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強勁的超輕型發動機助力電動飛行

西門子開發出一款杰出的電動發動機，它兼具大功率和超輕盈之優勢。發動機的所有部件均得到系統化改進，由此造就的全新驅動系統在同級別產品中創造了功率-重量比的世界紀錄。這項開發成果是電動飛機和電動直升機普及化道路上的重要一步。

有時候，幾個簡單的數據就足以表明一項技術革新。對于這款全新的電動發動機，這個數據就是5千瓦/千克。這個數據代表西門子中央研究院電動飛機部新研發的電動發動機的功率-重量比。“新發動機的重量是50千克，但它可以持續供應260千瓦左右的電力。”電動飛機團隊負責人Frank Anton博士介紹道，“它打破了這一功率等級的世界紀錄。當前業界采用的強勁電動發動機的功率-重量比高不超過1千瓦/千克，在汽車行業，他們高也只達到了2千瓦/千克。”

對于西門子團隊關注的應用領域，功率-重量比是一項關鍵指標。畢竟，他們的長遠目標是帶來整個航空業的變革。2011年，Anton的研發團隊與空客集團、鉆石飛機攜手合作，實現了有史以來*架混合電動飛機的首航。2013年，這架飛機再次啟航，當時它的驅動系統已得到優化。那一次所使用的新電動發動機的功率-重量比為5千瓦/千克左右，在當時這個水平已經，不過這款發動機的持續供電水平相對一般，大約為60千瓦——多只能支撐單引擎輕型飛機的航行。

因此，Anton的目標是開發出一款更為強勁、輕盈*的電動發動機，唯有如此才能*取代目前飛機和直升機中采用的內燃式引擎或噴氣式引擎，或者將這些引擎與電動驅動系統相結合，組成混合系統。

為給這個端罩“瘦身”，輕型工程領域的專家和西門子產品生命周期部門的開發人員聯合開發出了一種專門的優化算法，并將其集成到西門子CAD（計算機輔助工程）程序NX Nastran中。

算法增強締造世界紀錄

西門子研究人員開發出了一種新型電動發電機，
它的重量只有50千克，但能夠持續輸出260千瓦左右的電能，
這一水平比同類驅動系統高出五倍。

為研制出一款創紀錄的發動機，大型驅動部和中央研究院的專家們著手對以往發動機的所有組件展開測試，在技術可行范圍內對組件進行優化。通過這一系列工作，他們得以將發動機端罩的重量縮減一半以上，從10.5千克減輕到只有4.9千克。端罩由鋁質材料制成，此組件安裝到連續驅動軸上，中間沒有變速箱，端罩的作用是支撐發動機的軸承和推進器。Anton介紹道：“每當飛機的頭部揚起或下降時，端罩要承受極其巨大的力，所以對于飛行安全而言，它是至關重要的組件。所以過去這個組件往往非常堅固，因此也就很重。”

為給這個端罩“瘦身”，輕型工程領域的專家和西門子產品生命周期部門的開發人員通力合作，開發出了一種專門的優化算法，并將其集成到西門子CAE（計算機輔助工程）程序NX Nastran中。該算法將組件細分成10萬多個元件，然后模擬作用于其中每個元件的力。經過無數次的優化環節，軟件終能夠判斷出哪些元件基本不會受力，因此可以去掉。“造物主設計人體骨骼的時候也是這樣的，讓它的結構順應外力。利用這種反復迭代優化的過程，我們終得到了一個單純依靠理論永遠也無法達到的解決方案。” Anton說道。

這項開發的成果是設計出的結構不僅輕巧，同時還滿足硬度和穩定性方面的所有安全要求。而這僅僅是個開始。開發人員現在已經設計出一款新的端罩雛形，它由碳纖維強化聚合物材料構成，重量只有2.3千克，不到傳統組件的四分之一。

在發動機的電磁設計方面，開發人員另辟蹊徑，再次找到了盡可能減輕機身重量的妙招。在定子中采用鈷鐵合金材料，實現很高的磁化能力，同時用哈爾巴赫陣列排列轉子的永磁體。也就是說，將四個磁體依次排列，每個磁體的磁場均相反。如此排列的結果之一是可以在使用少材料的情況下優化磁通量導向。此外，研究人員還發現一種新的冷卻概念，能夠進一步減輕重量。“由于電流密度很大，我們需要一種巧妙的方法來處理廢熱，我們使用直接冷卻的導體，將銅損失直接釋放到絕緣冷卻液中，比如說，我們這里用的是硅油或熱傳導液。” Anton解釋道。

上述所有方面的改進都要求研發單位對電動發動機的不同流程擁有深厚的專業知識。“對換流器和發動機具有如此深入了解的公司可謂鳳毛麟角，更不用說有幾十年在各類不同甚至環境下展開研究的經驗。另外，在西門子，我們致力于實踐電動飛行的理念，具有持續開發新驅動系統的實力。” Anton指出。毋庸諱言，其他公司必然也已經關注到這一領域，但據Anton估計，西門子在業界至少三年。

智能混合驅動系統將電動發動機與內燃機相結合，它采用的渦輪機不僅顯著小于現今的渦輪發動機，還能在飛行期間始終保持的運轉。

研發目標：混合動力的地區航班

西門子研制出的新型電動發動機十分強勁，支持四座飛機飛行綽綽有余，為地區航班提供足夠動力的目標也并不遙遠。從500千瓦到2000千瓦的功率足以在德國境內運送一組旅客。這樣的驅動系統對于環境和機場附近的居民都是一種福音，因為它們可以顯著降低航空運輸的二氧化碳排放量和飛機噪音。同時，航空公司也將因大幅節約成本而受益。“航空煤油占飛機生命周期成本的50%以上，采用混合電驅動系統可使耗油量降低25%左右，這樣飛機的總體成本將能降低12%左右。” Anton解釋說。

之所以會如此，其原因是智能混合驅動系統將電動發動機與內燃機相結合，它采用的渦輪機不僅顯著小于現今的渦輪機，還能在飛行期間始終保持的運轉。相比之下，現今的渦輪機的設計大輸出功率只有在飛機起飛和爬升時才會用到。除此以外，它們只需要用到大輸出功率的60%。“如果采用煤油電動混合驅動系統，渦輪機可以持續地在高能效狀態下運轉，通過發電機向電動發動機供電，從而為推進器提供動力。在起飛的時候，可以由電池提供額外電能。” Anton介紹道。

西門子目前正在與空客公司合作，力推電動飛行的愿景變為現實。根據2013年簽訂的合作協議，西門子的主要任務是開發新型電驅動系統，空客公司則負責尋找全新的航空理念。如果工程師們成功研發出更輕、更強勁的電動發動機，那么首架混合電力驅動的60-100座航班將有望早在2035年“沖上云霄”。