U usporedbi s radijalnim motorima s fluksom, aksijalni motori s fluksom imaju mnoge prednosti u dizajnu električnih vozila. Na primjer, aksijalni motori s fluksom mogu promijeniti dizajn pogonskog sklopa pomicanjem motora s osovine na unutarnju stranu kotača.
1. Os moći
Aksijalni motori fluksaprivlače sve veću pozornost (poboljšavaju vuču). Dugi niz godina ova se vrsta motora koristila u stacionarnim primjenama poput dizala i poljoprivrednih strojeva, ali tijekom proteklog desetljeća mnogi su programeri radili na poboljšanju ove tehnologije i primjeni na električne motocikle, aerodromske kapsule, teretne kamione, električna vozila, pa čak i avione.
Tradicionalni radijalni motori s fluksom koriste permanentne magnete ili indukcijske motore, koji su postigli značajan napredak u optimizaciji težine i troškova. Međutim, suočavaju se s mnogim poteškoćama u daljnjem razvoju. Aksijalni motor s fluksom, potpuno drugačija vrsta motora, može biti dobra alternativa.
U usporedbi s radijalnim motorima, efektivna magnetska površina motora s aksijalnim fluksom i permanentnim magnetima je površina rotora motora, a ne vanjski promjer. Stoga, u određenom volumenu motora, motori s aksijalnim fluksom i permanentnim magnetima obično mogu pružiti veći okretni moment.
Aksijalni motori fluksakompaktniji su; U usporedbi s radijalnim motorima, aksijalna duljina motora je mnogo kraća. Za motore s unutarnjim kotačima to je često ključni faktor. Kompaktna struktura aksijalnih motora osigurava veću gustoću snage i gustoću okretnog momenta od sličnih radijalnih motora, čime se eliminira potreba za izuzetno visokim radnim brzinama.
Učinkovitost aksijalnih motora s fluksom je također vrlo visoka, obično prelazi 96%. To je zahvaljujući kraćem, jednodimenzionalnom putu fluksa, koji je usporediv ili čak i veći po učinkovitosti u usporedbi s najboljim 2D radijalnim motorima s fluksom na tržištu.
Duljina motora je kraća, obično 5 do 8 puta kraća, a težina je također smanjena 2 do 5 puta. Ova dva faktora promijenila su izbor dizajnera platforme električnih vozila.
2. Tehnologija aksijalnog fluksa
Postoje dvije glavne topologije zaaksijalni motori fluksadvostruki rotor s jednim statorom (ponekad se nazivaju strojevi torusnog tipa) i dvostruki stator s jednim rotorom.
Trenutno, većina motora s permanentnim magnetima koristi topologiju radijalnog fluksa. Krug magnetskog fluksa započinje s permanentnim magnetom na rotoru, prolazi kroz prvi zub na statoru, a zatim teče radijalno duž statora. Zatim prolazi kroz drugi zub kako bi došao do drugog magnetskog čelika na rotoru. U topologiji aksijalnog fluksa s dva rotora, petlja fluksa počinje od prvog magneta, prolazi aksijalno kroz zube statora i odmah doseže drugi magnet.
To znači da je put fluksa mnogo kraći nego kod motora s radijalnim fluksom, što rezultira manjim volumenima motora, većom gustoćom snage i učinkovitošću pri istoj snazi.
Radijalni motor, gdje magnetski tok prolazi kroz prvi zub, a zatim se vraća na sljedeći zub kroz stator, dosežući magnet. Magnetski tok slijedi dvodimenzionalnu putanju.
Put magnetskog toka aksijalnog stroja s magnetskim tokom je jednodimenzionalan, pa se može koristiti elektrotehnički čelik s orijentiranim zrnima. Ovaj čelik olakšava prolaz fluksa, čime se poboljšava učinkovitost.
Radijalni motori tradicionalno koriste distribuirane namote, pri čemu do polovice krajeva namota ne funkcionira. Previs zavojnice rezultirat će dodatnom težinom, troškovima, električnim otporom i većim gubitkom topline, što prisiljava dizajnere da poboljšaju dizajn namota.
Krajevi zavojniceaksijalni motori fluksasu mnogo manji, a neki dizajni koriste koncentrirane ili segmentirane namote, koji su potpuno učinkoviti. Za segmentirane statorske radijalne strojeve, prekid putanje magnetskog toka u statoru može donijeti dodatne gubitke, ali za aksijalne motore to nije problem. Dizajn namota zavojnice ključan je za razlikovanje razine dobavljača.
3. Razvoj
Aksijalni motori s fluksom suočavaju se s ozbiljnim izazovima u dizajnu i proizvodnji. Unatoč tehnološkim prednostima, njihovi troškovi su daleko veći od troškova radijalnih motora. Ljudi imaju vrlo temeljito razumijevanje radijalnih motora, a metode proizvodnje i mehanička oprema također su lako dostupni.
