Comparativ cu motoarele cu flux radial, motoarele cu flux axial au multe avantaje în proiectarea vehiculelor electrice. De exemplu, motoarele cu flux axial pot schimba designul grupului motopropulsor prin mutarea motorului de pe axă în interiorul roților.
1. Axa puterii
Motoare cu flux axialse bucură de o atenție tot mai mare (câștigă tracțiune). Timp de mulți ani, acest tip de motor a fost utilizat în aplicații staționare, cum ar fi ascensoarele și utilajele agricole, dar în ultimul deceniu, mulți dezvoltatori au lucrat pentru a îmbunătăți această tehnologie și a o aplica la motociclete electrice, capsule de aeroport, camioane de marfă, vehicule electrice și chiar avioane.
Motoarele tradiționale cu flux radial utilizează magneți permanenți sau motoare cu inducție, care au înregistrat progrese semnificative în optimizarea greutății și a costurilor. Cu toate acestea, se confruntă cu numeroase dificultăți în continuarea dezvoltării. Motoarele cu flux axial, un tip complet diferit de motor, pot fi o alternativă bună.
Comparativ cu motoarele radiale, suprafața magnetică efectivă a motoarelor cu magneți permanenți cu flux axial este suprafața rotorului motorului, nu diametrul exterior. Prin urmare, într-un anumit volum al motorului, motoarele cu magneți permanenți cu flux axial pot oferi de obicei un cuplu mai mare.
Motoare cu flux axialsunt mai compacte; Comparativ cu motoarele radiale, lungimea axială a motorului este mult mai scurtă. Pentru motoarele cu roți interne, acesta este adesea un factor crucial. Structura compactă a motoarelor axiale asigură o densitate de putere și o densitate de cuplu mai mari decât motoarele radiale similare, eliminând astfel necesitatea unor viteze de funcționare extrem de mari.
Randamentul motoarelor cu flux axial este, de asemenea, foarte ridicat, depășind de obicei 96%. Acest lucru se datorează traseului de flux unidimensional mai scurt, care este comparabil sau chiar mai mare ca eficiență în comparație cu cele mai bune motoare cu flux radial 2D de pe piață.
Lungimea motorului este mai scurtă, de obicei de 5 până la 8 ori mai mică, iar greutatea este, de asemenea, redusă de 2 până la 5 ori. Acești doi factori au schimbat alegerea proiectanților de platforme pentru vehicule electrice.
2. Tehnologia fluxului axial
Există două topologii principale pentrumotoare cu flux axial: rotor dublu cu un singur stator (uneori denumite mașini de tip torus) și rotor dublu cu un singur stator.
În prezent, majoritatea motoarelor cu magneți permanenți utilizează topologia fluxului radial. Circuitul fluxului magnetic începe cu un magnet permanent pe rotor, trece prin primul dinte de pe stator și apoi curge radial de-a lungul statorului. Apoi trece prin al doilea dinte pentru a ajunge la al doilea oțel magnetic de pe rotor. Într-o topologie de flux axial cu rotor dublu, bucla de flux începe de la primul magnet, trece axial prin dinții statorului și ajunge imediat la al doilea magnet.
Aceasta înseamnă că traseul fluxului este mult mai scurt decât cel al motoarelor cu flux radial, rezultând volume mai mici ale motorului, densitate de putere mai mare și eficiență la aceeași putere.
Un motor radial, în care fluxul magnetic trece prin primul dinte și apoi se întoarce la următorul dinte prin stator, ajungând la magnet. Fluxul magnetic urmează o traiectorie bidimensională.
Calea fluxului magnetic al unei mașini axiale cu flux magnetic este unidimensională, așadar se poate utiliza oțel electric cu granule orientate. Acest oțel facilitează trecerea fluxului, îmbunătățind astfel eficiența.
Motoarele cu flux radial utilizează în mod tradițional înfășurări distribuite, până la jumătate din capetele înfășurărilor nefuncționale. Consola bobinei va duce la o greutate suplimentară, costuri, rezistență electrică și pierderi mai mari de căldură, forțând proiectanții să îmbunătățească designul înfășurărilor.
Capetele bobineimotoare cu flux axialsunt mult mai puține, iar unele modele utilizează înfășurări concentrate sau segmentate, care sunt complet eficiente. Pentru mașinile radiale cu stator segmentat, ruptura traseului fluxului magnetic în stator poate aduce pierderi suplimentare, dar pentru motoarele cu flux axial, aceasta nu este o problemă. Proiectarea înfășurării bobinei este cheia pentru a distinge nivelul furnizorilor.
3. Dezvoltare
Motoarele cu flux axial se confruntă cu unele provocări serioase în proiectare și producție, în ciuda avantajelor lor tehnologice, costurile lor fiind mult mai mari decât cele ale motoarelor radiale. Oamenii au o înțelegere foarte aprofundată a motoarelor radiale, iar metodele de fabricație și echipamentele mecanice sunt, de asemenea, ușor disponibile.
