U poređenju sa radijalnim fluksnim motorima, aksijalni fluksni motori imaju mnoge prednosti u dizajnu električnih vozila. Na primjer, aksijalni fluksni motori mogu promijeniti dizajn pogonskog sklopa pomicanjem motora sa osovine na unutrašnju stranu točkova.
1. Osa moći
Aksijalni motori fluksaprivlače sve veću pažnju (poboljšavaju vuču). Dugi niz godina, ova vrsta motora se koristila u stacionarnim primjenama kao što su liftovi i poljoprivredne mašine, ali tokom protekle decenije, mnogi programeri su radili na poboljšanju ove tehnologije i njenoj primjeni na električne motocikle, aerodromske kapsule, teretne kamione, električna vozila, pa čak i avione.
Tradicionalni motori s radijalnim fluksom koriste permanentne magnete ili indukcione motore, koji su ostvarili značajan napredak u optimizaciji težine i troškova. Međutim, suočavaju se s mnogim poteškoćama u daljnjem razvoju. Aksijalni fluks, potpuno drugačiji tip motora, može biti dobra alternativa.
U poređenju sa radijalnim motorima, efektivna magnetska površina aksijalnih motora sa permanentnim magnetima je površina rotora motora, a ne vanjski prečnik. Stoga, u određenoj zapremini motora, aksijalni motori sa permanentnim magnetima obično mogu pružiti veći obrtni moment.
Aksijalni motori fluksasu kompaktniji; U poređenju sa radijalnim motorima, aksijalna dužina motora je mnogo kraća. Za motore sa unutrašnjim kotačima, ovo je često ključni faktor. Kompaktna struktura aksijalnih motora osigurava veću gustoću snage i gustoću obrtnog momenta od sličnih radijalnih motora, čime se eliminiše potreba za izuzetno visokim radnim brzinama.
Efikasnost aksijalnih motora sa fluksom je takođe veoma visoka, obično prelazi 96%. To je zahvaljujući kraćem, jednodimenzionalnom putu fluksa, koji je uporediv ili čak i veći po efikasnosti u poređenju sa najboljim 2D radijalnim motorima sa fluksom na tržištu.
Dužina motora je kraća, obično 5 do 8 puta kraća, a težina je također smanjena 2 do 5 puta. Ova dva faktora su promijenila izbor dizajnera platforme električnih vozila.
2. Tehnologija aksijalnog fluksa
Postoje dvije glavne topologije zaaksijalni motori fluksaDvostruki rotor s jednim statorom (ponekad se nazivaju mašine torusnog tipa) i jednostruki rotor s dvostrukim statorom.
Trenutno, većina motora sa permanentnim magnetima koristi topologiju radijalnog fluksa. Kolo magnetnog fluksa počinje sa permanentnim magnetom na rotoru, prolazi kroz prvi zubac na statoru, a zatim teče radijalno duž statora. Zatim prolazi kroz drugi zubac da bi došao do drugog magnetnog čelika na rotoru. U topologiji aksijalnog fluksa sa dva rotora, petlja fluksa počinje od prvog magneta, prolazi aksijalno kroz zubce statora i odmah doseže drugi magnet.
To znači da je put fluksa mnogo kraći nego kod motora s radijalnim fluksom, što rezultira manjim volumenom motora, većom gustoćom snage i efikasnošću pri istoj snazi.
Radijalni motor, gdje magnetski fluks prolazi kroz prvi zubac, a zatim se vraća na sljedeći zubac kroz stator, dostižući magnet. Magnetski fluks prati dvodimenzionalnu putanju.
Putanja magnetskog fluksa aksijalne mašine za magnetski fluks je jednodimenzionalna, tako da se može koristiti elektrotehnički čelik sa orijentisanim zrnima. Ovaj čelik olakšava prolaz fluksa, čime se poboljšava efikasnost.
Radijalni motori tradicionalno koriste distribuirane namotaje, pri čemu do polovine krajeva namotaja ne funkcioniše. Previs zavojnice rezultirat će dodatnom težinom, troškovima, električnim otporom i većim gubitkom topline, što prisiljava dizajnere da poboljšaju dizajn namotaja.
Krajevi zavojniceaksijalni motori fluksasu mnogo manji, a neki dizajni koriste koncentrirane ili segmentirane namotaje, koji su potpuno efikasni. Kod radijalnih mašina sa segmentiranim statorom, prekid putanje magnetskog fluksa u statoru može donijeti dodatne gubitke, ali kod aksijalnih motora to nije problem. Dizajn namotaja zavojnice je ključ za razlikovanje nivoa dobavljača.
