O samochodach elektrycznych zbyt często rozmawiamy tak, jakby cała przyszłość zależała wyłącznie od akumulatorów. Problem w tym, że auto elektryczne nie jedzie samym akumulatorem i wydaje mi się, że coraz ważniejsza bitwa rozgrywa się w miejscach mniej efektownych dla przeciętnego kierowcy, ale znacznie ciekawszych z punktu widzenia inżynierii. W falownikach, materiałach magnetycznych, chłodzeniu, uzwojeniach, cienkich blachach elektrotechnicznych i samym kształcie silnika, którego ciekawą formę pokazali właśnie Chińczycy.
Silnik o strumieniu osiowym nie jest nowym pomysłem, ale dopiero teraz zaczyna mieć sens
Chiński zespół zaprezentował światu silnik o strumieniu osiowym, który według dostępnych danych przekracza 18000 obr./min i osiąga gęstość mocy 25,73 kW/kg. Kluczowy ma być nie tylko sam układ silnika, ale też specjalnie opracowany materiał magnesów trwałych, poprawiający parametry magnetyczne, stabilność w wysokiej temperaturze i wytrzymałość mechaniczną, a przy tym mający nadawać się do produkcji na dużą skalę.
Najważniejsze jest tu słowo “osiowy”. W klasycznym silniku radialnym strumień magnetyczny biegnie promieniowo, czyli od środka na zewnątrz. W silniku o strumieniu osiowym przepływa zaś równolegle do osi wału, a cała konstrukcja przyjmuje bardziej płaski, dyskowy kształt. Dzięki temu moment obrotowy powstaje bliżej zewnętrznej krawędzi wirnika, co pozwala wycisnąć więcej momentu i mocy z mniejszej objętości.
Czytaj też: Toyota nie chce zabić silnika spalinowego. Chce go upić ciekłym wodorem do Le Mans
Wysokie obroty w silniku o płaskiej architekturze są zaś bardzo trudne do osiągnięcia, a to przez problemy ze stabilnością mechaniczną, odkształceniami i nierównomiernymi siłami magnetycznymi. Do tego dochodzi temperatura, która w silniku elektrycznym potrafi bardzo szybko ograniczyć osiągi. Magnesy trwałe nie lubią przegrzewania, a demagnetyzacja pod obciążeniem może zniszczyć przewagę całej konstrukcji. Chińskie prace skupiają się więc na materiale magnesów, a w tym na składzie, mikrostrukturze i odporności na wysoką temperaturę, żeby ograniczyć spadek parametrów podczas pracy z dużą prędkością i pod dużym obciążeniem.
Co ciekawe, ten typ silnika nie narodził się jednak dopiero w 2026 roku. Jego korzenie sięgają XIX wieku i eksperymentów Michaela Faradaya. Przez dekady pozostawał jednak rozwiązaniem trudnym do wdrożenia szeroko w przemyśle, bo wymagał bardzo dobrych magnesów, precyzyjnej produkcji, kontroli temperatury i elektroniki mocy, która potrafi utrzymać całość w ryzach. Teraz te elementy zaczynają spotykać się w jednym miejscu.
Dlaczego płaski silnik jest ważniejszy od kolejnych akumulatorowych obietnic?
W samochodzie elektrycznym każdy kilogram i każdy centymetr przestrzeni ma znaczenie. Lżejszy silnik może oznaczać mniejszą masę auta, większą swobodę projektowania podwozia, więcej miejsca na akumulator, pasażerów albo układ chłodzenia. Chińscy badacze twierdzą, że silniki o strumieniu osiowym mogą ograniczyć masę i długość osiową silnika o około 50 procent względem tradycyjnych jednostek o porównywalnych osiągach. Nie musi to automatycznie oznaczać tańszych samochodów ani nagłego skoku zasięgu, ale otwiera drzwi do innego projektowania napędu. Oczywiście nie tylko w Chinach.
Firma YASA, należąca do Mercedes-Benz, od lat rozwija silniki tego typu i opisuje je jako jednostki o znacznie większej gęstości momentu oraz mocy niż typowe silniki stosowane w autach elektrycznych. Ten producent podaje, że technologia może oferować do czterech razy wyższą gęstość momentu, dwukrotnie wyższą gęstość mocy, o połowę mniejszą masę i zaledwie około 20 procent głębokości typowej maszyny radialnej. Oczywiście są to dane producenta, więc trzeba zachować ostrożność, ale kierunek jest spójny. Nie chodzi już wyłącznie o więcej mocy, tylko o upchnięcie tej mocy w mniejszym i lżejszym pakiecie.
Czytaj też: Elektryczne samoloty na horyzoncie. Silnik nadprzewodnikowy naprawdę działa
Dlatego chiński wynik 25,73 kW/kg jest ciekawy, ale nie absolutnie bezkonkurencyjny w całym świecie prototypów. YASA chwaliła się już eksperymentalnymi jednostkami o znacznie wyższej gęstości mocy, ale tam mówimy o bardzo zaawansowanych rozwiązaniach i krótkotrwałych osiągach szczytowych. W przypadku nowego projektu z Chin są zaś szanse, że ten nowy silnik znajduje się już blisko produkcji seryjnej.
Chiny nie rozwijają jednego silnika. One budują cały ekosystem napędu
Chiny rozwijają elektryczne silniki w najlepsze. Przykładowo Xiaomi w modelu YU7 GT ma korzystać z napędu HyperEngine V8S EVO, którego silnik osiąga do 28000 obr./min, wykorzystuje moduł mocy z węglika krzemu i ultracienkie laminacje stalowe o grubości 0,15 mm, a jego deklarowana sprawność szczytowa sięga 98,38 procent. BYD z kolei wprowadza silniki trakcyjne o mocy 240 kW do coraz tańszych segmentów rynku. Razem pokazuje to szerszy obraz – chińska elektromobilność przestała być wyłącznie wojną na ceny i akumulatory. Coraz częściej chodzi o elektronikę mocy, sprawność, produkcję, integrację i różne architektury napędu.
Patrzę na to podobnie jak na ostatnie zmiany w chińskich hybrydach plug-in. Przy coraz większych akumulatorach w chińskich PHEV widać było, że granica między klasyczną hybrydą a autem elektrycznym z generatorem zaczyna się rozmywać. Przy silnikach dzieje się coś podobnego, tylko ciszej. Konstrukcja napędu przestaje być neutralnym elementem pod maską, a zaczyna decydować o tym, ile miejsca zostanie dla reszty pojazdu.
Czytaj też: Taki silnik w motocyklu był kiedyś marzeniem. Teraz jest cenowym szaleństwem
W tym sensie nowy typ silnika jest fragmentem większej układanki. Nie zastąpi oczywiście nagle wszystkich silników radialnych, bo te są tanie, znane, dopracowane i produkowane w ogromnych liczbach. Nie sprawi też, że każdy elektryk będzie lżejszy o setki kilogramów. Jednak może stać się jednym z tych rozwiązań, które najpierw trafią do droższych modeli, robotyki, maszyn specjalnych i lotnictwa, a później zaczną schodzić niżej, gdy przemysł nauczy się produkować je taniej.
Źródła: Interesting Engineering, CarNewsChina
