Перейти к содержимому 
В электродвигателестроении медь является королем, а архитектура обмоток — одним из основных рычагов, которые инженеры используют для балансировки плотности мощности, эффективности, охлаждения и технологичности. Более высокое содержание меди в статоре может снизить сопротивление обмотки и улучшить токовую нагрузку для данного размера корпуса, но только если конструкция также учитывает штрафы за магнитные, тепловые и высокочастотные потери, которые приводят к увеличению производительности. Традиционные двигатели используют пучки проводов круглого сечения, но эти круглые сечения оставляют большие карманы неиспользуемого пространства.
«Если вы возьмете такой двигатель, прорежете и посчитаете поверхность меди по сравнению с площадью, где находятся провода, вы получите что-то порядка 40% объема меди», — сказал доктор Флориан Кассель, соучредитель немецкого разработчика электродвигателей SciMo. Заряжено в интервью. «Это очень дешево в производстве, но допускает только очень малые токи и приводит к плохой производительности».
Плотность меди в статоре является ключевым свойством электродвигателя, определяющим производительность двигателя данного размера. Повышенная плотность меди приводит к уменьшению диаметра статора, уменьшению веса двигателя и уменьшению диаметра ротора, что позволяет увеличить скорость вращения. Увеличение диаметра двигателя, чтобы освободить место для большего количества меди, может привести к компромиссу в инерции ротора, механическом напряжении и высокоскоростной конструкции. В высокоскоростных машинах увеличение диаметра ради увеличения площади медной поверхности может поставить под угрозу некоторые преимущества в скорости, корпусе и динамике ротора, которые конструктор пытается сохранить.
Одним из решений является технология шпилек, применяемая в автомобильной промышленности: толстые медные стержни диаметром примерно 2,5-3 мм сгибаются, как скобы увеличенного размера, и вставляются в пазы статора. На дальней стороне каждый выступающий конец необходимо точно выровнять и приварить, образуя замкнутые петли.
Одним из недостатков больших прямоугольных проводников являются более высокие потери переменного тока на повышенных электрических частотах, особенно в высокоскоростных режимах работы. Это хорошо известная проблема, связанная с обмотками типа «шпилька», и одна из причин, по которой инженеры ищут способы уменьшить размеры проводников или иным образом уменьшить потери из-за скин-эффекта и эффекта близости.
Чтобы преодолеть эти ограничения, немецкая компания SciMo использует другой подход. Идея компании заключается не просто в использовании прямоугольных медных проводников (они уже используются в шпильковых двигателях), а в использовании более тонких прямоугольных плоских проводов в архитектуре распределенной обмотки в сочетании с производственным процессом, предназначенным для автоматизированного мелкосерийного производства. SciMo утверждает, что это позволяет повысить коэффициент заполнения медью выше 70%, избегая при этом некоторых проблем, связанных с гибкостью конструкции и потерями переменного тока, связанных с шпильочными проводниками большего сечения.
SciMo заявляет, что коэффициент заполнения медью в ее архитектуре обмотки превышает 70%. По сравнению с обычными распределенными обмотками с круглым проводом, доля которых, по данным компании, составляет около 45%, это значительно увеличивает заполнение слотов и может поддерживать более высокую токовую нагрузку и плотность мощности в данном двигателе.
Меньшее сечение проводника предназначено для уменьшения высокочастотных потерь, которые могут повлиять на шпильковые проводники большего сечения. Этот метод сочетает высокую плотность меди с большей эффективностью на высоких оборотах. «У нас нет этих негативных последствий, поэтому мы находимся где-то между этими двумя мирами и имеем действительно хороший компромисс», — добавил Кассель.
Этот метод намотки также имеет термическое преимущество. SciMo утверждает, что геометрическое расположение проводников создает более короткий и более равномерный тепловой путь от обмотки к охлаждаемой конструкции двигателя, что может помочь уменьшить точки перегрева и улучшить способность непрерывного тока.
В традиционных пучках круглых проводов сотни жил могут быть спрятаны в середине катушки, вдали от путей охлаждения. Шпильковые двигатели также создают проблемы с терморегулированием вокруг крупных проводников и сварных концевых соединений, а в некоторых конструкциях используется масляное охлаждение, чтобы помочь управлять этими областями. Точно расположенные плоские провода предназначены для улучшения отвода тепла от обмотки, что может дать инженерам больший тепловой запас до того, как перегрев станет ограничивающим фактором.
