În comparație 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 de propulsie prin mutarea motorului de pe axă în interiorul roților.
1.Axa puterii
Motoare cu flux axialprimesc o atenție din ce în ce mai mare (câștigă tracțiune). De mulți ani, acest tip de motor a fost utilizat în aplicații staționare, cum ar fi ascensoare și mașini agricole, dar în ultimul deceniu, mulți dezvoltatori au lucrat pentru a îmbunătăți această tehnologie și a o aplica motocicletelor electrice, podurilor de aeroport, camioanelor de marfă, electrice. vehicule și chiar avioane.
Motoarele tradiționale cu flux radial folosesc magneți permanenți sau motoare cu inducție, care au făcut progrese semnificative în optimizarea greutății și a costurilor. Cu toate acestea, ei se confruntă cu multe dificultăți în a continua să se dezvolte. Fluxul axial, un tip complet diferit de motor, poate fi o alternativă bună.
În comparație cu motoarele radiale, suprafața magnetică efectivă a motoarelor cu magnet permanenți cu flux axial este suprafața rotorului motorului, nu diametrul exterior. Prin urmare, într-un anumit volum de motor, motoarele cu magnet 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 mică. Pentru motoarele interne ale roților, acesta este adesea un factor crucial. Structura compactă a motoarelor axiale asigură o densitate mai mare de putere și densitate de cuplu decât motoarele radiale similare, eliminând astfel nevoia de viteze de funcționare extrem de mari.
Eficiența motoarelor cu flux axial este, de asemenea, foarte mare, depășind de obicei 96%. Acest lucru se datorează căii de flux mai scurte, unidimensionale, care este comparabilă 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 scurtă, iar greutatea este, de asemenea, redusă de 2 până la 5 ori. Acești doi factori au schimbat alegerea designerilor de platforme pentru vehicule electrice.
2. Tehnologia fluxului axial
Există două topologii principale pentrumotoare cu flux axial: stator unic cu rotor dublu (uneori denumit mașini în stil torus) și stator dublu cu un singur rotor.
În prezent, majoritatea motoarelor cu magnet permanenți folosesc topologia cu flux radial. Circuitul de flux magnetic începe cu un magnet permanent pe rotor, trece prin primul dinte de pe stator și apoi curge radial de-a lungul statorului. Apoi treceți 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 calea fluxului este mult mai scurtă decât cea a motoarelor cu flux radial, rezultând volume mai mici ale motorului, densitate mai mare de putere și eficiență la aceeași putere.
Un motor radial, unde fluxul magnetic trece prin primul dinte și apoi revine la următorul dinte prin stator, ajungând la magnet. Fluxul magnetic urmează o cale bidimensională.
Calea fluxului magnetic al unei mașini cu flux magnetic axial este unidimensională, astfel încât se poate folosi oțel electric orientat cu granule. Acest oțel facilitează trecerea fluxului, îmbunătățind astfel eficiența.
Motoarele cu flux radial folosesc în mod tradițional înfășurări distribuite, cu până la jumătate din capetele înfășurării nefuncționând. Contopirea bobinei va avea ca rezultat greutate suplimentară, cost, rezistență electrică și mai multă pierdere de căldură, forțând proiectanții să îmbunătățească designul înfășurării.
Capetele bobinei demotoare cu flux axialsunt mult mai puține, iar unele modele folosesc înfășurări concentrate sau segmentate, care sunt complet eficiente. Pentru mașinile radiale cu stator segmentat, ruperea căii fluxului magnetic în stator poate aduce pierderi suplimentare, dar pentru motoarele cu flux axial, aceasta nu este o problemă. Designul 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 sunt 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 disiparea căldurii foarte dificilă.
Motoarele cu flux axial sunt, de asemenea, dificil de fabricat din multe motive. Mașina cu rotor dublu care folosește o mașină cu rotor dublu cu topologie cu juguri (adică îndepărtarea jugului de fier din stator, dar păstrând dinții de fier) depășește unele dintre aceste probleme fără a extinde diametrul motorului și magnetul.
Cu toate acestea, îndepărtarea jugului aduce noi provocări, cum ar fi modul de fixare și poziționare a dinților individuali 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 spațiul de aer, deoarece discul rotorului atrage rotorul. Avantajul este că discurile rotorului sunt conectate direct printr-un inel de arbore, 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 între cele două discuri ale rotorului.
Motoarele cu un singur rotor cu stator dublu nu se confruntă cu provocările motoarelor circulare, dar proiectarea statorului este mult mai complexă și dificil de realizat automatizare, iar costurile aferente sunt, de asemenea, mari. 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 și demonstrează fiabilitatea și robustețea diferitelormotoare cu flux axiala convinge producătorii 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 singuri programe extinse de validare, fiecare furnizor demonstrând că fiabilitatea motorului lor nu este diferită de motoarele tradiționale cu flux radial.
Singura componentă care se poate uza într-unmotor cu flux axialeste rulmentii. Lungimea fluxului magnetic axial este relativ scurtă, iar poziția rulmenților este mai apropiată, de obicei proiectată pentru a fi ușor „supradimensionată”. Din fericire, motorul cu flux axial are o masă mai mică a rotorului și poate rezista la sarcini dinamice mai mici ale arborelui rotorului. Prin urmare, forța efectivă aplicată lagărelor este mult mai mică decât cea a motorului cu flux radial.
