KOMEL - Silniki w piastach kół pojazdów elektrycznych
Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL jest producentem silników i napędów elektrycznych od 70 lat. W tym zakresie dostarczał napędy dla różnych gałęzi przemysłu od silników ogólnego przeznaczenia przez silniki i napędy dla przemysłu chemicznego, elektromobilności, lotnictwa po ciężkie napędy górnicze pracujące w strefach zagrożonych wybuchem czy napędy elektryczne dla obronności.
Działalność KOMELu obejmuje projektowanie silników i generatorów elektrycznych zwłaszcza nietypowych, które stanowią dla inwestora przewagę konkurencyjną na rynku, badania laboratoryjne zgodnie z wymaganymi przez daną aplikację normami oraz wdrożenie do produkcji seryjnej w zakładzie produkcyjnym KOMELu.
Elektromobilość jest obecnie jednym z najbardziej dynamicznie rozwijanych obszarów i jednocześnie najpopularniejszym wśród partnerów biznesowych KOMELu. Jednym z pierwszych napędów dla samochodów elektrycznych opracowanym i produkowanym seryjnie przez KOMEL był napęd do pierwszego w Europie produkowanego seryjnie samochodu elektrycznego SAM ReVolt. Ten samochód produkcji Szwajcarskiej był sprzedawany głównie na rynku zachodnim. Obecnie marka została wykupiona przez inwestora polskiego.
Jednym z najnowszych przedsięwzięć KOMELu są prace badawcze i projektowe, mające na celu opracowanie rozwiązań technicznych oraz technologicznych, które w efekcie pozwolą na świadczenie usług związanych z projektowaniem i produkcją silników do zabudowy w piaście koła dla różnego rodzaju pojazdów elektrycznych. Prace realizowane są w ramach programu LIDER VII w całości finansowanego przez Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Przyznany przez NCBiR budżet projektu wynosi 1 173 500.00 PLN.
Wraz z rozwojem techniki oraz technologii związanych z napędami i samymi silnikami elektrycznymi, producenci są w stanie osiągać coraz lepsze parametry eksploatacyjne napędów przy równoczesnym zachowaniu ich wysokiej sprawności energetycznej. Jednym z głównych kierunków rozwoju napędów jest uzyskiwanie jak największego stosunku momentu obrotowego (maksymalnego i możliwego do osiągnięcia przy pracy długotrwałej) do objętości/masy (tzw. współczynnik gęstości mocy /momentu). W taki trend bardzo dobrze wpisuje się koncepcja napędu bezpośredniego (rysunek 1), która oferuje szereg zalet, w tym:
wyeliminowanie przekładni mechanicznych, które oprócz zmniejszenia sprawności układu stanowią element, który wymaga konserwacji i może ulec uszkodzeniu,
udostępnienie dodatkowego miejsca w pojeździe, które może posłużyć do zamontowania baterii zasilających,
brak potrzeby pośrednich transmisji mocy przez półosie napędowe, mechanizmy różnicowe oraz inne, złożone mechanizmy,
możliwość stosunkowo prostego zaimplementowania napędu na 2 lub 4 koła,
efektywniejsze hamowanie rekuperacyjne (pominięcie spadku sprawności układu napędowego z uwagi na przełożenia),
stosunkowo łatwy demontaż silnika podczas serwisu,
lepsza sterowność pojazdem z uwagi na możliwość bezpośredniego zadawania momentu osobno na każde z kół.
Opracowana koncepcja napędu pojazdu elektrycznego posiada szereg wyzwań z jakimi musieli się zmierzyć konstruktorzy:
konstrukcja w niektórych zastosowaniach jest bardziej skomplikowana pod względem uszczelnienia/zachowania wysokiego IP.
dodatkowa masa nieresorowana, wynikająca z masy zamontowanych w kołach silników,
utrudnione chłodzenie silnika,
ograniczona przestrzeń, w której jest wbudowany silnik,
Na rysunku 2 przedstawione zostały różne konfiguracje napędów pojazdów elektrycznych oraz ich redukcja od standardowej (rysunek 2a) do oferowanej przez Instytut KOMEL (rysunek 2f). Przykładową aplikacją, nad którą Instytut KOMEL obecnie pracuje jest silnik napędowy do samochodu osobowego. W zależności od gabarytów samochodu oraz wymaganych parametrów jezdnych, układ napędowy może być rozłożony na 2 lub 4 koła (lub więcej np. w przypadku autobusów, transporterów czy platform wojskowych).