Результатом является необычайно высокая плотность мощности — по крайней мере, в пиковом выражении. SciMo публично заявляет о пиковой плотности мощности до 17 кВт/кг и постоянной плотности мощности выше 10 кВт/кг для некоторых двигателей. SciMo утверждает, что в автоспорте ее легкие двигатели могут способствовать очень высокой общей производительности системы в системах с несколькими двигателями. Компания описывает отдельные двигатели весом примерно 20–30 кг, при этом общая мощность системы достигает уровня, сравнимого с 2000 лошадиными силами в некоторых конфигурациях.
Снижение затрат на намотку за счет полной автоматизации
SciMo была основана в 2017 году тремя аспирантами, работающими в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), и поддерживала студентов университетской команды по формульным гонкам с использованием электродвигателей. Ежегодно около 60 студентов разрабатывают, собирают и управляют автомобилем на международных соревнованиях Formula Student Electric.
«За это время мы поняли, что эти двигатели исключительно хороши: у них значительно более высокая удельная мощность по сравнению со всеми конкурентами», — сказал Кассель. «В последующие годы эта команда выиграла титул чемпиона мира в этой серии и несколько раз занимала первые места — на тот момент мы знали: эта технология — это действительно что-то».
Команда SciMo выросла до 25 человек, которые работают над технологией полный рабочий день и строят бизнес, работая напрямую с клиентами, без поддержки со стороны внешних инвесторов для финансирования ее развития.
Но производство таких статоров было непростой задачей. В первые годы каждая единица требовала недель кропотливой ручной работы. «Сначала мы начали делать это вручную. Это было очень дорого. Всего на один статор ушло три недели».
Производство ограничивалось небольшими партиями, часто от трех до 30 двигателей на одного заказчика, в зависимости от проекта. Это ограничило бизнес нишевыми приложениями, готовыми покрыть высокие затраты на рабочую силу, такими как автоспорт или начинающие клиенты аэрокосмической отрасли.
Поворотный момент для компании наступил в 2022 году, когда она получила от ЕС около 2 миллионов евро финансирования EIC Accelerator для автоматизации производственного процесса.
Последовала полуавтоматизация. Машины помогали техникам наматывать статоры, что сократило время производства до одной недели.
Теперь компания добилась полной автоматизации производства, что является важным шагом на пути к выходу технологии за пределы сегодняшних нишевых рынков.
«С момента основания SciMo мы всегда ставили перед собой задачу полностью автоматизировать производство этой технологии намотки», — сказал Кассель. «Эта обмотка занимает 30-35% общих производственных затрат двигателя, и теперь мы можем снизить их вдвое. И чем больше объемов мы производим, тем выше становится прибыль».
Поскольку стоимость единицы продукции увеличивается с увеличением объема, компания теперь может рассматривать рынки, которые ранее были недоступны.
Масштабирование инноваций в области двигателей с роботизированной точностью
Новая намоточная линия опирается на роботизированные системы, управляемые сложным программным обеспечением, а не на традиционные станки с ЧПУ, которые доминируют в автомобильной промышленности. Эти роботы выполняют точные, контролируемые по силе движения, помещая каждый хрупкий прямоугольный провод в пазы статора с большей точностью, чем квалифицированные специалисты-люди. «Точность и производительность не снижаются», — отметил Кассель. «С автоматизацией ситуация действительно становится лучше».
Но точность имеет свою цену: время. В отличие от автомобильных двигателей со шпильковой обмоткой, которые можно производить примерно за 60 секунд на статор, даже при полной оптимизации, ожидается, что намотка одного статора SciMo займет примерно шесть часов. Это затрудняет масштабирование технологии для массового производства.
«Производство двигателей с использованием нашей технологии обмотки по-прежнему требует очень много времени», — сказал Кассель. «Мы никогда не будем конкурентами шпильковых технологий или чего-то в этом роде».
Вместо этого процесс, основанный на робототехнике, предлагает нечто одинаково ценное для определенных секторов: гибкость. Поскольку для обеспечения точности система использует программно-определяемые траектории движения, а не фиксированные инструменты, инженеры могут быстро переконфигурировать настройку обмотки, чтобы приспособить статор к различной геометрии или индивидуальной компоновке. Производство пяти единиц для исследовательской программы, 50 для производителя специализированных автомобилей или 500 для парка электробусов — все это попадает в сферу интересов компании.
