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強(qiáng)勁的超輕型發(fā)動(dòng)機(jī)助力電動(dòng)飛行

西門子開發(fā)出一款杰出的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，它兼具大功率和超輕盈之優(yōu)勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的所有部件均得到系統(tǒng)化改進(jìn)，由此造就的全新驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在同級(jí)別產(chǎn)品中創(chuàng)造了功率-重量比的世界紀(jì)錄。這項(xiàng)開發(fā)成果是電動(dòng)飛機(jī)和電動(dòng)直升機(jī)普及化道路上的重要一步。

有時(shí)候，幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)就足以表明一項(xiàng)技術(shù)革新。對(duì)于這款全新的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是5千瓦/千克。這個(gè)數(shù)據(jù)代表西門子中央研究院電動(dòng)飛機(jī)部新研發(fā)的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率-重量比。“新發(fā)動(dòng)機(jī)的重量是50千克，但它可以持續(xù)供應(yīng)260千瓦左右的電力。”電動(dòng)飛機(jī)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Frank Anton博士介紹道，“它打破了這一功率等級(jí)的世界紀(jì)錄。當(dāng)前業(yè)界采用的強(qiáng)勁電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到了2千瓦/千克。”

對(duì)于西門子團(tuán)隊(duì)關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域，功率-重量比是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。畢竟，他們的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是帶來整個(gè)航空業(yè)的變革。2011年，Anton的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與空客集團(tuán)、鉆石飛機(jī)攜手合作，實(shí)現(xiàn)了有史以來*架混合電動(dòng)飛機(jī)的首航。2013年，這架飛機(jī)再次啟航，當(dāng)時(shí)它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已得到優(yōu)化。那一次所使用的新電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率-重量比為5千瓦/千克左右，在當(dāng)時(shí)這個(gè)水平已經(jīng)，不過這款發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)供電水平相對(duì)一般，大約為60千瓦——多只能支撐單引擎輕型飛機(jī)的航行。

因此，Anton的目標(biāo)是開發(fā)出一款更為強(qiáng)勁、輕盈*的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，唯有如此才能*取代目前飛機(jī)和直升機(jī)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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，組成混合系統(tǒng)。

為給這個(gè)端罩“瘦身”，輕型工程領(lǐng)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(jì)算機(jī)輔助工程）程序NX Nastran中。

算法增強(qiáng)締造世界紀(jì)錄

西門子研究人員開發(fā)出了一種新型電動(dòng)發(fā)電機(jī)，
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(qū)動(dòng)系統(tǒng)高出五倍。

為研制出一款創(chuàng)紀(jì)錄的發(fā)動(dòng)機(jī)，大型驅(qū)動(dòng)部和中央研究院的專家們著手對(duì)以往發(fā)動(dòng)機(jī)的所有組件展開測(cè)試，在技術(shù)可行范圍內(nèi)對(duì)組件進(jìn)行優(yōu)化。通過這一系列工作，他們得以將發(fā)動(dòng)機(jī)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(qū)動(dòng)軸上，中間沒有變速箱，端罩的作用是支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承和推進(jìn)器。Anton介紹道：“每當(dāng)飛機(jī)的頭部揚(yáng)起或下降時(shí)，端罩要承受極其巨大的力，所以對(duì)于飛行安全而言，它是至關(guān)重要的組件。所以過去這個(gè)組件往往非常堅(jiān)固，因此也就很重。”

為給這個(gè)端罩“瘦身”，輕型工程領(lǐng)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(jì)算機(jī)輔助工程）程序NX Nastran中。該算法將組件細(xì)分成10萬多個(gè)元件，然后模擬作用于其中每個(gè)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(huì)受力，因此可以去掉。“造物主設(shè)計(jì)人體骨骼的時(shí)候也是這樣的，讓它的結(jié)構(gòu)順應(yīng)外力。利用這種反復(fù)迭代優(yōu)化的過程，我們終得到了一個(gè)單純依靠理論永遠(yuǎn)也無法達(dá)到的解決方案。” Anton說道。

這項(xiàng)開發(fā)的成果是設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)不僅輕巧，同時(shí)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(gè)開始。開發(fā)人員現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出一款新的端罩雛形，它由碳纖維強(qiáng)化聚合物材料構(gòu)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(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方面，開發(fā)人員另辟蹊徑，再次找到了盡可能減輕機(jī)身重量的妙招。在定子中采用鈷鐵合金材料，實(shí)現(xiàn)很高的磁化能力，同時(shí)用哈爾巴赫陣列排列轉(zhuǎn)子的永磁體。也就是說，將四個(gè)磁體依次排列，每個(gè)磁體的磁場(chǎng)均相反。如此排列的結(jié)果之一是可以在使用少材料的情況下優(yōu)化磁通量導(dǎo)向。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)一種新的冷卻概念，能夠進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)液。” Anton解釋道。

上述所有方面的改進(jìn)都要求研發(fā)單位對(duì)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同流程擁有深厚的專業(yè)知識(shí)。“對(duì)換流器和發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)。另外，在西門子，我們致力于實(shí)踐電動(dòng)飛行的理念，具有持續(xù)開發(fā)新驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)力。” Anton指出。毋庸諱言，其他公司必然也已經(jīng)關(guān)注到這一領(lǐng)域，但據(jù)Anton估計(jì)，西門子在業(yè)界至少三年。

智能混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相結(jié)合，它采用的渦輪機(jī)不僅顯著小于現(xiàn)今的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，還能在飛行期間始終保持的運(yùn)轉(zhuǎn)。

研發(fā)目標(biāo)：混合動(dòng)力的地區(qū)航班

西門子研制出的新型電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)十分強(qiáng)勁，支持四座飛機(jī)飛行綽綽有余，為地區(qū)航班提供足夠動(dòng)力的目標(biāo)也并不遙遠(yuǎn)。從500千瓦到2000千瓦的功率足以在德國境內(nèi)運(yùn)送一組旅客。這樣的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境和機(jī)場(chǎng)附近的居民都是一種福音，因?yàn)樗鼈兛梢燥@著降低航空運(yùn)輸?shù)亩趸寂欧帕亢惋w機(jī)噪音。同時(shí)，航空公司也將因大幅節(jié)約成本而受益。“航空煤油占飛機(jī)生命周期成本的50%以上，采用混合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可使耗油量降低25%左右，這樣飛機(jī)的總體成本將能降低12%左右。” Anton解釋說。

之所以會(huì)如此，其原因是智能混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相結(jié)合，它采用的渦輪機(jī)不僅顯著小于現(xiàn)今的渦輪機(jī)，還能在飛行期間始終保持的運(yùn)轉(zhuǎn)。相比之下，現(xiàn)今的渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)大輸出功率只有在飛機(jī)起飛和爬升時(shí)才會(huì)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(dòng)混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，渦輪機(jī)可以持續(xù)地在高能效狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，通過發(fā)電機(jī)向電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)供電，從而為推進(jìn)器提供動(dòng)力。在起飛的時(shí)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(dòng)飛行的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。根據(jù)2013年簽訂的合作協(xié)議，西門子的主要任務(wù)是開發(fā)新型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，空客公司則負(fù)責(zé)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(qiáng)勁的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，那么首架混合電力驅(qū)動(dòng)的60-100座航班將有望早在2035年“沖上云霄”。