У поређењу са радијалним флуксним моторима, аксијални флуксни мотори имају многе предности у дизајну електричних возила. На пример, аксијални флуксни мотори могу променити дизајн погонског склопа померањем мотора са осовине на унутрашњост точкова.
1. Осовина моћи
Аксијални флуксни моторипривлаче све већу пажњу (добијају вучну снагу). Дуги низ година, ова врста мотора се користи у стационарним апликацијама као што су лифтови и пољопривредне машине, али током последње деценије, многи програмери раде на побољшању ове технологије и њеној примени на електричне мотоцикле, аеродромске капсуле, теретне камионе, електрична возила, па чак и авионе.
Традиционални мотори са радијалним флуксом користе перманентне магнете или индукционе моторе, који су постигли значајан напредак у оптимизацији тежине и трошкова. Међутим, суочавају се са многим потешкоћама у даљем развоју. Аксијални флукс, потпуно другачији тип мотора, може бити добра алтернатива.
У поређењу са радијалним моторима, ефективна магнетна површина аксијалних мотора са перманентним магнетима је површина ротора мотора, а не спољашњи пречник. Стога, у одређеној запремини мотора, аксијални мотори са перманентним магнетима обично могу да обезбеде већи обртни момент.
Аксијални флуксни моторису компактнији; У поређењу са радијалним моторима, аксијална дужина мотора је много краћа. За моторе са унутрашњим точковима, ово је често кључни фактор. Компактна структура аксијалних мотора обезбеђује већу густину снаге и густину обртног момента од сличних радијалних мотора, чиме се елиминише потреба за изузетно високим радним брзинама.
Ефикасност аксијалних флуксних мотора је такође веома висока, обично прелази 96%. То је захваљујући краћој, једнодимензионалној путањи флукса, која је упоредива или чак већа по ефикасности у поређењу са најбољим 2Д радијалним флуксним моторима на тржишту.
Дужина мотора је краћа, обично 5 до 8 пута краћа, а тежина је такође смањена 2 до 5 пута. Ова два фактора су променила избор дизајнера платформи електричних возила.
2. Технологија аксијалног флукса
Постоје две главне топологије зааксијални флуксни мотори: двороторне једностаторне машине (понекад се називају машине торуса) и једнороторне двостаторне машине.
Тренутно, већина мотора са перманентним магнетима користи топологију радијалног флукса. Коло магнетног флукса почиње са перманентним магнетом на ротору, пролази кроз први зубац на статору, а затим тече радијално дуж статора. Затим пролази кроз други зубац да би дошао до другог магнетног челика на ротору. Код топологије аксијалног флукса са два ротора, петља флукса почиње од првог магнета, пролази аксијално кроз зубце статора и одмах досеже други магнет.
То значи да је путања флукса много краћа него код радијалних мотора са флуксом, што резултира мањим запреминама мотора, већом густином снаге и ефикасношћу при истој снази.
Радијални мотор, где магнетни флукс пролази кроз први зубац, а затим се враћа на следећи зубац кроз статор, достижући магнет. Магнетни флукс прати дводимензионалну путању.
Путања магнетног флукса аксијалне машине са магнетним флуксом је једнодимензионална, тако да се може користити зрнасто оријентисани електротехнички челик. Овај челик олакшава пролазак флукса, чиме се побољшава ефикасност.
Радијални флуксни мотори традиционално користе дистрибуиране намотаје, при чему до половине крајева намотаја не функционише. Препуст намотаја ће резултирати додатном тежином, трошковима, електричним отпором и већим губитком топлоте, што приморава дизајнере да побољшају дизајн намотаја.
Крајеви калемааксијални флуксни моторису много мањи, а неки дизајни користе концентрисане или сегментиране намотаје, који су потпуно ефикасни. Код сегментираних статорских радијалних машина, прекид путање магнетног флукса у статору може донети додатне губитке, али код аксијалних мотора флукса то није проблем. Дизајн намотаја калема је кључ за разликовање нивоа добављача.
3. Развој
Аксијални флуксни мотори се суочавају са озбиљним изазовима у пројектовању и производњи, упркос њиховим технолошким предностима, њихови трошкови су далеко већи од трошкова радијалних мотора. Људи имају веома темељно разумевање радијалних мотора, а методе производње и механичка опрема су такође лако доступни.
