CZ/EN

Vysokootáčkové motory – řešení pro závodní auta i přenosný generátor

Vysokorychlostní motory jsou elektrické motory o vysokých otáčkách. Zatímco standardní motory mají například patnáct set nebo tři tisíce otáček, motory vysokorychlostní mají třeba 50 tisíc otáček. V Ústavu přístrojové a řídicí techniky pražské ČVUT se jejich problematikou zabývá Doc. Ing. Martin Novák, Ph.D.

Kde v praxi se vysokorychlostní motory používají a v čem spočívá přínos tak vysokého počtu otáček?

Výhoda je větší výkon v menším prostoru, takže zařízení je ve výsledku menší a lehčí. A aplikace, kde se to používá, je třeba pohon kompresorů, takže i motor je ve finále hodně malý a malé tak může být i zařízení, které ho využívá.

Můžete být konkrétnější v uvedení rozměrů?

prumysl/pribehy/vom_01.jpgMohu to ukázat na příkladu, kolik wattů se vejde do kilogramu. Obyčejný elektrický motor má tak okolo jednoho až dvou kilogramů na kilowatt výkonu, takže motor s výkonem 100 kilowatt váží třeba dvě stě kilo. Odpovídá to zhruba výkonu auta, které dnes mívá tak 80 až 100 kilowatt a jeho motor váží zhruba dvě stě až tři sta kilogramů. Když uděláte motor na hodně vysoké otáčky, a bavíme se o výkonu např. o 100 tisíc otáček za minutu, tak poměr hmotnost k výkonu je přibližně pětkrát lepší. Do 1 kg hmotnosti tak dostanete asi 5 kW.

V čem spočívá trik zvýšení otáček?

prumysl/pribehy/vom_04.jpgNejprve je potřeba říci, že to není vhodné pro všechny aplikace. Protože jsou aplikace, u kterých potřebujete nízké otáčky, a potom nemá smysl dělat motor na vysoké otáčky a dávat před to ještě převodovku. To, o čem se bavíme, jsou aplikace, kde se dají vysoké otáčky rovnou využít - typicky u kompresoru, který stlačuje vzduch pro spalovací motor v autě. Otáčky budou někde např. okolo 100 až 200 tisíc otáček za minutu a můžete ho připojit přímo, nepotřebujete žádné převody. Ty triky jsou jednak v mechanice a jednak v elektronice. Mechanikou se tak úplně nezabývám, jsem spíše elektrikář a dělám řízení. Mechanika má ale určitě hodně problémů při vysokých otáčkách. Tím největším jsou ložiska – jaká zvolit, aby zařízení vydrželo takhle vysoké otáčky dlouhodobě. A problém představuje i kmitání té mechaniky – hřídele atd., protože většinou pracujete nad vlastní frekvencí kmitání daného motoru. Je tedy nutné ho rychle roztočit, abyste se nedostali do rezonance, a v tom okamžiku musíte vědět, kde ta frekvence je, abyste na ní neskončili.

Čím se mohou ložiska lišit? Jaká je potřeba zvolit?

Existují různé druhy ložisek. Nejběžnější jsou kuličková, jsou ale i válečková, jehlová anebo magnetická, kde mechaniku nahrazuje magnet. Nicméně tady se používají ložiska kuličková, která se ale mohou lišit materiálem. U běžných motorů na nízké otáčky bývají kuličky ocelové, u vysokých otáček se většinou používají keramické, protože keramika má pro vysoké otáčky lepší vlastnosti; je sice křehká, ale pevnější, a to je pro tento případ vhodnější. Takže tam používáme speciální, velmi drahá ložiska, jedno stojí řekněme 8 tisíc korun, ale nezabýváme se konstrukcí těch motorů, děláme elektroniku a řízení.

Jaké je další praktické využití vysokootáčkových motorů?

prumysl/pribehy/vom_03.jpgprumysl/pribehy/vom_02.jpgSpolupracujeme v současné době s firmou, která chce tento motor použít jako pohon kompresoru v autě. Dneska jsou turbokompresory poháněné spalinami: spalovací motor vyrobí nějaké spaliny, ty pohánějí turbínu a turbína pohání kompresor, který stlačuje vzduch, a ten jde zpátky do motoru. Tohle řešení má tu nevýhodu, že řekněme přibližně několik sekund trvá, než se vytvoří výkon postačující k tomu, abyste měli stlačeného vzduchu dostatek. Proto při předjíždění chvíli trvá, než naberete rychlost, potřebnou pro předjetí. Důležitá je u těchto motorů asistence, kdy v onom krátkém okamžiku postrčíte kompresor elektricky.