Jedan od glavnih izazova aksijalnih motora s fluksom je održavanje ujednačenog zračnog raspora između rotora i statora, jer je magnetska sila mnogo veća nego kod radijalnih motora, što otežava održavanje ujednačenog zračnog raspora. Dvorotorski aksijalni motor s fluksom također ima problema s odvođenjem topline, jer se namot nalazi duboko unutar statora i između dva rotorska diska, što odvođenje topline čini vrlo teškim.
Aksijalne motore fluksa također je teško proizvesti iz više razloga. Stroj s dva rotora koji koristi stroj s dva rotora i topologijom jarma (tj. uklanjanje željeznog jarma sa statora, ali zadržavanje željeznih zuba) prevladava neke od ovih problema bez povećanja promjera motora i magneta.
Međutim, uklanjanje jarma donosi nove izazove, poput toga kako popraviti i pozicionirati pojedinačne zube bez mehaničke veze jarma. Hlađenje je također veći izazov.
Također je teško proizvesti rotor i održavati zračni raspor, jer rotorski disk privlači rotor. Prednost je u tome što su rotorski diskovi izravno povezani preko osovinskog prstena, pa se sile međusobno poništavaju. To znači da unutarnji ležaj ne podnosi te sile, a njegova jedina funkcija je držati stator u srednjem položaju između dva rotorska diska.
Dvostruki statorski motori s jednim rotorom ne suočavaju se s izazovima kružnih motora, ali dizajn statora je mnogo složeniji i teže ga je automatizirati, a povezani troškovi su također visoki. Za razliku od bilo kojeg tradicionalnog motora s radijalnim fluksom, procesi proizvodnje aksijalnih motora i mehanička oprema pojavili su se tek nedavno.
4. Primjena električnih vozila
Pouzdanost je ključna u automobilskoj industriji, a dokazivanje pouzdanosti i robusnosti različitihaksijalni motori fluksaUvjeriti proizvođače da su ovi motori prikladni za masovnu proizvodnju oduvijek je bio izazov. To je potaknulo dobavljače aksijalnih motora da sami provode opsežne programe validacije, pri čemu je svaki dobavljač pokazao da se pouzdanost njihovog motora ne razlikuje od tradicionalnih radijalnih motora s fluksom.
Jedina komponenta koja se može istrošiti uaksijalni motor fluksasu ležajevi. Duljina aksijalnog magnetskog toka je relativno kratka, a položaj ležajeva je bliži, obično dizajniran da bude malo "predimenzioniran". Srećom, motor aksijalnog tok ima manju masu rotora i može podnijeti manja dinamička opterećenja osovine rotora. Stoga je stvarna sila primijenjena na ležajeve mnogo manja od one kod motora radijalnog tok.
Elektronička osovina jedna je od prvih primjena aksijalnih motora. Tanja širina omogućuje da se motor i mjenjač smjeste u osovinu. U hibridnim primjenama, kraća aksijalna duljina motora zauzvrat skraćuje ukupnu duljinu prijenosnog sustava.
Sljedeći korak je ugradnja aksijalnog motora na kotač. Na taj se način snaga može izravno prenositi s motora na kotače, poboljšavajući učinkovitost motora. Zbog uklanjanja mjenjača, diferencijala i pogonskih vratila, smanjena je i složenost sustava.
Međutim, čini se da se standardne konfiguracije još nisu pojavile. Svaki proizvođač originalne opreme istražuje specifične konfiguracije, jer različite veličine i oblici aksijalnih motora mogu promijeniti dizajn električnih vozila. U usporedbi s radijalnim motorima, aksijalni motori imaju veću gustoću snage, što znači da se mogu koristiti manji aksijalni motori. To pruža nove mogućnosti dizajna za platforme vozila, kao što je smještaj baterijskih sklopova.
4.1 Segmentirana armatura
Topologija motora YASA (Yokless and Segmented Armature) primjer je topologije motora s dvostrukim rotorom i jednim statorom, što smanjuje složenost proizvodnje i prikladno je za automatiziranu masovnu proizvodnju. Ovi motori imaju gustoću snage do 10 kW/kg pri brzinama od 2000 do 9000 o/min.
Pomoću namjenskog kontrolera može osigurati struju od 200 kVA za motor. Kontroler ima volumen od približno 5 litara i teži 5,8 kilograma, uključujući toplinsko upravljanje s dielektričnim uljnim hlađenjem, pogodan za aksijalne motore s fluksom, kao i za asinkrone i radijalne motore s fluksom.
To omogućuje proizvođačima originalne opreme za električna vozila i razvojnim inženjerima prve razine da fleksibilno odaberu odgovarajući motor na temelju primjene i raspoloživog prostora. Manja veličina i težina čine vozilo lakšim i imaju više baterija, čime se povećava domet.