Један од главних изазова аксијалних мотора са флуксом је одржавање равномерног ваздушног зазора између ротора и статора, јер је магнетна сила много већа него код радијалних мотора, што отежава одржавање равномерног ваздушног зазора. Двороторски аксијални мотор са флуксом такође има проблема са одвођењем топлоте, јер се намотај налази дубоко унутар статора и између два роторска диска, што чини одвођење топлоте веома тешким.
Аксијални флуксни мотори су такође тешки за производњу из више разлога. Машина са два ротора која користи машину са два ротора и топологијом јарма (тј. уклањање гвозденог јарма са статора, али задржавање гвоздених зубаца) превазилази неке од ових проблема без проширења пречника мотора и магнета.
Међутим, уклањање јарма доноси нове изазове, као што је начин фиксирања и позиционирања појединачних зубаца без механичке везе јарма. Хлађење је такође већи изазов.
Такође је тешко произвести ротор и одржати ваздушни зазор, јер диск ротора привлачи ротор. Предност је у томе што су дискови ротора директно повезани преко осовинског прстена, тако да се силе међусобно поништавају. То значи да унутрашњи лежај не издржава ове силе, а његова једина функција је да држи статор у средњем положају између два диска ротора.
Мотори са двоструким статором и једним ротором не суочавају се са изазовима кружних мотора, али је дизајн статора много сложенији и теже га је постићи аутоматизацијом, а повезани трошкови су такође високи. За разлику од било ког традиционалног мотора са радијалним флуксом, процеси производње аксијалних мотора и механичка опрема су се тек недавно појавили.
4. Примена електричних возила
Поузданост је кључна у аутомобилској индустрији, а доказивање поузданости и робусности различитихаксијални флуксни моториУбедити произвођаче да су ови мотори погодни за масовну производњу увек је био изазов. То је подстакло добављаче аксијалних мотора да сами спроводе опсежне програме валидације, при чему је сваки добављач показао да се поузданост њиховог мотора не разликује од традиционалних радијалних мотора са флексом.
Једина компонента која се може истрошити уаксијални флуксни моторсу лежајеви. Дужина аксијалног магнетног флукса је релативно кратка, а положај лежајева је ближи, обично пројектован да буде мало „предимензионисан“. Срећом, мотор са аксијалним флуксом има мању масу ротора и може да издржи мања динамичка оптерећења вратила ротора. Стога је стварна сила која се примењује на лежајеве много мања него код мотора са радијалним флуксом.
Електронска осовина је једна од првих примена аксијалних мотора. Ужа ширина може да обухвати мотор и мењач у осовини. Код хибридних примена, краћа аксијална дужина мотора заузврат скраћује укупну дужину система преноса.
Следећи корак је постављање аксијалног мотора на точак. На овај начин, снага се може директно преносити са мотора на точкове, побољшавајући ефикасност мотора. Због елиминације мењача, диференцијала и карданских вратила, сложеност система је такође смањена.
Међутим, изгледа да се стандардне конфигурације још увек нису појавиле. Сваки произвођач оригиналне опреме истражује специфичне конфигурације, јер различите величине и облици аксијалних мотора могу да промене дизајн електричних возила. У поређењу са радијалним моторима, аксијални мотори имају већу густину снаге, што значи да се могу користити мањи аксијални мотори. Ово пружа нове могућности дизајна за платформе возила, као што је постављање батеријских пакета.
4.1 Сегментна арматура
YASA (Yokless and Segmented Armature) топологија мотора је пример топологије са два ротора и једним статором, што смањује сложеност производње и погодно је за аутоматизовану масовну производњу. Ови мотори имају густину снаге до 10 kW/kg при брзинама од 2000 до 9000 о/мин.
Користећи наменски контролер, може да обезбеди струју од 200 kVA за мотор. Контролер има запремину од приближно 5 литара и тежи 5,8 килограма, укључујући термално управљање са диелектричним уљним хлађењем, погодно за аксијалне моторе флукса, као и за индукционе и радијалне моторе флукса.
Ово омогућава произвођачима оригиналне опреме за електрична возила и програмерима првог нивоа да флексибилно изаберу одговарајући мотор на основу примене и расположивог простора. Мања величина и тежина чине возило лакшим и имају више батерија, чиме се повећава домет.