3. Razvoj
Aksijalni motori s fluksom suočavaju se s ozbiljnim izazovima u dizajnu i proizvodnji. Uprkos njihovim tehnološkim prednostima, njihovi troškovi su daleko veći od troškova radijalnih motora. Ljudi imaju vrlo temeljno razumijevanje radijalnih motora, a metode proizvodnje i mehanička oprema su također lako dostupni.
Jedan od glavnih izazova kod aksijalnih motora s fluksom je održavanje ujednačenog zračnog zazora između rotora i statora, jer je magnetska sila mnogo veća nego kod radijalnih motora, što otežava održavanje ujednačenog zračnog zazora. Aksijalni motor s dvostrukim rotorom također ima problema s odvođenjem topline, jer se namotaj nalazi duboko unutar statora i između dva rotorska diska, što odvođenje topline čini vrlo teškim.
Aksijalno-fluksni motori su također teški za proizvodnju iz više razloga. Mašina s dva rotora koja koristi mašinu s dva rotora i topologijom jarma (tj. uklanjanje željeznog jarma sa statora, ali zadržavanje željeznih zuba) prevladava neke od ovih problema bez povećanja prečnika motora i magneta.
Međutim, uklanjanje jarma donosi nove izazove, kao što je kako fiksirati i pozicionirati pojedinačne zube bez mehaničke veze jarma. Hlađenje je također veći izazov.
Također je teško proizvesti rotor i održati zračni zazor, jer rotorski disk privlači rotor. Prednost je u tome što su rotorski diskovi direktno povezani preko osovinskog prstena, tako da se sile međusobno poništavaju. To znači da unutrašnji ležaj ne podnosi ove sile, a njegova jedina funkcija je da drži stator u srednjem položaju između dva rotorska diska.
Motori s dvostrukim statorom i jednim rotorom ne suočavaju se s izazovima kružnih motora, ali je dizajn statora 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 su se tek nedavno pojavili.
4. Primjena električnih vozila
Pouzdanost je ključna u automobilskoj industriji, a dokazivanje pouzdanosti i robusnosti različitihaksijalni motori fluksaUvjeriti proizvođače da su ovi motori pogodni 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 motora s radijalnim fluksom.
Jedina komponenta koja se može istrošiti uaksijalni motor fluksasu ležajevi. Dužina aksijalnog magnetskog fluksa je relativno kratka, a položaj ležajeva je bliži, obično dizajniran da bude malo "predimenzioniran". Srećom, motor aksijalnog fluksa ima manju masu rotora i može izdržati manja dinamička opterećenja vratila rotora. Stoga je stvarna sila primijenjena na ležajeve mnogo manja od one kod motora radijalnog fluksa.
Elektronska osovina je jedna od prvih primjena aksijalnih motora. Tanja širina omogućava da se motor i mjenjač obuhvate u osovini. Kod hibridnih primjena, kraća aksijalna dužina motora zauzvrat skraćuje ukupnu dužinu sistema prijenosa.
Sljedeći korak je ugradnja aksijalnog motora na točak. Na taj način, snaga se može direktno prenositi s motora na točkove, poboljšavajući efikasnost motora. Zbog eliminacije mjenjača, diferencijala i pogonskih vratila, složenost sistema je također smanjena.
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 poređenju sa radijalnim motorima, aksijalni motori imaju veću gustinu snage, što znači da se mogu koristiti manji aksijalni motori. Ovo pruža nove mogućnosti dizajna za platforme vozila, kao što je postavljanje baterijskih paketa.
4.1 Segmentna armatura
Topologija motora YASA (Yokeless and Segmented Armature - bezjarmna i segmentirana armatura) je primjer topologije motora s dvostrukim rotorom i jednim statorom, što smanjuje složenost proizvodnje i pogodno je za automatiziranu masovnu proizvodnju. Ovi motori imaju gustoću snage do 10 kW/kg pri brzinama od 2000 do 9000 o/min.
Korištenjem namjenskog kontrolera, može osigurati struju od 200 kVA za motor. Kontroler ima zapreminu od približno 5 litara i teži 5,8 kilograma, uključujući termalno upravljanje s dielektričnim uljnim hlađenjem, pogodan za aksijalne motore s fluksom, kao i za indukcijske i radijalne motore s fluksom.