5. Primjena električnih motocikala
Za električne motocikle i ATV vozila, neke tvrtke su razvile AC aksijalne motore s fluksom. Uobičajeno korišteni dizajn za ovu vrstu vozila su DC aksijalni motori s fluksom na bazi četkica, dok je novi proizvod AC, potpuno zatvoreni dizajn bez četkica.
Zavojnice i istosmjernih i izmjeničnih motora ostaju nepomične, ali dvostruki rotori koriste permanentne magnete umjesto rotirajućih armatura. Prednost ove metode je što ne zahtijeva mehaničko preokretanje.
AC aksijalni dizajn također može koristiti standardne trofazne AC regulatore motora za radijalne motore. To pomaže u smanjenju troškova, jer regulator kontrolira struju momenta, a ne brzinu. Regulatoru je potrebna frekvencija od 12 kHz ili više, što je glavna frekvencija takvih uređaja.
Viša frekvencija dolazi od niže induktivnosti namota od 20 µH. Frekvencija može kontrolirati struju kako bi se smanjilo mreškanje struje i osigurao što glatkiji sinusni signal. Iz dinamičke perspektive, ovo je izvrstan način za postizanje glatkijeg upravljanja motorom omogućujući brze promjene momenta.
Ovaj dizajn koristi distribuirani dvoslojni namot, tako da magnetski tok teče od rotora do drugog rotora kroz stator, s vrlo kratkim putem i većom učinkovitošću.
Ključ ovog dizajna je da može raditi na maksimalnom naponu od 60 V i nije prikladan za sustave višeg napona. Stoga se može koristiti za električne motocikle i četverokotačna vozila klase L7e poput Renault Twizyja.
Maksimalni napon od 60 V omogućuje integraciju motora u glavne 48 V električne sustave i pojednostavljuje radove održavanja.
Specifikacije L7e četverokotačnih motocikala u Europskoj okvirnoj uredbi 2002/24/EZ propisuju da težina vozila koja se koriste za prijevoz robe ne prelazi 600 kilograma, isključujući težinu baterija. Ta vozila smiju prevoziti najviše 200 kilograma putnika, najviše 1000 kilograma tereta i najviše 15 kilovata snage motora. Metoda distribuiranog namotavanja može osigurati okretni moment od 75-100 Nm, s vršnom izlaznom snagom od 20-25 kW i kontinuiranom snagom od 15 kW.
Izazov aksijalnog fluksa leži u načinu na koji bakreni namoti odvode toplinu, što je teško jer toplina mora proći kroz rotor. Distribuirani namot je ključ rješavanja ovog problema, jer ima veliki broj utora za polove. Na taj način postoji veća površina između bakra i ljuske, a toplina se može prenijeti prema van i odvoditi standardnim sustavom tekućeg hlađenja.
Višestruki magnetski polovi ključni su za korištenje sinusoidnih valnih oblika, koji pomažu u smanjenju harmonika. Ti se harmonici manifestiraju kao zagrijavanje magneta i jezgre, dok bakrene komponente ne mogu odvoditi toplinu. Kada se toplina akumulira u magnetima i željeznim jezgrama, učinkovitost se smanjuje, zbog čega je optimizacija valnog oblika i toplinskog puta ključna za performanse motora.
Dizajn motora je optimiziran kako bi se smanjili troškovi i postigla automatizirana masovna proizvodnja. Ekstrudirani prsten kućišta ne zahtijeva složenu mehaničku obradu i može smanjiti troškove materijala. Zavojnica se može izravno namotavati, a tijekom procesa namotavanja koristi se postupak lijepljenja kako bi se održao ispravan oblik montaže.
Ključna stvar je da je zavojnica izrađena od standardne komercijalno dostupne žice, dok je željezna jezgra laminirana standardnim transformatorskim čelikom, koji se jednostavno treba izrezati u oblik. Drugi dizajni motora zahtijevaju upotrebu mekih magnetskih materijala u laminiranju jezgre, što može biti skuplje.
Upotreba distribuiranih namota znači da magnetski čelik ne treba segmentirati; mogu biti jednostavnijih oblika i lakši za proizvodnju. Smanjenje veličine magnetskog čelika i osiguravanje njegove jednostavnosti proizvodnje ima značajan utjecaj na smanjenje troškova.
Dizajn ovog aksijalnog motora s fluksom također se može prilagoditi zahtjevima kupaca. Kupci imaju prilagođene verzije razvijene oko osnovnog dizajna. Zatim se proizvode na probnoj proizvodnoj liniji za ranu provjeru proizvodnje, što se može replicirati u drugim tvornicama.
Prilagodba je uglavnom zato što performanse vozila ne ovise samo o dizajnu aksijalnog magnetskog motora, već i o kvaliteti strukture vozila, baterijskog sklopa i BMS-a.
Vrijeme objave: 28. rujna 2023.
