U usporedbi s motorima s radijalnim fluksom, motori s aksijalnim fluksom imaju mnoge prednosti u dizajnu električnih vozila. Na primjer, motori s aksijalnim fluksom mogu promijeniti dizajn pogonskog sklopa pomicanjem motora s osovine na unutarnju stranu kotača.
1.Osovina snage
Motori s aksijalnim fluksomdobivaju sve veću pozornost (dobivaju privlačnost). Godinama se ova vrsta motora koristila u stacionarnim primjenama kao što su dizala i poljoprivredni strojevi, no tijekom proteklog desetljeća mnogi su programeri radili na poboljšanju ove tehnologije i primjeni je na električne motocikle, kapsule u zračnim lukama, teretna vozila, električne vozilima, pa čak i avionima.
Tradicionalni motori s radijalnim fluksom koriste trajne magnete ili indukcijske motore, koji su postigli značajan napredak u optimizaciji težine i cijene. Međutim, suočavaju se s mnogim poteškoćama u nastavku razvoja. Aksijalni fluks, potpuno drugačiji tip motora, može biti dobra alternativa.
U usporedbi s radijalnim motorima, efektivna magnetska površina motora s permanentnim magnetom aksijalnog toka je površina rotora motora, a ne vanjski promjer. Stoga, u određenom volumenu motora, motori s trajnim magnetima aksijalnog toka obično mogu pružiti veći okretni moment.
Motori s aksijalnim fluksomsu kompaktniji; U usporedbi s radijalnim motorima, aksijalna duljina motora je mnogo kraća. Za motore s unutarnjim kotačima to je često presudan faktor. Kompaktna struktura aksijalnih motora osigurava veću gustoću snage i gustoću zakretnog momenta od sličnih radijalnih motora, čime se eliminira potreba za ekstremno visokim radnim brzinama.
Učinkovitost motora s aksijalnim fluksom također je vrlo visoka, obično prelazi 96%. To je zahvaljujući kraćem, jednodimenzionalnom putu fluksa, koji je usporediv ili čak i veći u učinkovitosti u usporedbi s najboljim 2D motorima radijalnog fluksa na tržištu.
Duljina motora je kraća, obično 5 do 8 puta, a težina je također smanjena 2 do 5 puta. Ova su dva čimbenika promijenila izbor dizajnera platforme električnih vozila.
2. Tehnologija aksijalnog fluksa
Postoje dvije glavne topologije zamotori s aksijalnim fluksom: jednostruki stator s dva rotora (ponekad se nazivaju strojevi u stilu torusa) i dvostruki stator s jednim rotorom.
Trenutno većina motora s trajnim magnetima koristi topologiju radijalnog toka. Krug magnetskog toka započinje stalnim magnetom na rotoru, prolazi kroz prvi zub na statoru, a zatim teče radijalno duž statora. Zatim prođite kroz drugi zub da dođete do drugog magnetskog čelika na rotoru. U topologiji aksijalnog fluksa dvostrukog 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, dopirući do magneta. Magnetski tok slijedi dvodimenzionalni put.
Putanja magnetskog toka aksijalnog stroja za magnetski tok je jednodimenzionalna, tako da se može koristiti zrnati elektrotehnički čelik. Ovaj čelik olakšava prolaz fluksa, čime se poboljšava učinkovitost.
Motori s radijalnim fluksom tradicionalno koriste raspodijeljene namote, pri čemu do polovica krajeva namota ne radi. Prevjes zavojnice rezultirat će dodatnom težinom, cijenom, električnim otporom i većim gubitkom topline, što će dizajnere prisiliti da poboljšaju dizajn namota.
Zavojnica završava odmotori s aksijalnim fluksomsu mnogo manje, a neki dizajni koriste koncentrirane ili segmentirane namote, koji su potpuno učinkoviti. Za radijalne strojeve sa segmentiranim statorom, prekid putanje magnetskog toka u statoru može donijeti dodatne gubitke, ali za motore s aksijalnim tokom to nije problem. Dizajn namota zavojnice ključ je za razlikovanje razine dobavljača.