Una dintre principalele provocări ale motoarelor cu flux axial este menținerea unui spațiu de aer uniform între rotor și stator, deoarece forța magnetică este mult mai mare decât cea a motoarelor radiale, ceea ce face dificilă menținerea unui spațiu de aer uniform. Motorul cu flux axial cu rotor dublu are, de asemenea, probleme de disipare a căldurii, deoarece înfășurarea este situată adânc în stator și între cele două discuri ale rotorului, ceea ce face ca disiparea căldurii să fie foarte dificilă.
Motoarele cu flux axial sunt, de asemenea, dificil de fabricat din mai multe motive. Mașina cu rotor dublu care utilizează o mașină cu rotor dublu cu o topologie cu jug (adică îndepărtarea jugului de fier din stator, dar păstrarea dinților de fier) depășește unele dintre aceste probleme fără a extinde diametrul motorului și magnetul.
Totuși, îndepărtarea jugului aduce noi provocări, cum ar fi modul de fixare și poziționare a fiecărui dinți fără o conexiune mecanică a jugului. Răcirea este, de asemenea, o provocare mai mare.
De asemenea, este dificil să se producă rotorul și să se mențină întrefierul, deoarece discul rotorului atrage rotorul. Avantajul este că discurile rotorului sunt conectate direct printr-un inel al arborelui, astfel încât forțele se anulează reciproc. Aceasta înseamnă că rulmentul intern nu rezistă acestor forțe, iar singura sa funcție este de a menține statorul în poziția de mijloc dintre cele două discuri ale rotorului.
Motoarele cu rotor simplu și stator dublu nu se confruntă cu provocările motoarelor circulare, dar designul statorului este mult mai complex și dificil de realizat prin automatizare, iar costurile aferente sunt, de asemenea, ridicate. Spre deosebire de orice motor tradițional cu flux radial, procesele de fabricație a motoarelor axiale și echipamentele mecanice au apărut abia recent.
4. Aplicarea vehiculelor electrice
Fiabilitatea este crucială în industria auto, iar demonstrarea fiabilității și robusteții diferitelor...motoare cu flux axialConvingerea producătorilor că aceste motoare sunt potrivite pentru producția de masă a fost întotdeauna o provocare. Acest lucru i-a determinat pe furnizorii de motoare axiale să desfășoare proprii programe ample de validare, fiecare furnizor demonstrând că fiabilitatea motoarelor lor nu este diferită de cea a motoarelor tradiționale cu flux radial.
Singura componentă care se poate uza într-unmotor cu flux axialsunt rulmenții. Lungimea fluxului magnetic axial este relativ scurtă, iar poziția rulmenților este mai apropiată, de obicei proiectată să fie ușor „supradimensionată”. Din fericire, motorul cu flux axial are o masă a rotorului mai mică și poate suporta sarcini dinamice mai mici pe arborele rotorului. Prin urmare, forța reală aplicată rulmenților este mult mai mică decât cea a motorului cu flux radial.
Axa electronică este una dintre primele aplicații ale motoarelor axiale. Lățimea mai mică poate încapsula motorul și cutia de viteze în axă. În aplicațiile hibride, lungimea axială mai scurtă a motorului scurtează, la rândul său, lungimea totală a sistemului de transmisie.
Următorul pas este instalarea motorului axial pe roată. În acest fel, puterea poate fi transmisă direct de la motor la roți, îmbunătățind eficiența motorului. Datorită eliminării transmisiilor, diferențialelor și arborilor de transmisie, complexitatea sistemului a fost, de asemenea, redusă.
Cu toate acestea, se pare că configurațiile standard nu au apărut încă. Fiecare producător de echipamente originale cercetează configurații specifice, deoarece diferitele dimensiuni și forme ale motoarelor axiale pot modifica designul vehiculelor electrice. Comparativ cu motoarele radiale, motoarele axiale au o densitate de putere mai mare, ceea ce înseamnă că se pot utiliza motoare axiale mai mici. Acest lucru oferă noi opțiuni de design pentru platformele vehiculelor, cum ar fi amplasarea pachetelor de baterii.
4.1 Armătură segmentată
Topologia motorului YASA (Yokeless and Segmented Armature - Armătură fără jug și segmentată) este un exemplu de topologie cu rotor dublu și stator simplu, care reduce complexitatea fabricației și este potrivită pentru producția de masă automatizată. Aceste motoare au o densitate de putere de până la 10 kW/kg la turații de 2000 până la 9000 rpm.
Folosind un controler dedicat, acesta poate furniza un curent de 200 kVA pentru motor. Controlerul are un volum de aproximativ 5 litri și cântărește 5,8 kilograme, inclusiv management termic cu răcire cu ulei dielectric, potrivit atât pentru motoare cu flux axial, cât și pentru motoare cu inducție și flux radial.
Acest lucru permite producătorilor de echipamente originale pentru vehicule electrice și dezvoltatorilor de prim rang să aleagă flexibil motorul potrivit în funcție de aplicație și de spațiul disponibil. Dimensiunile și greutatea mai mici fac vehiculul mai ușor și are mai multe baterii, sporind astfel autonomia.