Ovo omogućava proizvođačima originalne opreme za električna vozila i razvojnim inženjerima prvog nivoa da fleksibilno odaberu odgovarajući motor na osnovu 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 kompanije su razvile AC aksijalne motore. Uobičajeno korišteni dizajn za ovu vrstu vozila su DC aksijalno-fluksni motori bazirani na četkicama, dok je novi proizvod AC, potpuno zatvoreni dizajn bez četkica.
Zavojnice i DC i AC motora ostaju nepokretne, 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 kontrolere motora za radijalne motore. Ovo pomaže u smanjenju troškova, jer kontroler kontrolira struju momenta, a ne brzinu. Kontroler zahtijeva frekvenciju od 12 kHz ili više, što je glavna frekvencija takvih uređaja.
Viša frekvencija dolazi od niže induktivnosti namotaja od 20 µH. Frekvencija može kontrolirati struju kako bi se minimiziralo mreškanje struje i osigurao što glatkiji sinusni signal. Iz dinamičke perspektive, ovo je odličan način za postizanje glatkijeg upravljanja motorom omogućavanjem brzih promjena obrtnog momenta.
Ovaj dizajn usvaja distribuirani dvoslojni namotaj, tako da magnetski fluks teče od rotora do drugog rotora kroz stator, sa vrlo kratkim putem i većom efikasnošću.
Ključ ovog dizajna je da može raditi na maksimalnom naponu od 60 V i nije pogodan za sisteme višeg napona. Stoga se može koristiti za električne motocikle i četverotočkaša klase L7e kao što je Renault Twizy.
Maksimalni napon od 60 V omogućava integraciju motora u glavne električne sisteme od 48 V i pojednostavljuje radove održavanja.
Specifikacije L7e četverotočkaša u Evropskoj okvirnoj uredbi 2002/24/EZ propisuju da težina vozila koja se koriste za prevoz robe ne prelazi 600 kilograma, isključujući težinu baterija. Ova vozila smiju prevoziti najviše 200 kilograma putnika, najviše 1000 kilograma tereta i najviše 15 kilovata snage motora. Metoda distribuiranog namotavanja može obezbijediti obrtni moment od 75-100 Nm, sa vršnom izlaznom snagom od 20-25 kW i kontinuiranom snagom od 15 kW.
Izazov aksijalnog fluksa leži u načinu na koji bakreni namotaji rasipaju toplinu, što je teško jer toplina mora proći kroz rotor. Distribuirani namotaj je ključ za rješavanje ovog problema, jer ima veliki broj utora za polove. Na taj način postoji veća površina između bakra i omotača, a toplina se može prenijeti prema van i odvoditi standardnim sistemom tekućeg hlađenja.
Višestruki magnetski polovi su ključni za korištenje sinusoidnih valnih oblika, što pomaže u smanjenju harmonika. Ovi harmonici se manifestiraju kao zagrijavanje magneta i jezgre, dok bakrene komponente ne mogu odvesti toplinu. Kada se toplina akumulira u magnetima i željeznim jezgrama, efikasnost se smanjuje, zbog čega je optimizacija valnog oblika i puta topline ključna za performanse motora.
Dizajn motora je optimizovan kako bi se smanjili troškovi i postigla automatizovana masovna proizvodnja. Ekstrudirani prsten kućišta ne zahtijeva složenu mehaničku obradu i može smanjiti troškove materijala. Zavojnica se može direktno namotavati, a tokom procesa namotavanja se koristi proces lijepljenja kako bi se održao ispravan oblik montaže.
Ključna stvar je da je zavojnica napravljena od standardne komercijalno dostupne žice, dok je željezno jezgro laminirano standardnim transformatorskim čelikom, koji se jednostavno izrezuje u oblik. Drugi dizajni motora zahtijevaju upotrebu mekih magnetskih materijala u laminiranju jezgra, što može biti skuplje.
Upotreba distribuiranih namotaja znači da magnetski čelik ne mora biti segmentiran; 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 fluksa može se prilagoditi zahtjevima kupaca. Kupci imaju prilagođene verzije razvijene oko osnovnog dizajna. Zatim se proizvode na probnoj proizvodnoj liniji za ranu verifikaciju proizvodnje, što se može replicirati u drugim fabrikama.
Prilagođavanje je uglavnom zato što performanse vozila ne zavise samo od dizajna aksijalnog magnetskog motora, već i od kvaliteta strukture vozila, baterijskog sklopa i BMS-a.
Vrijeme objave: 28. septembar 2023.