5. Примена електричних мотоцикала
За електричне мотоцикле и ATV возила, неке компаније су развиле AC аксијалне моторе са флуксом. Уобичајено коришћени дизајн за ову врсту возила су DC аксијални мотори са флуксом на бази четкица, док је нови производ AC, потпуно затворени дизајн без четкица.
Калеми и једносмерних и наизменичних мотора остају непокретни, али двоструки ротори користе сталне магнете уместо ротирајућих арматура. Предност ове методе је што не захтева механичко обртање.
Аксијални дизајн са наизменичном струјом такође може да користи стандардне трофазне контролере АЦ мотора за радијалне моторе. Ово помаже у смањењу трошкова, јер контролер контролише струју обртног момента, а не брзину. Контролеру је потребна фреквенција од 12 kHz или више, што је главна фреквенција таквих уређаја.
Виша фреквенција долази од ниже индуктивности намотаја од 20 µH. Фреквенција може да контролише струју како би се минимизирало таласање струје и осигурао што глаткији синусоидни сигнал. Са динамичке перспективе, ово је одличан начин за постизање глађе контроле мотора омогућавањем брзих промена обртног момента.
Овај дизајн усваја дистрибуирани двослојни намотај, тако да магнетни флукс тече од ротора до другог ротора кроз статор, са веома кратком путањом и већом ефикасношћу.
Кључ овог дизајна је у томе што може да ради на максималном напону од 60 V и није погодан за системе вишег напона. Стога се може користити за електричне мотоцикле и четвороточкаше класе L7e као што је Renault Twizy.
Максимални напон од 60 V омогућава интеграцију мотора у главне електричне системе од 48 V и поједностављује радове на одржавању.
Спецификације за четвороточкаше L7e у Европској оквирној уредби 2002/24/ЕЗ прописују да тежина возила која се користе за превоз терете не прелази 600 килограма, искључујући тежину батерија. Ова возила смеју да превозе највише 200 килограма путника, највише 1000 килограма терета и највише 15 киловата снаге мотора. Метода дистрибуираног намотавања може да обезбеди обртни момент од 75-100 Nm, са вршном излазном снагом од 20-25 kW и континуираном снагом од 15 kW.
Изазов аксијалног флукса лежи у начину на који бакарни намотаји расипају топлоту, што је тешко јер топлота мора да прође кроз ротор. Распределени намотај је кључ за решавање овог проблема, јер има велики број полних жлебова. На овај начин, постоји већа површина између бакра и љуске, а топлота се може пренети напоље и одвести стандардним системом за течно хлађење.
Вишеструки магнетни полови су кључни за коришћење синусоидних облика таласа, што помаже у смањењу хармоника. Ови хармоници се манифестују као загревање магнета и језгра, док бакарне компоненте не могу да одведу топлоту. Када се топлота акумулира у магнетима и гвозденим језгрима, ефикасност се смањује, због чега је оптимизација облика таласа и путање топлоте кључна за перформансе мотора.
Дизајн мотора је оптимизован како би се смањили трошкови и постигла аутоматизована масовна производња. Екструдирани прстен кућишта не захтева сложену механичку обраду и може смањити трошкове материјала. Калем се може директно намотати, а током процеса намотавања се користи процес лепљења како би се одржао правилан облик склопа.
Кључна ствар је да је калем направљен од стандардне комерцијално доступне жице, док је гвоздено језгро ламинирано стандардним трансформаторским челиком, који се једноставно исече у облик. Други дизајни мотора захтевају употребу меких магнетних материјала у ламинацији језгра, што може бити скупље.
Употреба дистрибуираних намотаја значи да магнетни челик не мора бити сегментиран; могу бити једноставнијих облика и лакши за производњу. Смањење величине магнетног челика и обезбеђивање његове лакоће производње значајно утиче на смањење трошкова.
Дизајн овог аксијалног флуксног мотора такође се може прилагодити захтевима купаца. Купци имају прилагођене верзије развијене око основног дизајна. Затим се производе на пробној производној линији за рану верификацију производње, која се може реплицирати у другим фабрикама.
Прилагођавање је углавном зато што перформансе возила не зависе само од дизајна аксијалног мотора магнетног флукса, већ и од квалитета структуре возила, батерије и BMS-а.
Време објаве: 28. септембар 2023.
