Niemiecki sektor badawczo-rozwojowy ruszył z ambitnym przedsięwzięciem, którego celem jest stworzenie elektrycznego układu napędowego nowej generacji. Inżynierowie z RWTH Aachen, Uniwersytetu w Stuttgarcie i Uniwersytetu Erlangen-Nürnberg wspierani przez federalny program transformacji przemysłu stawiają na konstrukcję, która ma zaoferować wysoką gęstość mocy, mniejsze zużycie krytycznych surowców i znacząco niższy koszt jednostkowy. Prace realizowane są w ramach konsorcjum NAFTech, a ich efekt może w perspektywie dekady zmienić układ sił w elektromobilności i przemyśle maszynowym.

Dlaczego przemysł potrzebuje nowej architektury napędu?

Rosnąca sprzedaż pojazdów elektrycznych ujawniła dwa strategiczne problemy: uzależnienie od importu metali ziem rzadkich oraz trudności w skalowaniu produkcji przy akceptowalnym koszcie. Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe odpowiadają nawet za 40%. wartości materiałowej typowego silnika trakcyjnego, a ich ceny według indeksu Asian Metal niemal się podwoiły w ciągu ostatnich pięciu lat. Dodatkowo Międzynarodowa Agencja Energii ostrzega, że popyt na neodym i dysproz może w 2030 r. przekroczyć dostępne moce wydobywcze o ponad 25%.

Producenci samochodów intensywnie poszukują więc alternatyw, które pozwolą uniezależnić się od niestabilnych łańcuchów dostaw i zredukować ślad środowiskowy. Rozwiązaniem może być silnik synchroniczny reluktancyjny o strumieniu osiowym – konstrukcja łącząca płaski układ wirnika z zasadą zmiennej reluktancji, czyli dążenia pola magnetycznego do toru o najmniejszej oporności. Właśnie tej topologii poświęcono projekt NAFTech.

Technologia AF-SynRM: kompaktowy projekt bez metali ziem rzadkich

W klasycznym silniku osiowym moment obrotowy rośnie dzięki wykorzystaniu silnych magnesów trwałych rozmieszczonych na tarczowych wirnikach. Zespół z Aachen zastępuje je specjalnie profilowanymi szczelinami w stali elektrycznej, które kierują strumień magnetyczny i tworzą tzw. bariery reluktancyjne. Zasilanie uzwojeń stojana wzbudza pole obracające się, a zmienny opór magnetyczny powoduje, że wirnik dąży do wyrównania pola – powstaje moment napędowy bez udziału pierwiastków rzadkich.

Kluczowe zalety nowej architektury to: wyjątkowo płaska budowa (grubość poniżej 70 mm przy średnicy 300 mm), wysoki współczynnik momentu do masy przekraczający 45 Nm/kg oraz sprawność szczytowa powyżej 96%. Dzięki osiowemu przepływowi strumienia urządzenie lepiej odprowadza ciepło, co umożliwia zwiększenie gęstości mocy nawet o 20%. względem silników promieniowych spotykanych dziś w segmentach C-SUV.

Ekonomia: połowa kosztu i większa odporność łańcucha dostaw

Według estymacji konsorcjum wyeliminowanie magnesów oraz uproszczenie procesu nawijania cewek przekłada się na spadek kosztu materiałowego o 35–50%. w porównaniu z obecnie produkowanymi napędami PMSM. Oznacza to nie tylko tańszy silnik, ale także mniejszą zmienność cen – stal elektryczna i miedź mają wielokrotnie głębszy rynek niż pierwiastki ziem rzadkich.

Dla małych i średnich przedsiębiorstw, które dostarczają komponenty do autobusów, wózków widłowych czy maszyn rolniczych, bariera wejścia w technologię wysokosprawnych napędów gwałtownie maleje. Profesor Achim Kampker z RWTH Aachen szacuje, że przy produkcji do 50 tys. sztuk rocznie całkowite nakłady inwestycyjne w linie montażowe mogą spaść o jedną trzecią dzięki rezygnacji z procesów klejenia i magnetyzacji wirników.

Od cyfrowego bliźniaka do pilotażowej linii produkcyjnej

Konstrukcja axial-flux stawia wysokie wymagania wobec precyzji montażu – odstęp między tarczami wirnika i stojana liczony jest w setnych milimetra. Zespół ze Stuttgartu opracował więc w pełni parametryczny model MES połączony z narzędziami tolerancji geometrycznej; symulacje pozwalają przewidzieć wpływ każdej odchyłki na hałas, wibracje i sprawność. Dane z wirtualnych testów trafiają do algorytmów uczenia maszynowego, które optymalizują kolejność operacji w czasie rzeczywistym.

Równolegle w Erlangen powstał demonstrator o mocy 180 kW, zintegrowany z inwerterem SiC i systemem chłodzenia olejowego. Urządzenie przepracowało już ponad 1 000 godzin na stanowisku obciążeniowym, zachowując parametry w 97%. zakresu obrotów. Kolejnym krokiem będzie uruchomienie pilotażowej linii w Akwizgranie w 2025 r.; jej zdolność czterech tysięcy jednostek miesięcznie ma dostarczyć danych niezbędnych do certyfikacji motoryzacyjnej i przygotować grunt pod seryjną produkcję w drugiej połowie dekady.