Axa electronică este una dintre primele aplicații ale motoarelor axiale. Lățimea mai subțire poate încapsula motorul și cutia de viteze în ax. În aplicațiile hibride, lungimea axială mai mică 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 încă nu au apărut configurațiile standard. Fiecare producător de echipamente originale cercetează configurații specifice, deoarece diferitele dimensiuni și forme ale motoarelor axiale pot modifica designul vehiculelor electrice. În comparație cu motoarele radiale, motoarele axiale au o densitate de putere mai mare, ceea ce înseamnă că pot fi utilizate motoare axiale mai mici. Aceasta 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) este un exemplu de topologie cu rotor dublu cu un singur stator, care reduce complexitatea producției și este potrivită pentru producția de masă automată. Aceste motoare au o densitate de putere de până la 10 kW/kg la viteze 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 pentru motoarele cu flux axial precum și motoarele cu inducție și cu flux radial.
Acest lucru permite producătorilor de echipamente originale de vehicule electrice și dezvoltatorilor de prim nivel să aleagă în mod flexibil motorul potrivit în funcție de aplicație și spațiul disponibil. Dimensiunea și greutatea mai mici fac vehiculul mai ușor și să aibă mai multe baterii, crescând astfel autonomia.
5. Aplicarea motocicletelor electrice
Pentru motociclete electrice și ATV-uri, unele companii au dezvoltat motoare cu flux axial de curent alternativ. Designul utilizat în mod obișnuit pentru acest tip de vehicul este modelele de flux axial bazate pe perii de curent continuu, în timp ce noul produs este un design fără perii de curent alternativ, complet etanșat.
Bobinele ambelor motoare DC și AC rămân staționare, dar rotoarele duble folosesc magneți permanenți în loc de armături rotative. Avantajul acestei metode este că nu necesită inversare mecanică.
Designul axial AC poate folosi, de asemenea, controlere standard de motoare AC trifazate pentru motoarele radiale. Acest lucru ajută la reducerea costurilor, deoarece controlerul controlează curentul cuplului, nu viteza. Controlerul necesită o frecvență de 12 kHz sau mai mare, care este frecvența principală a unor astfel de dispozitive.
Frecvența mai mare provine din inductanța mai mică a înfășurării de 20 µ H. Frecvența poate controla curentul pentru a minimiza ondularea curentului și pentru a asigura un semnal sinusoidal cât mai neted posibil. Dintr-o perspectivă dinamică, aceasta este o modalitate excelentă de a obține un control mai fin al motorului, permițând modificări rapide ale cuplului.
Acest design adoptă o înfășurare dublu strat distribuită, astfel încât fluxul magnetic curge de la rotor la alt rotor prin stator, cu o cale 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 folosit pentru motociclete electrice și vehicule cu patru roți din clasa L7e, cum ar fi Renault Twizy.
Tensiunea maximă de 60 V permite ca motorul să fie integrat în sistemele electrice principale de 48 V și simplifică lucrările de întreținere.
Specificațiile pentru motocicleta cu patru roți L7e din Regulamentul-cadru european 2002/24/CE stipulează că greutatea vehiculelor utilizate pentru transportul mărfurilor nu depășește 600 de kilograme, excluzând greutatea bateriilor. Aceste vehicule pot transporta nu mai mult de 200 de kilograme de pasageri, nu mai mult de 1000 de kilograme de marfă și nu mai mult de 15 kilowați de putere a motorului. Metoda de înfășurare distribuită poate oferi un cuplu de 75-100 Nm, cu o putere de ieșire de vârf 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 pentru rezolvarea acestei probleme, deoarece are un număr mare de fante pentru stâlpi. În acest fel, există o suprafață mai mare între cupru și carcasă, iar căldura poate fi transferată spre exterior și evacuată printr-un sistem standard de răcire cu lichid.
Polii magnetici multipli sunt cheia pentru utilizarea formelor de undă sinusoidale, care ajută la reducerea armonicilor. Aceste armonice se manifestă ca încălzire a magneților și a miezului, în timp ce componentele de cupru nu pot duce căldura. Când căldura se acumulează în magneți și miezurile de fier, eficiența scade, motiv pentru care optimizarea formei de undă și a căii de căldură este crucială pentru performanța motorului.
Designul motorului a fost optimizat pentru a reduce costurile și a realiza o producție automată în masă. Un inel de carcasă extrudat nu necesită o prelucrare mecanică complexă și poate reduce costurile materialelor. Bobina poate fi înfășurată direct și se folosește un proces de lipire în timpul procesului de înfășurare pentru a menține forma corectă a ansamblului.
Punctul cheie este că bobina este făcută din sârmă standard disponibilă în comerț, în timp ce miezul de fier este laminat cu oțel transformator standard așezat pe raft, care pur și simplu trebuie să fie tăiat în formă. Alte modele de motoare necesită utilizarea materialelor magnetice moi în laminarea miezului, care poate fi mai scumpă.
Utilizarea înfășurărilor distribuite înseamnă că oțelul magnetic nu trebuie să fie segmentat; Pot avea forme mai simple și mai ușor de fabricat. Reducerea dimensiunii oțelului magnetic și asigurarea ușurinței sale de fabricare are un impact semnificativ asupra reducerii costurilor.
Designul acestui motor cu flux axial poate fi, de asemenea, personalizat în funcție de cerințele clientului. Clienții au versiuni personalizate dezvoltate în jurul designului de bază. Produs apoi pe o linie de producție de probă pentru verificarea timpurie a producției, care poate fi replicată în alte fabrici.
Personalizarea se datorează în principal pentru că performanța vehiculului depinde nu numai de proiectarea motorului cu flux magnetic axial, ci și de calitatea structurii vehiculului, a acumulatorului și a BMS.
Ora postării: 28-sept-2023
