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強勁的超輕型發(fā)動機助力電動飛行

西門子開發(fā)出一款杰出的電動發(fā)動機，它兼具大功率和超輕盈之優(yōu)勢。發(fā)動機的所有部件均得到系統(tǒng)化改進，由此造就的全新驅動系統(tǒng)在同級別產(chǎn)品中創(chuàng)造了功率-重量比的世界紀錄。這項開發(fā)成果是電動飛機和電動直升機普及化道路上的重要一步。

有時候，幾個簡單的數(shù)據(jù)就足以表明一項技術革新。對于這款全新的電動發(fā)動機，這個數(shù)據(jù)就是5千瓦/千克。這個數(shù)據(jù)代表西門子中央研究院電動飛機部新研發(fā)的電動發(fā)動機的功率-重量比。“新發(fā)動機的重量是50千克，但它可以持續(xù)供應260千瓦左右的電力。”電動飛機團隊負責人Frank Anton博士介紹道，“它打破了這一功率等級的世界紀錄。當前業(yè)界采用的強勁電動發(fā)動機的功率-重量比高不超過1千瓦/千克，在汽車行業(yè)，他們高也只達到了2千瓦/千克。”

對于西門子團隊關注的應用領域，功率-重量比是一項關鍵指標。畢竟，他們的長遠目標是帶來整個航空業(yè)的變革。2011年，Anton的研發(fā)團隊與空客集團、鉆石飛機攜手合作，實現(xiàn)了有史以來*架混合電動飛機的首航。2013年，這架飛機再次啟航，當時它的驅動系統(tǒng)已得到優(yōu)化。那一次所使用的新電動發(fā)動機的功率-重量比為5千瓦/千克左右，在當時這個水平已經(jīng)，不過這款發(fā)動機的持續(xù)供電水平相對一般，大約為60千瓦——多只能支撐單引擎輕型飛機的航行。

因此，Anton的目標是開發(fā)出一款更為強勁、輕盈*的電動發(fā)動機，唯有如此才能*取代目前飛機和直升機中采用的內(nèi)燃式引擎或噴氣式引擎，或者將這些引擎與電動驅動系統(tǒng)相結合，組成混合系統(tǒng)。

為給這個端罩“瘦身”，輕型工程領域的專家和西門子產(chǎn)品生命周期部門的開發(fā)人員聯(lián)合開發(fā)出了一種專門的優(yōu)化算法，并將其集成到西門子CAD（計算機輔助工程）程序NX Nastran中。

算法增強締造世界紀錄

西門子研究人員開發(fā)出了一種新型電動發(fā)電機，
它的重量只有50千克，但能夠持續(xù)輸出260千瓦左右的電能，
這一水平比同類驅動系統(tǒng)高出五倍。

為研制出一款創(chuàng)紀錄的發(fā)動機，大型驅動部和中央研究院的專家們著手對以往發(fā)動機的所有組件展開測試，在技術可行范圍內(nèi)對組件進行優(yōu)化。通過這一系列工作，他們得以將發(fā)動機端罩的重量縮減一半以上，從10.5千克減輕到只有4.9千克。端罩由鋁質(zhì)材料制成，此組件安裝到連續(xù)驅動軸上，中間沒有變速箱，端罩的作用是支撐發(fā)動機的軸承和推進器。Anton介紹道：“每當飛機的頭部揚起或下降時，端罩要承受極其巨大的力，所以對于飛行安全而言，它是至關重要的組件。所以過去這個組件往往非常堅固，因此也就很重。”

為給這個端罩“瘦身”，輕型工程領域的專家和西門子產(chǎn)品生命周期部門的開發(fā)人員通力合作，開發(fā)出了一種專門的優(yōu)化算法，并將其集成到西門子CAE（計算機輔助工程）程序NX Nastran中。該算法將組件細分成10萬多個元件，然后模擬作用于其中每個元件的力。經(jīng)過無數(shù)次的優(yōu)化環(huán)節(jié)，軟件終能夠判斷出哪些元件基本不會受力，因此可以去掉。“造物主設計人體骨骼的時候也是這樣的，讓它的結構順應外力。利用這種反復迭代優(yōu)化的過程，我們終得到了一個單純依靠理論永遠也無法達到的解決方案。” Anton說道。

