Підсилення двигуна тонкоплівкового типу
Нове покоління термопластиків замінює арамідні папери та емальовані покриття в двигунах, пише Нік Флахерті.
Цей передовий термопластик, який зараз використовується з існуючим обладнанням у новому поколінні двигунів, дозволяє зменшити їхню вагу та підвищити ефективність завдяки кращому контролю температури.
«Серед рішень, які ми вивели на ринок, є термопластики – полімери PEEK [поліетер-ефір-кетон] та PPSU [поліфенілсульфон] – які можна використовувати у вигляді плівки для статорів та як покриття різних класів замість емалей», — сказав Луїджі Маріно, керівник з маркетингу електродвигунів у компанії-розробнику матеріалів Syensqo.
«Наші матеріали дозволяють інженерам-конструкторам використовувати тонший ізоляційний шар. Арамідні папери мають товщину 200–250 μm, тоді як наші – 100–150 μm. Як покриття для дротів ми можемо зменшити товщину на 20%, зберігаючи при цьому властивості ізоляції. Це відкриває нові можливості для проектування. Чим тонший матеріал, тим краще він підходить для конструкторів, оскільки усуває тепловий бар’єр для охолодження. Отже, чим тонший матеріал, тим краще ефективність охолодження, що підвищує ефективність самого двигуна. Навіть економія кількох мікрон дозволяє помістити більше міді у статор».
Дослідження показують, що ефективність може зрости на 1–2 відсоткові пункти, а розміри та вартість двигунів – зменшитися на 8–10%, при цьому зберігаючись ту саму продуктивність. Це досягається за рахунок використання меншої кількості шарів та менших магнітів.
«Частина підвищення ефективності походить від теплоізоляції за допомогою вкладки для щілин. Ми подвоїли теплопровідність, і, згідно з симуляціями, найбільша користь досягається завдяки зменшенню товщини», — сказав він.
«Те, що дозволяє зменшити товщину, — це поєднання механічних та електричних властивостей. Наші відділи досліджень та розробок працюють над забезпеченням того, щоб механічні властивості були придатними для менших товщин, тому ми не використовуємо стандартний PEEK. Ми розробляємо спеціальні сорти для вкладок у щілини та покриття дротів із різними характеристиками для збалансування еластичності та ізоляції», — додав він.
«Інший аспект полягає у тому, що наші вкладки та покриття можна обробляти за допомогою існуючого обладнання. Ми провели дослідження з компанією, яка виробляє обладнання для виробництва, і саме таке ж обладнання було успішно використано. Потрібно було лише дослідним шляхом налаштувати параметри машини», — сказав він.
Метою є збереження швидкості виробництва при мінімальному рівні відходів та досягнення подібних, а то й кращих показників продуктивності. «Я не бачив електродвигунів, у яких б арамідний папір працював, тоді як наші плівки за принципом не функціонували б», — сказав він.
Процес виробництва термопласту для покриття дротів у двигуні суттєво відрізняється від процесу, який використовується для виробництва ізоляції.
«Для покриття дроту ми продаємо гранули виробникам магнітних дротів, а вони, у свою чергу, продають покриті дроти виробникам оригінального обладнання», — сказав він. «У нас є дві лінії екструзії для досліджень та розробок, і одна з них ідентична тим, що використовують виробники магнітних дротів».
«При використанні термопластиків шляхом екструзії не потрібні розчинники, що робить процес більш екологічним та енергоефективним. Обладнання відрізняється та є значно простішим порівняно з обладнанням для емалювання, існує кілька постачальників, серед яких є традиційні компанії з виробництва емалей, які починають працювати в сфері екструзії».
«Основною перешкодою для впровадження є те, що проектувальник повинен враховувати ці технології з самого початку процесу проектування, щоб отримати максимальну користь, проте ми бачили кілька випадків, коли було просто інтегрувати ці рішення в існуючі проекти».
«Ми бачимо, що товщина 50 μm може бути достатньою для ізоляції в деяких конструкціях, але при товщині менше 100 μm стає складніше виготовляти статор. Хоча матеріали товщиною 100 μm можна обробляти практично всюди, нижче цього порогу обмеження визначаються конструкцією електродвигуна, виробничим обладнанням та швидкістю роботи, а також об’ємом, який потрібно досягти. У деяких випадках, ймовірно, можна знизити товщину до 50 μm, але це ще не підтверджено. Це радше сфера досліджень для кожної окремої конструкції. Для нас немає проблем із виробництвом плівок товщиною 50 μm або менше, оскільки ми використовуємо значно менші товщини для інших застосувань».
Луїджі Маріно розпочав свою кар’єру як інженер з проектування електродвигунів у компанії Magneti Marelli. Протягом останнього десятиліття він обіймав різні посади в усіх ланках ланцюга створення електродвигунів – від виробників автомобілів до постачальників матеріалів. У 2022 році Луїджі приєднався до компанії Solvay на посаду керівника глобальної команди з розробки застосувань електродвигунів, де керував глобальною технологічною стратегією та зусиллями з розробки продуктів у рамках проекту Syensqo. На цій посаді він керував командою інженерів, які працювали над створенням інноваційних рішень з використанням нових матеріалів, керував портфелем інтелектуальної власності та розробляв сучасні методи тестування та створення прототипів для підтримки розвитку та використання цих технологій у секторах транспорту, авіації та енергетики.