Trwa szósta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 17 maja w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 54 prac nadesłanych przez uczelnie oraz instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi 22 maja podczas kongresu Impact’19 w Krakowie. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora.

Do licznych zalet aut z napędem elektrycznym z pewnością należy to, że są konstrukcjami znacznie prostszymi niż ich dymiący z rur wydechowych kuzyni. Samochód z napędem spalinowym składa się z ok. 30 tys. części, z czego prawie jedna czwarta przypada na sam silnik. W przeciwieństwie do niego motor elektryczny to bajecznie prosta konstrukcja, o mniejszym rozmiarze i – co za tym idzie – lżejsza.

Ale nigdy nie jest tak dobrze, by nie mogło być lepiej. Ta maksyma przyświecała inżynierom z katowickiego Instytutu Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL, kiedy zadali sobie pytanie: a może byśmy schowali silnik elektryczny w kole? Jak mówi inż. Piotr Dukalski z instytutu, takie rozwiązanie ma wiele zalet. – Pozwala m.in. na wyeliminowanie mechanizmów, które w standardowym samochodzie pośredniczą w przełożeniu momentu obrotowego z silnika na koła pojazdu. Co ciekawe, klasyczne rozwiązanie, w którym silnik jest zamontowany z dala od kół i wytwarzany przez niego moment obrotowy trzeba na nie przenieść, stosuje się też w autach z napędem elektrycznym, np. w Tesli – tłumaczy inżynier.

A im więcej elementów pośrednich, tym większe straty energii, dlatego konstruktorzy z Katowic postanowili zredukować ich ilość do zera – i schować silnik w samym kole. W efekcie powstał napęd, którego sprawność wynosi powyżej 90 proc. zamiast 70–80 proc. w „standardowym” napędzie, w jaki wyposażone są dostępne na rynku auta elektryczne. – Dodatkowo uzyskujemy ekstra przestrzeń pod maską, którą możemy wykorzystać chociażby do zamontowania dodatkowego ogniwa – mówi Dukalski.

Schować silnik w kole – łatwo powiedzieć, wykonać trudniej. Tym bardziej, jeśli przeciwko sobie ma się prawa fizyki: w końcu typowe silniki mają taką, a nie inną kubaturę, żeby zapewnić im optymalne parametry funkcjonowania. Jeśli wszystkie elementy ściśniemy wewnątrz niewielkiej objętości, jaką zapewnia wnętrze 17-calowej felgi, to z pewnością pojawią się problemy.

Wiedzieliśmy, że jeśli chcemy zbudować tak kompaktowy, a zarazem tak wydajny silnik, to będzie on musiał pracować z dużą gęstością prądu. To parametr, który mówi nam o natężeniu prądu przepływającego przez dany przewód w przeliczeniu na milimetr kwadratowy. Im wyższa gęstość, tym więcej ładunku przedostaje się przez dany przekrój – tłumaczy dr inż. Bartłomiej Będkowski z instytutu. Dodaje, że przeciętnie mówi się o wartościach rzędu 6–8 amperów na mmkw. W konstrukcji z Katowic parametr ten sięga 17 amperów.

Rozwiązanie kwestii zasilania zrodziło oczywiście inny problem: chłodzenia. Każdy przewód elektryczny charakteryzuje się oporem, a im jest on większy – albo im większe jest natężenie prądu, który przepływa przez obwód – tym więcej jest wydzielanego ciepła. Musi być ono skutecznie odprowadzone, bo inaczej silnik ulegnie awarii. Nie trzeba dodawać, że w tak niedużej objętości nie było to proste.

Ostatecznie stanęło na rozwiązaniu, które przypomina labirynt, przez który przepływa chłodziwo, a samo ciepło jest oddawane poprzez żywice syntetyczne oraz układ radiatorów z lekkiego i bardzo wytrzymałego stopu aluminium – tłumaczy Dukalski. – Zaprojektowanie takiego układu chłodzenia wymagało wyselekcjonowania materiałów o różnych właściwościach fizycznych, takich jak termokurczliwość, aby materiał nie zmieniał wymiarów podczas pracy w warunkach, jakie panują wewnątrz naszego silnika – dodaje inżynier.

I chociaż KOMEL dysponuje już gotowym rozwiązaniem, które pokazuje na targach, konstruktorzy starają się swój wynalazek jeszcze udoskonalić, aby instytut mógł takie skrojone na miarę i na zamówienie rozwiązania projektować dla swoich klientów. Inżynierowie mają także dobrą wiadomość dla miłośników ażurowych felg aluminiowych: silniki w kołach najlepiej mieszczą się właśnie w alufelgach, dodatkowo stanowią element, który może uatrakcyjnić ich wygląd z uwagi na dowolność koloru, kształtu czy montowania podświetlenia w silniku.