Этот подход имеет практические ограничения. Для масштабирования производства до 10 000 единиц в год потребуется более 20–25 намоточных машин — инвестиции, которые сделают другие технологии более рентабельными. Но на нишевых рынках, где высокая производительность важнее сверхнизких производственных затрат, роботизированная система компании дает ей преимущество. Он может поставлять высокопроизводительные двигатели по индивидуальному заказу без жесткой оснастки и бремени переаттестации, которые ограничивают шпильку или другие традиционные технологии производства обмоток.
Компания SciMo заявляет, что благодаря автоматизации процесса намотки она теперь может ориентироваться на рынки с более жесткими ценовыми ограничениями, сохраняя при этом точность, необходимую для конструкции двигателей. Основным оставшимся ограничением является не стабильность производительности, а время цикла и экономика масштаба.
Поддержка автоспорта, авиации и новых горизонтов
Автоматизация позволяет SciMo доминировать в высокопроизводительных и мелкосерийных приложениях, в которых окупаются точность, адаптируемость и нетрадиционные разработки.
Это включает в себя автомобильный сектор высокого класса, где производители высокопроизводительных автомобилей готовы платить больше за повышенную удельную мощность.
«В автоспортивном бизнесе, где у нас есть партии от 100 до 200 двигателей в год, мы являемся крупным конкурентом, — сказал Кассель, — потому что вы можете либо иметь дешевый, нестандартный двигатель массового производства, либо перейти к изготовленным вручную двигателям по индивидуальному заказу, которые в значительной степени основаны на дорогих материалах и продаются по астрономическим ценам. SciMo находится как раз между этими двумя мирами».
Одним из наиболее перспективных применений является электрическая авиация, где вес имеет решающее значение. Одним из первых клиентов SciMo была компания, разрабатывающая электрические дроны, перевозящие людей. «Вы хотите иметь как можно меньший вес, и поэтому мы могли бы продавать эти двигатели по высоким ценам». Потребности отрасли идеально соответствуют легким и мощным двигателям компании.
«В настоящее время мы работаем во многих различных отраслях. Основные клиенты — представители автоспорта и авиационной промышленности, но мы также поставляем электродвигатели для ракетных двигателей или в качестве диномоторов для испытательных стендов», — сказал Кассель.
Готовим почву для следующего скачка в электродвигателестроении
Если SciMo удастся масштабировать, экономические последствия могут быть такими же преобразующими, как и прирост производительности. Около 70% стоимости обычных двигателей приходится на материалы, особенно на медь и сталь.
SciMo утверждает, что за счет более эффективной упаковки меди можно уменьшить размер двигателя и потребность в материалах для достижения заданной производительности, сохраняя при этом тепловые преимущества и преимущества упаковки, необходимые в высокопроизводительных приложениях. Компания также рассматривает тепловой запас как путь к будущим достижениям, особенно в сочетании с более совершенными магнитными материалами или электротехническими сталями с меньшими потерями.
«Теперь, если мы скажем, что нам нужна еще более высокая производительность, мы могли бы сделать это либо с помощью современных магнитных материалов для гораздо более высокой температурной устойчивости, либо с помощью ультратонкой электротехнической стали премиум-класса, чтобы еще больше сократить потери в статоре», — сказал Кассель.
Электродвигатели принципиально ограничены теплом, потому что при повышении температуры магниты ослабевают и могут быть окончательно разрушены. Но двигатели, изготовленные из термостойких материалов премиум-класса, могут выдерживать гораздо более высокие рабочие температуры.
«Для нас еще есть много возможностей для совершенствования; но на данный момент нам это не нужно. Мы просто счастливы, что теперь нам удалось полностью автоматизировать эту технологию намотки и передать эту экономию нашим клиентам», — сказал Кассель.
«Сейчас мы переживаем действительно интересный момент для компании, когда мы попытаемся расширить масштабы деятельности и найти новые рынки, и посмотрим, как пойдет дело. Но это точка, в которой мы находимся. Так что впереди нас ждут захватывающие времена».