這項開發(fā)的成果是設計出的結構不僅輕巧，同時還滿足硬度和穩(wěn)定性方面的所有安全要求。而這僅僅是個開始。開發(fā)人員現(xiàn)在已經(jīng)設計出一款新的端罩雛形，它由碳纖維強化聚合物材料構成，重量只有2.3千克，不到傳統(tǒng)組件的四分之一。

在發(fā)動機的電磁設計方面，開發(fā)人員另辟蹊徑，再次找到了盡可能減輕機身重量的妙招。在定子中采用鈷鐵合金材料，實現(xiàn)很高的磁化能力，同時用哈爾巴赫陣列排列轉子的永磁體。也就是說，將四個磁體依次排列，每個磁體的磁場均相反。如此排列的結果之一是可以在使用少材料的情況下優(yōu)化磁通量導向。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)一種新的冷卻概念，能夠進一步減輕重量。“由于電流密度很大，我們需要一種巧妙的方法來處理廢熱，我們使用直接冷卻的導體，將銅損失直接釋放到絕緣冷卻液中，比如說，我們這里用的是硅油或熱傳導液。” Anton解釋道。

上述所有方面的改進都要求研發(fā)單位對電動發(fā)動機的不同流程擁有深厚的專業(yè)知識。“對換流器和發(fā)動機具有如此深入了解的公司可謂鳳毛麟角，更不用說有幾十年在各類不同甚至環(huán)境下展開研究的經(jīng)驗。另外，在西門子，我們致力于實踐電動飛行的理念，具有持續(xù)開發(fā)新驅動系統(tǒng)的實力。” Anton指出。毋庸諱言，其他公司必然也已經(jīng)關注到這一領域，但據(jù)Anton估計，西門子在業(yè)界至少三年。

智能混合驅動系統(tǒng)將電動發(fā)動機與內(nèi)燃機相結合，它采用的渦輪機不僅顯著小于現(xiàn)今的渦輪發(fā)動機，還能在飛行期間始終保持的運轉。

研發(fā)目標：混合動力的地區(qū)航班

西門子研制出的新型電動發(fā)動機十分強勁，支持四座飛機飛行綽綽有余，為地區(qū)航班提供足夠動力的目標也并不遙遠。從500千瓦到2000千瓦的功率足以在德國境內(nèi)運送一組旅客。這樣的驅動系統(tǒng)對于環(huán)境和機場附近的居民都是一種福音，因為它們可以顯著降低航空運輸?shù)亩趸寂欧帕亢惋w機噪音。同時，航空公司也將因大幅節(jié)約成本而受益。“航空煤油占飛機生命周期成本的50%以上，采用混合電驅動系統(tǒng)可使耗油量降低25%左右，這樣飛機的總體成本將能降低12%左右。” Anton解釋說。

之所以會如此，其原因是智能混合驅動系統(tǒng)將電動發(fā)動機與內(nèi)燃機相結合，它采用的渦輪機不僅顯著小于現(xiàn)今的渦輪機，還能在飛行期間始終保持的運轉。相比之下，現(xiàn)今的渦輪機的設計大輸出功率只有在飛機起飛和爬升時才會用到。除此以外，它們只需要用到大輸出功率的60%。“如果采用煤油電動混合驅動系統(tǒng)，渦輪機可以持續(xù)地在高能效狀態(tài)下運轉，通過發(fā)電機向電動發(fā)動機供電，從而為推進器提供動力。在起飛的時候，可以由電池提供額外電能。” Anton介紹道。

西門子目前正在與空客公司合作，力推電動飛行的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實。根據(jù)2013年簽訂的合作協(xié)議，西門子的主要任務是開發(fā)新型電驅動系統(tǒng)，空客公司則負責尋找全新的航空理念。如果工程師們成功研發(fā)出更輕、更強勁的電動發(fā)動機，那么首架混合電力驅動的60-100座航班將有望早在2035年“沖上云霄”。