Rys. 1. Rozłożony model koła samochodowego z silnikiem elektrycznym
Rys. 2. Różne konfiguracje napędów pojazdów elektrycznych. EM – silnik elektryczny, FG – stała przekładnia, C – sprzęgło, GB
Rys. 3. Model 3D prototypu silnika do zabudowy w piaście koła samochodu elektrycznego
Rys. 4. Model 3D przekroju rozłożonego prototypu silnika do zabudowy w piaście koła samochodu elektrycznego
Obliczone wstępne parametry pracy silnika do zabudowy
w piaście koła samochodu osobowego (w feldze 17"):
ULL = 200 V
Pn = 42 kW
nn = 1000 obr/min
Mn = 400 Nm
Pmax = ok. 80 kW
Mmax = ok. 900 Nm (w zakresie prędkości 0-850 obr/min)
W przypadku napędu na dwa koła (rysunek 2f) zastosowanym np. w samochodzie typu Fiat Panda szacowaną, maksymalna, stała prędkość z jaką będzie mógł poruszać się pojazd to 150 km/h natomiast prędkość od 0 do 100 km/h będzie w stanie osiągnąć w ciągu ok. 6-7 s.
Silniki tego typu mogą być szeroko stosowane w przemyśle pojazdów elektrycznych dla różnych zastosowań: od małych samochodów miejskich, przez samochody osobowe i rodzinne, po samochody dostawcze i autobusy. Należy zwrócić uwagę, że silniki zabudowane w piastach kół mogą również pełnić funkcje wspomagające napęd innego typu, w tym również spalinowy np. podczas ruszania, gdy wymagane są od napędu największe wartości momentu obrotowego lub podczas wykonywania manewrów, zwiększając dynamikę jazdy.
Uwzględniając liczne zapytania ze strony przedsiębiorców oraz wyniki obserwacji rynku pojazdów elektrycznych można zauważyć, że koncepcja napędu bezpośredniego nie ogranicza się jedynie do aplikacji w typowych pojazdach drogowych (samochody i motory). Zalety tego typu rozwiązania kwalifikują je również do zastosowania w wielu innych aplikacjach, takich jak: przemysłowe pojazdy transportowe i pojazdy serwisowe stosowane w dużych fabrykach, magazynach, kopalniach czy lotniskach, pojazdy rekreacyjne, takie jak wózki golfowe, quady, drony naziemne, pojazdy wojskowe, policyjne lub pożarnicze.
Proponowana przez instytut oferta obejmuje kompleksowe wdrożenie napędów elektrycznych od projektu konsultowanego z indywidualnym klientem przez wykonanie badań na prototypie w naszych laboratoriach oraz wdrożenie produkcji w naszym zakładzie produkcyjnym lub sprzedaży dokumentacji. Jest to podejście bardzo elastyczne, ukierunkowane na współpracę z inwestorem, gwarantujące opracowanie produktu dopasowanego do szczególnych wymagań klienta opracowującego pojazd elektryczny. Taki rodzaj usług jest bardzo potrzebny dla tworzenia krajowego przemysłu samochodów elektrycznych.
Z doświadczenia instytutu wynika, że bardzo duży potencjał inwestycji w nowe rozwiązania związane z elektromobilnością jest niewykorzystywany z uwagi na małą dostępność układów napędowych o wymaganych parametrach pracy. Bardzo często przewaga techniczna oraz rynkowa tkwi w samym rozwiązaniu konstrukcyjnym silnika lub układzie sterowania. Zapotrzebowaniem inwestora jest w takim przypadku nie tylko opracowanie rozwiązania technicznego dla danej aplikacji/pomysłu ale również pozyskanie producenta rozwiązania, który będzie w stanie opracować technologię produkcyjną i zapewnić regularne dostawy napędu.Taką współpracę oferuje KOMEL w zakresie napędów elektrycznych, również wykorzystujących silniki w piastach kół pojazdu. Oferta skierowana do inwestorów, zgodnie z mottem projektu brzmi:
"Nie naginaj swoich potrzeb do istniejących rozwiązań...
... Zbuduj z nami Swój własny silnik!"
Projekt „Innowacyjne Rozwiązania Napędu Bezpośredniego Pojazdów Elektrycznych”, współfinansowany ze środków NCBiR w ramach programu LIDER VII, zgodnie z umową: LIDER/24/0082/L-7/15/NCBR/2016