Takže Formule 1 je na to jak dělaná…

Přesně tak. A právě ta výše zmíněná společnost se zabývá laděním závodních aut a mají velký zájem, takovou věc mít.
Při fakultě působí i tým Formule Student. S těmi nespolupracujete?
Byli se tu z Formule Student podívat, ale není zrovna jednoduché takovou věc vyrobit. Sami neumíme udělat ten celek komplexně tak, abychom měli kompresor i motor. My uděláme motor a k němu řízení, ale mechanické propojení s kompresorem je velice složité a nemáme na to vybavení. Další problém je, že tu elektřinu musíte někde vzít, a výkon, který musíte dodat, je dost velký. To by znamenalo, že by ve Formuli Student museli vozit baterii, vážící třeba 50 kilogramů a víc. Myslím, že v tuhle chvíli se to nevyplatí – tedy pokud nemáte někde elektřinu k dispozici zadarmo.

U zmiňované firmy, s níž spolupracujete, je situace v tomto směru jiná?

Oni už baterie mají a vozí je stejně. Ve studentské formuli – předpokládám – taky nějakou baterii mají, ale ta určitě nedá tak velký výkon, aby mohla kompresor pohánět trvale.

Napadá vás i jiný způsob využití, než jsou závodní auta?

Napadlo nás tuhle funkci obrátit a udělat z toho zařízení generátor, kde by se spaloval třeba plyn a vzniklé spaliny by poháněly třeba vysokorychlostní turbínu, která by poháněla generátor. Podobná zařízení existují, vyrábějí se komerčně pro výkony vyšší než třeba 60 kW, a mají tu výhodu, že díky vysokým otáčkám je to zařízení malé. Naše myšlenka byla zkusit udělat přenosnou jednotku. Dodávala by, řekněme, dva, tři kilowatty elektrické energie, a dala by se použít třeba jako přenosný záložní generátor, který v nouzových situacích přenesete, kam potřebujete. Anebo to udělat jako kogenerační jednotku, kdy byste doma spalovala plyn, který kupujete, a zároveň si vyráběla teplo třeba pro ohřev vody a topení a ještě k tomu byste tu energii, kterou nespotřebujete, prodala. Nemáme to ale v tuhle chvíli rozpracované do podoby nějakého funkčního prototypu.

Probíhá podobný výzkum i někde jinde ve světě?

Konkrétně kogenerační jednotka existuje někde v Holandsku na odnoži univerzity v Eindhovenu. Je postavená na pár kilowatt, což jsou podobné parametry, jaké bychom chtěli i my. Problém ale je, že zatímco oni mají tým 50 inženýrů, kteří se věci věnují na plný úvazek, tady se tomu - mezi výukou, když máme čas - věnujeme já a ještě jeden kolega, takže tomu naprosto nemůžeme konkurovat.

O to obdivuhodnější je, že se přesto občas něco podaří…

Mluvil jsem jenom o té mechanice, ale další část představuje řízení, výkonová elektronika – a těmi se zabývám především. Mechanika je pro nás spíš taková okrajová a motory si stavíme sami především proto, že se nedají koupit, ale není to pro nás ten cíl. Naším cílem je postavit nějakou aplikaci nebo prototyp, a k tomu potřebujeme všechno, takže postavíme mechaniku a na ní potom zkoušíme elektroniku. A v té se najdou velice zajímavé novinky - součástky, které se dají koupit a které třeba před rokem, dvěma nebyly, a umožňují elektroniku ještě dál zmenšit.

Můžete to na něčem konkrétně dokumentovat?