3. Razvoj
Motori s aksijalnim fluksom suočavaju se s ozbiljnim izazovima u dizajnu i proizvodnji, unatoč njihovim tehnološkim prednostima, njihovi su troškovi 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 motora s aksijalnim fluksom je održavanje ravnomjernog zračnog raspora između rotora i statora, budući da je magnetska sila puno veća nego kod radijalnih motora, što otežava održavanje jednolikog zračnog raspora. Motor s aksijalnim fluksom s dvostrukim rotorom također ima problema s odvođenjem topline, budući da se namot nalazi duboko unutar statora i između dva diska rotora, što vrlo otežava odvođenje topline.
Motore s aksijalnim fluksom također je teško proizvesti iz mnogo razloga. Stroj s dva rotora koji koristi stroj s dva rotora s topologijom jarma (tj. uklanjanje željeznog jarma sa statora, ali zadržavanje željeznih zuba) prevladava neke od ovih problema bez proširenja promjera motora i magneta.
Međutim, uklanjanje jarma donosi nove izazove, kao što je kako popraviti i postaviti pojedinačne zube bez mehaničkog povezivanja jarma. Hlađenje je također veći izazov.
Također je teško proizvesti rotor i održavati zračni raspor, jer disk rotora privlači rotor. Prednost je u tome što su diskovi rotora izravno povezani preko prstena osovine, tako da se sile međusobno poništavaju. To znači da unutarnji ležaj ne podnosi te sile i njegova je jedina funkcija da drži stator u srednjem položaju između dva diska rotora.
Motori s jednim rotorom s dvostrukim statorom ne suočavaju se s izazovima kružnih motora, ali je dizajn statora mnogo složeniji i teže je postići automatizaciju, a povezani troškovi su također visoki. Za razliku od bilo kojeg tradicionalnog motora s radijalnim fluksom, procesi proizvodnje aksijalnih motora i mehanička oprema tek su se nedavno pojavili.
4. Primjena električnih vozila
Pouzdanost je ključna u automobilskoj industriji, a dokazivanje pouzdanosti i robusnosti različitihmotori s aksijalnim fluksomuvijek je bio izazov uvjeriti proizvođače da su ti motori prikladni za masovnu proizvodnju. To je potaknulo dobavljače aksijalnih motora da sami provedu opsežne programe validacije, pri čemu je svaki dobavljač pokazao da se njihova pouzdanost motora ne razlikuje od tradicionalnih motora s radijalnim fluksom.
Jedina komponenta koja se može istrošiti umotor s aksijalnim fluksomje ležajeve. Duljina aksijalnog magnetskog toka je relativno kratka, a položaj ležajeva je bliži, obično dizajniran da bude malo "predimenzioniran". Srećom, motor s aksijalnim fluksom ima manju masu rotora i može izdržati manja dinamička opterećenja osovine rotora. Stoga je stvarna sila primijenjena na ležajeve mnogo manja od one kod motora s radijalnim fluksom.
Elektronička osovina jedna je od prvih primjena aksijalnih motora. Tanja širina može zatvoriti motor i mjenjač 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 prenijeti s motora na kotače, poboljšavajući učinkovitost motora. Zbog eliminacije 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, budući da 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. Ovo pruža nove mogućnosti dizajna za platforme vozila, kao što je smještaj baterijskih paketa.
4.1 Segmentirana armatura
YASA (Yokeless and Segmented Armature) topologija motora je primjer topologije s dva rotora i jednim statorom, koja smanjuje složenost proizvodnje i prikladna je za automatiziranu masovnu proizvodnju. Ovi motori imaju gustoću snage do 10 kW/kg pri brzinama od 2000 do 9000 o/min.
Korištenjem namjenskog regulatora, može osigurati struju od 200 kVA za motor. Kontroler ima volumen od približno 5 litara i teži 5,8 kilograma, uključujući termalno upravljanje s dielektričnim uljnim hlađenjem, pogodan za motore s aksijalnim fluksom, kao i za indukcijske i radijalne fluks motore.
