Повышение мощности двигателя с тонкой пленкой
Новое поколение термопластиков заменяет арамидные материалы и эмальные покрытия в двигателях, пишет Ник Флаэрти.
Этот современный термопластик, который уже начинают использовать с помощью существующего производственного оборудования в новых двигателях, позволяет снизить вес и повысить эффективность за счёт улучшенного теплорегулирования.
«Среди решений, которые мы выводим на рынок, — термопластики: полиэфир-этер-кетон PEEK и полифенилсульфон PPSU, которые могут использоваться в виде пленки для статоров и в качестве покрытий различных классов вместо эмалей», — сказал Луиджи Марино, глобальный менеджер по маркетингу электродвигателей в компании-разработчике материалов Syensqo.
«Наши материалы позволяют конструкторам двигателей использовать более тонкий изолятор. Арамидные листы имеют толщину 200–250 мкм, в то время как наши — 100–150 мкм. В качестве покрытия для проводов мы можем снизить толщину на 20%, сохраняя при этом свойства изоляции. Это открывает новые возможности для проектирования. Чем тоньше материал, тем лучше он подходит для конструкторов, поскольку устраняет тепловой барьер для охлаждения. Следовательно, чем тоньше материал, тем лучше происходит охлаждение, что повышает эффективность. Даже экономия в несколько микрометров позволяет установить больше меди в статоре».
Исследования показывают, что эффективность может увеличиться на 1–2 процентных пункта, а размеры и стоимость двигателей — снизиться на 8–10%, при этом сохраняется та же производительность. Это достигается за счёт использования меньшего количества слоев и меньших магнитов.
«Часть улучшения эффективности обусловлена теплоизоляционными свойствами вставки с канавками. Мы удваиваем теплопроводность, и в симуляциях наибольшая польза достигается за счёт уменьшения толщины».
«То, что позволяет снизить толщину, — это сочетание механических и электрических свойств. Наши отделы исследований и разработок работали над тем, чтобы механические свойства оставались подходящими при меньшей толщине, поэтому мы не используем стандартный PEEK. Мы разрабатываем специальные сорта вставок с канавками и покрытий для проводов с разными характеристиками, обеспечивающими баланс между удлинением и изоляцией», — сказал он.
«Ещё один аспект заключается в том, что наши напылительные материалы и покрытия можно обрабатывать с помощью существующего оборудования. Мы провели исследование с компанией, производящей оборудование для производства, и было успешно использовано именно такое же оборудование. Потребовалась лишь небольшая настройка параметров машины», — сказал он.
Цель состоит в поддержании скорости производства при минимальном уровне отходов, а также в достижении скоростей производства, сопоставимых или даже лучших. «Я не видел электродвигателя, в котором бы арамидная бумага работала, в то время как наши пленки по принципу не сработали бы», — сказал он.
Процесс производства термопластика для покрытия проводов в электродвигателях существенно отличается от процесса, используемого для производства изоляции.
«Для покрытия проводов мы поставляем гранулы производителям магнитных проводов, которые затем продают покрытые провода OEM-производителям», — сказал он. «У нас внутри есть две линии экструзии для исследований и разработок, причем одна из них идентична тем, что используют производители магнитных проводов».
«При использовании термопластиков методом экструзии не требуются растворители, что делает процесс более экологичным и энергоэффективным. Оборудование отличается и гораздо проще по сравнению с оборудованием для эмалирования, причем существует несколько поставщиков — среди них и традиционные компании по производству эмали, которые переходят на технологию экструзии».
«Основным препятствием для внедрения является необходимость того, чтобы конструктор учитывал этот метод с самого начала процесса проектирования для получения максимальной пользы, но мы видели несколько случаев, когда внедрение таких решений в существующие конструкции оказалось простым».
«Мы видим, что толщина в 50 мкм может быть достаточной для изоляции в некоторых конструкциях, но при толщине меньше 100 мкм возникают сложности при изготовлении статора. Хотя материалы толщиной 100 мкм можно обрабатывать практически где угодно, ниже этого порога ограничения определяются конструкцией электродвигателя, производственным оборудованием и скоростью работы, а также объемом продукции, который необходимо произвести. В некоторых случаях, возможно, удастся снизить толщину до 50 мкм, но это еще не подтверждено. Это скорее область исследований для каждой конкретной конструкции. Для нас нет проблем с производством пленок толщиной 50 мкм и менее, поскольку мы используем гораздо более низкие значения в других приложениях».
Луиджи Марино начал свою карьеру как инженер-проектировщик электродвигателей в компании Magneti Marelli. За последнее десятилетие он занимал различные должности во всей цепочке создания электродвигателей — от производителей оборудования до поставщиков материалов. В 2022 году Луиджи присоединился к компании Solvay в качестве руководителя глобальной команды по разработке применений электродвигателей, где он руководил глобальной технологической стратегией и работами по разработке продуктов в рамках проекта Syensqo. В этой роли он управлял командой инженеров, занимавшихся разработкой новых материалов, управлением портфелем интеллектуальной собственности, а также созданием современных методов тестирования и прототипирования для поддержки разработок и рыночных возможностей в секторах транспорта, авиастроения и энергетики.