Když jsem s tímhle tématem začínal před řekněme deseti lety, tak nám ta elektronika na výkon, který potřebujeme, vycházela na velikost A4 s výškou tak 30 cm – tedy dost velká krabice. Dnes pracujeme na elektronice s novými součástkami a zdá se, že to dostaneme do objemu tak 10 x 10 cm. V praxi to znamená, že například to, co by se dříve pod kapotu auta nevešlo, se tam dnes už dá dostat. Finální vize našeho současného projektu je, dostat elektroniku, která dříve měla objem 10 litrů, do objemu 0,3 litru. Jestli se nám to povede, ještě nevíme, protože projekt je na úplném počátku, ale zatím to vypadá, že ano.
Spolupracujete i s dalšími firmami v oblasti vysokorychlostních motorů?
V současnosti ne. Není mnoho firem, které by se tím u nás zabývaly. Ani ve světě jich není moc, řekl bych tak deset, patnáct.  U nás by o to taky byl zájem, ale pro každou firmu je problém najít cestu, jak spolupracovat s univerzitou. Protože buďto se podá společný projekt, a pak jsou jeho výsledky víceméně veřejné, protože jsou placené z veřejných peněz. I to by se koneckonců dalo ošetřit smlouvou, ale většina firem nechce spolupracovat se školami proto, že takový projekt znamená obrovskou administrativu, takže musejí mít dalšího člověka, aby vyplňoval formuláře a tabulky. Měli jsme tady několik zájemců o tohle téma, výrobce kompresorů a různé inženýrské firmy, které prodávají řešení na klíč, velké i malé firmy, ale kvůli administrativní zátěži se rozhodly do tohohle projektu nejít.

Je to tak nastavené jen u nás nebo i jinde ve světě?

Po stránce administrativní situaci neznám, vím ale, že například ve Francii funguje spolupráce mezi školami a firmami mnohem lépe. Studenti tam například chodí na praxi do firem povinně, z firem zase jezdí přednášet do škol, a to vzájemné propojení je tam mnohem těsnější. Co se týká projektů, myslím, že to tam bude podobné, že i francouzští kolegové neustále vyplňují nějaké formuláře. S jinými zeměmi zkušenosti nemám.

Spolupracují s vámi na projektu i nějací studenti?

Ano, mám dva doktorandy, kteří spolupracují na tomto tématu, a pak dva magisterské studenty, kteří v rámci projektu dělají na modelu magnetického ložiska, abychom si mohli vyzkoušet, jestli to bude použitelné pro naši aplikaci.

Vím, že taky pořádáte Letní školu robotiky…

Založil jsem ji jako něco, co by mohlo k technice a strojní fakultě obecně přilákat studenty středních škol v předposledním ročníku, kteří se budou brzy rozhodovat, kam půjdou studovat. Cíl byl ukázat, že se na fakultě děje něco zajímavého, aby jim zůstalo v povědomí, že tady je nějaké programování i nějaká robotika, a že tady jsou zajímavé věci, které si můžou vyzkoušet. V podstatě jde o letní kurz programování robotů, které jsou většinou 3D tištěné a vyrábějí je jiní moji studenti v jiných předmětech. Cílem bylo naučit studenta, který nikdy neprogramoval, jednoduché programování, aby robot dělal to, co student chce - třeba jel nebo chodil nebo se otáčel… První rok jsme s nabídkou kurzu aktivně obesílali školy, ale v dalších letech se už zájemci hlásili sami a nikdy jsme neměli problém kurz naplnit. Proběhly už tři ročníky a letos bude ročník čtvrtý.

Překvapili vás někdy účastníci letní školy něčím?

Mě třeba překvapilo, že se tam často hlásili už naši současní studenti nebo studenti elektrotechniky, i když to původně nebyla akce určená pro ně. Říkali, že vlastně nic neprogramují a chtějí si to zkusit, chtějí vidět, že se něco hýbe. Taky si myslím, že už nám to přineslo nějaké studenty, protože třeba na minulých Dnech otevřených dveří už se ke mně hlásili studenti s tím, že u nás byli na Letní škole robotiky a jdou k nám určitě studovat. A další věc – asi to přesáhlo hranice ČR, protože se mi tam loni přihlásil student, který má české rodiče, ale žije v Anglii, a chtěl na tu školu chodit, takže sem kvůli tomu přijel. Teď je u mě na tři měsíce na stáži a zrovna dnes dokončuje velkého humanoidního robota, kterého sestavil.