5. Aplicarea motocicletelor electrice
Pentru motocicletele și ATV-urile electrice, unele companii au dezvoltat motoare axiale de curent alternativ. Designul utilizat în mod obișnuit pentru acest tip de vehicul este cel cu flux axial de curent continuu, bazat pe perii, în timp ce noul produs este un design fără perii de curent alternativ, complet etanș.
Bobinele motoarelor de curent continuu și alternativ rămân staționare, dar rotoarele duble utilizează magneți permanenți în loc de armături rotative. Avantajul acestei metode este că nu necesită inversare mecanică.
Designul axial de curent alternativ poate utiliza și regulatoare standard de motor trifazat de curent alternativ pentru motoarele radiale. Acest lucru ajută la reducerea costurilor, deoarece regulatorul controlează curentul de cuplu, nu viteza. Regulatorul necesită o frecvență de 12 kHz sau mai mare, care este frecvența principală a acestor dispozitive.
Frecvența mai mare provine de la inductanța mai mică a înfășurării, de 20 µH. Frecvența poate controla curentul pentru a minimiza ondulația curentului și a asigura un semnal sinusoidal cât mai lin posibil. Dintr-o perspectivă dinamică, aceasta este o modalitate excelentă de a obține un control mai lin al motorului, permițând modificări rapide ale cuplului.
Acest design adoptă o înfășurare distribuită în strat dublu, astfel încât fluxul magnetic curge de la rotor la un alt rotor prin stator, cu o traiectorie foarte scurtă și o eficiență mai mare.
Cheia acestui design este că poate funcționa la o tensiune maximă de 60 V și nu este potrivit pentru sisteme de tensiune mai mare. Prin urmare, poate fi utilizat pentru motociclete electrice și vehicule cu patru roți din clasa L7e, cum ar fi Renault Twizy.
Tensiunea maximă de 60 V permite integrarea motorului în sistemele electrice obișnuite de 48 V și simplifică lucrările de întreținere.
Specificațiile pentru motocicletele cu patru roți L7e din Regulamentul-cadru european 2002/24/CE prevăd că greutatea vehiculelor utilizate pentru transportul de mărfuri nu depășește 600 de kilograme, excluzând greutatea bateriilor. Aceste vehicule sunt autorizate să transporte maximum 200 de kilograme de pasageri, maximum 1000 de kilograme de marfă și maximum 15 kilowați putere a motorului. Metoda de înfășurare distribuită poate oferi un cuplu de 75-100 Nm, cu o putere de ieșire maximă de 20-25 kW și o putere continuă de 15 kW.
Provocarea fluxului axial constă în modul în care înfășurările de cupru disipă căldura, ceea ce este dificil deoarece căldura trebuie să treacă prin rotor. Înfășurarea distribuită este cheia rezolvării acestei probleme, deoarece are un număr mare de fante polare. În acest fel, există o suprafață mai mare între cupru și carcasă, iar căldura poate fi transferată în exterior și evacuată de un sistem standard de răcire cu lichid.
Polii magnetici multipli sunt esențiali pentru utilizarea formelor de undă sinusoidale, care ajută la reducerea armonicelor. Aceste armonice se manifestă prin încălzirea magneților și a miezului, în timp ce componentele de cupru nu pot transporta căldura. Atunci când căldura se acumulează în magneți și miezuri de fier, eficiența scade, motiv pentru care optimizarea formei de undă și a traseului termic este crucială pentru performanța motorului.
Designul motorului a fost optimizat pentru a reduce costurile și a realiza producția de masă automatizată. O carcasă inelară extrudată nu necesită prelucrare mecanică complexă și poate reduce costurile materialelor. Bobina poate fi înfășurată direct, iar în timpul procesului de înfășurare se utilizează un proces de lipire pentru a menține forma corectă a ansamblului.
Punctul cheie este că bobina este fabricată din sârmă standard disponibilă în comerț, în timp ce miezul de fier este laminat cu oțel standard pentru transformatoare, care trebuie pur și simplu tăiat în formă. Alte modele de motoare necesită utilizarea de materiale magnetice moi în laminarea miezului, ceea ce poate fi mai scump.
Utilizarea înfășurărilor distribuite înseamnă că oțelul magnetic nu trebuie segmentat; acestea pot avea forme mai simple și mai ușor de fabricat. Reducerea dimensiunii oțelului magnetic și asigurarea ușurinței sale de fabricație au un impact semnificativ asupra reducerii costurilor.
Designul acestui motor cu flux axial poate fi, de asemenea, personalizat în funcție de cerințele clientului. Clienții au la dispoziție versiuni personalizate, dezvoltate în jurul designului de bază. Apoi, sunt fabricate pe o linie de producție de probă pentru verificarea timpurie a producției, putând fi replicate în alte fabrici.
Personalizarea se datorează în principal faptului că performanța vehiculului depinde nu numai de designul motorului cu flux magnetic axial, ci și de calitatea structurii vehiculului, a pachetului de baterii și a BMS-ului.
Data publicării: 28 septembrie 2023
