над набором конструкторских возможностей, которые позволили ему продемонстрировать, как АМ может улучшить характеристики электрических обмоток. При проектировании электрических обмоток конструктор обычно уделяет пристальное внимание магнитным и электрическим нагрузкам, которые совместно создают крутящий момент, а также структуре компонента и тому, как она влияет на эффективный КПД двигателя и его эффективные тепловые характеристики, стремясь уменьшить потери переменного тока. В прошлом году Симпсон стал автором работы, в которой продемонстрировал 20-процентное улучшение непрерывной производительности при использовании прямого лазерного спекания металлов для производства компонента электрической обмотки. Кроме того, было отмечено "значительно большее улучшение производительности в переходных режимах работы в пределах огибающей крутящего момента-скорости", что позволило сделать вывод о том, что технология AM и её возможности топологической оптимизации показывают большие перспективы в улучшении удельной мощности электрических машин.

Симпсон поясняет: "Если обмотка имеет прямоугольную форму, почти полностью заполненную медью, то её эффективная теплопроводность очень высока. Если же у вас 50% меди и 50% изоляционного материала, то она резко падает, поэтому вы постоянно боретесь между генерируемыми потерями и эффективными тепловыми характеристиками вашей обмотки. Теперь, с помощью аддитивного производства, вы можете выбрать определённую стратегию снижения потерь, которая диктует топологию обмотки, которую вы создаёте в зависимости от пространства, поэтому в передней части паза, ближайшей к ротору, у вас больше эффект потерь переменного тока. Поэтому вы, возможно, захотите использовать другую конфигурацию обмотки, чем в задней части паза. Инструменты проектирования, которые мы разработали, позволяют это сделать, и это позволяет вам играть с топологией и использовать преимущества полной геометрической свободы AM, что обычные инструменты не позволяют вам сделать".

Значимость работы, которой занимаются Симпсон и другие, проявляется в контексте того, что такие организации, как Advanced Propulsion Centre и Aerospace Technologies, требуют значительных улучшений в системах электропитания, будь то вес, надёжность, ремонтопригодность или эффективность. Одним из требований является повышение плотности мощности электрических систем, стремясь к 25 киловаттам на килограмм веса к 2035 году по сравнению с двумя-пятью киловаттами на килограмм веса сегодня.

Д-р Ник Симпсон, Бристольский университет

Обмотка электрической машины с фигурным профилем, CuCrZr.

Чтобы повысить удельную мощность электрической машины, Симпсон отмечает, что потери, которые проявляются в виде тепла, должны быть уменьшены, способность отводить тепло должна быть увеличена, а температурные характеристики электроизоляционных материалов должны быть улучшены. Печатая обмотки вместо того, чтобы изготавливать их традиционным способом, Симпсон предполагает, что можно использовать различные электроизоляционные покрытия для обеспечения "гораздо более высокой температурной живучести". Между тем, геометрическая свобода AM может открыть новые геометрические возможности, а охлаждающие свойства также могут быть интегрированы в части обмотки, которые в настоящее время служат только структурной, а не функциональной цели.

"Концевые обмотки электрической машины, по сути, используются впустую", - говорит Симпсон. "С электрической точки зрения, они должны быть там, потому что вы продолжаете цепь, но с точки зрения получения полезного крутящего момента на ампер, они практически не используются. Так можем ли мы использовать это мертвое пространство, чтобы начать вводить охлаждающие ребра, расширяя поверхности и создавая теплопоглощающую структуру, или вы можете непосредственно включить жидкостное охлаждение в саму обмотку, чтобы напрямую отводить тепло?".

Симпсон не одинок в изучении возможностей AM для интеграции охлаждения в электрические компоненты. В MTC Амель и её команда работали над аддитивным производством корпуса для мощного электродвигателя. Используя высокопрочный алюминиевый сплав A20X в процессе порошкового наплавления, в MTC удалось разработать корпус с каналами жидкостного охлаждения, который позволил двигателю вырабатывать большую мощность без перегрева, а также уменьшить размер и вес на 30% и 10% соответственно.

Материал сплава A20X был исследован в соответствии с дорожной картой MTC по аддитивному производству на 2021/22 год, в которой высокопрочный алюминий, наряду с "оценкой зрелости меди в АМ", указан в качестве ключевого направления усилий организации по разработке электродвигателей.

"Интерес [как к алюминию, так и к меди] заключается в том, чтобы посмотреть, как высокопроводящий алюминий в АМ сравнится с медью в АМ, поскольку алюминий даёт меньший вес и является более устойчивым проводящим материалом по сравнению с медью", - говорит Амель. "Поэтому мы бы предпочли посмотреть, сможем ли мы получить от алюминия сходную с медью проводимость".

3D-печать меди была одной из серьёзных проблем для Симпсона, когда он начинал работать в этой области исследований. Ещё в 2015 году, когда медь не была готовым материалом для 3D-печати, Симпсон был разочарован тем, что свойства его альтернативного металлического материала были лишь наполовину лучше, чем у меди. Даже в более поздние времена, когда ряд систем 3D-печати теперь поддерживают медь, возможности в Великобритании не были легкодоступными для Бристольского университета, который обычно передаёт свои потребности в 3D-печати промышленным партнёрам в автомобильной и авиационной областях. Однако недавно MTC разместил заказ на платформу AM, способную обрабатывать медь. Эта машина будет в первую очередь использоваться для проекта ЕКА, но, поскольку она находится в здании MTC в Ковентри, она может оказать поддержку другим исследовательским работам.

Это удобное время, когда две организации - обе с многолетними исследованиями в области аддитивного производства электрических систем за плечами - стремятся сделать следующие шаги, перепрыгнуть через "долину смерти" и оставить свой след в различных отраслях промышленности.

"Внедрение АМ именно для электрических машин - это огромная возможность", - резюмирует Уолтон. "До их появления ещё несколько лет, но я думаю, что мы должны начать внедрять в промышленность то хорошее, что делает Ник и то, с чем работают другие академические институты. Я думаю, что мы можем начать видеть небольшие изменения в том, что мы получаем от продукции для аэрокосмической промышленности или автомобильной промышленности высокого класса".

"Это все просачивающиеся вниз технологии", - добавляет Симпсон. "В настоящее время мы разрабатываем технологии для очень продвинутых, высокопроизводительных приложений, потому что, по сути, они могут себе это позволить". Если вернуться к трём вещам, которые необходимы для повышения плотности мощности, то мы можем сделать это с помощью AM - я не встречал другой технологии, которая позволяет нам делать эти три вещи одновременно. Таким образом, существует потенциал для поэтапного улучшения характеристик с помощью этих технологий, но до этого ещё далеко. Работа, которую мы делаем, имеет огромное значение, потому что мы можем значительно продвинуться в достижении этих общих целей к 2035 году".