To omogućuje proizvođačima originalne opreme električnih vozila i razvojnim programerima prve razine da fleksibilno odaberu odgovarajući motor na temelju primjene i dostupnog 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-e neke su tvrtke razvile motore s aksijalnim fluksom izmjenične struje. Uobičajeno korišteni dizajn za ovu vrstu vozila je DC dizajn aksijalnog fluksa na bazi četkica, dok je novi proizvod AC, potpuno zatvoreni dizajn bez četkica.
Zavojnice i istosmjernog i izmjeničnog motora ostaju nepomične, ali dvostruki rotori koriste trajne magnete umjesto rotirajućih armatura. Prednost ove metode je što ne zahtijeva mehaničko preokretanje.
AC aksijalni dizajn također može koristiti standardne trofazne AC motorne kontrolere za radijalne motore. To pomaže u smanjenju troškova, budući da regulator kontrolira trenutni moment, a ne brzinu. Kontroler zahtijeva frekvenciju od 12 kHz ili višu, što je glavna frekvencija takvih uređaja.
Viša frekvencija dolazi od nižeg induktiviteta namota od 20 µH. Frekvencija može kontrolirati struju kako bi se minimiziralo valovitost struje i osigurao što glatkiji sinusoidalni signal. Iz dinamičke perspektive, ovo je sjajan način da se postigne glatkija kontrola motora dopuštajući brze promjene momenta.
Ovaj dizajn usvaja raspodijeljeni 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 vozila na četiri kotača klase L7e kao što je Renault Twizy.
Maksimalni napon od 60 V omogućuje integraciju motora u glavni električni sustav od 48 V i pojednostavljuje rad na održavanju.
Specifikacije motocikla na četiri kotača L7e u Europskoj okvirnoj uredbi 2002/24/EC propisuju da težina vozila koja se koriste za prijevoz robe ne prelazi 600 kilograma, isključujući težinu baterija. Ova vozila ne smiju prevoziti više od 200 kilograma putnika, najviše 1000 kilograma tereta i ne više od 15 kilovata snage motora. Metoda raspodijeljenog namota 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 tome kako bakreni namotaji rasipaju toplinu, što je teško jer toplina mora proći kroz rotor. Distribuirani namot je ključ za rješavanje ovog problema, jer ima veliki broj utora za polove. Na taj način postoji veća površina između bakra i ljuske, a toplina se može prenositi prema van i odvoditi standardnim sustavom hlađenja tekućinom.
Višestruki magnetski polovi ključni su za korištenje oblika sinusoidnog vala, koji pomaže u smanjenju harmonika. Ovi harmonici se očituju kao zagrijavanje magneta i jezgre, dok bakrene komponente ne mogu odvesti toplinu. Kada se toplina akumulira u magnetima i željeznim jezgrama, učinkovitost se smanjuje, zbog čega je optimizacija valnog oblika i toplinskog puta presudna za rad 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 namatanja koristi se postupak spajanja kako bi se održao ispravan oblik sklopa.
Ključna stvar je da je zavojnica izrađena od standardne komercijalno dostupne žice, dok je željezna jezgra laminirana standardnim transformatorskim čelikom koji se nalazi na polici, koji jednostavno treba izrezati u oblik. Drugi dizajni motora zahtijevaju upotrebu mekih magnetskih materijala u laminaciji jezgre, što može biti skuplje.
Upotreba raspodijeljenih namota znači da magnetski čelik ne treba segmentirati; Mogu biti jednostavnijih oblika i lakši za izradu. Smanjenje veličine magnetskog čelika i osiguravanje njegove jednostavnosti proizvodnje ima značajan utjecaj na smanjenje troškova.
Dizajn ovog motora s aksijalnim fluksom također se može prilagoditi prema zahtjevima kupaca. Kupci imaju prilagođene verzije razvijene oko osnovnog dizajna. Zatim se proizvodi na probnoj proizvodnoj liniji za ranu provjeru proizvodnje, koja se može replicirati u drugim tvornicama.
Prilagodba je uglavnom zbog toga što performanse vozila ne ovise samo o dizajnu motora s aksijalnim magnetskim fluksom, već i o kvaliteti strukture vozila, paketu baterija i BMS-u.
Vrijeme objave: 28. rujna 2023
