V primerjavi z radialnimi motorji s pretokom imajo aksialni motorji s pretokom številne prednosti pri zasnovi električnih vozil. Aksialni motorji s pretokom lahko na primer spremenijo zasnovo pogonskega sklopa tako, da motor premaknejo z osi na notranjo stran koles.
1. Os moči
Aksialni motorji z fluksomso deležni vse večje pozornosti (pridobitev oprijema). Ta tip motorja se že vrsto let uporablja v stacionarnih aplikacijah, kot so dvigala in kmetijska mehanizacija, vendar so v zadnjem desetletju številni razvijalci delali na izboljšanju te tehnologije in njeni uporabi v električnih motorjih, letaliških kapsulah, tovornih vozilih, električnih vozilih in celo letalih.
Tradicionalni radialni motorji z indukcijskim pretokom uporabljajo trajne magnete ali indukcijske motorje, ki so dosegli pomemben napredek pri optimizaciji teže in stroškov. Vendar se pri nadaljnjem razvoju soočajo s številnimi težavami. Aksialni motor z indukcijskim pretokom, povsem drugačna vrsta motorja, je lahko dobra alternativa.
V primerjavi z radialnimi motorji je efektivna magnetna površina aksialnih motorjev s permanentnimi magneti površina rotorja motorja in ne zunanji premer. Zato lahko aksialni motorji s permanentnimi magneti v določeni prostornini motorja običajno zagotavljajo večji navor.
Aksialni motorji z fluksomso bolj kompaktni; v primerjavi z radialnimi motorji je aksialna dolžina motorja veliko krajša. Pri motorjih z notranjim kolesom je to pogosto ključni dejavnik. Kompaktna struktura aksialnih motorjev zagotavlja večjo gostoto moči in navora kot podobni radialni motorji, s čimer se odpravi potreba po izjemno visokih obratovalnih hitrostih.
Izkoristek aksialnih motorjev z fluksom je prav tako zelo visok, običajno presega 96 %. To je posledica krajše, enodimenzionalne poti fluksa, ki je po učinkovitosti primerljiva ali celo višja v primerjavi z najboljšimi 2D radialnimi motorji z fluksom na trgu.
Dolžina motorja je krajša, običajno 5- do 8-krat, teža pa se zmanjša tudi za 2- do 5-krat. Ta dva dejavnika sta spremenila izbiro oblikovalcev platform za električna vozila.
2. Tehnologija aksialnega fluksa
Obstajata dve glavni topologiji zaaksialni motorji z fluksom: dvojni rotor z enim statorjem (včasih imenovani stroji torusnega tipa) in enojni rotor z dvojnim statorjem.
Trenutno večina motorjev s trajnimi magneti uporablja topologijo radialnega magnetnega toka. Krog magnetnega toka se začne s trajnim magnetom na rotorju, prehaja skozi prvi zob na statorju in nato radialno teče vzdolž statorja. Nato prehaja skozi drugi zob in doseže drugo magnetno jeklo na rotorju. Pri topologiji aksialnega toka z dvema rotorjema se zanka magnetnega toka začne pri prvem magnetu, prehaja aksialno skozi zobe statorja in takoj doseže drugi magnet.
To pomeni, da je pot fluksa veliko krajša kot pri motorjih z radialnim fluksom, kar ima za posledico manjše prostornine motorjev, večjo gostoto moči in učinkovitost pri enaki moči.
Radialni motor, kjer magnetni tok prehaja skozi prvi zob in se nato skozi stator vrne na naslednji zob, kjer doseže magnet. Magnetni tok sledi dvodimenzionalni poti.
Pot magnetnega pretoka aksialnega magnetnega stroja je enodimenzionalna, zato se lahko uporabi elektrotehnično jeklo z orientiranimi zrni. To jeklo olajša prehod fluksa in s tem izboljša učinkovitost.
Radialni motorji tradicionalno uporabljajo porazdeljena navitja, pri čemer do polovica koncev navitja ne deluje. Previs tuljave povzroči dodatno težo, stroške, električno upornost in večje toplotne izgube, zaradi česar so oblikovalci prisiljeni izboljšati zasnovo navitja.
Konci tuljaveaksialni motorji z fluksomso veliko manjši, nekatere zasnove pa uporabljajo koncentrirana ali segmentirana navitja, ki so popolnoma učinkovita. Pri radialnih strojih s segmentiranim statorjem lahko prekinitev poti magnetnega pretoka v statorju povzroči dodatne izgube, pri aksialnih motorjih z pretokom pa to ni problem. Zasnova navitja tuljave je ključna za razlikovanje med nivoji dobaviteljev.
3. Razvoj
Aksialni motorji se soočajo z resnimi izzivi pri načrtovanju in proizvodnji, kljub tehnološkim prednostim pa so njihovi stroški precej višji od stroškov radialnih motorjev. Ljudje imajo zelo temeljito razumevanje radialnih motorjev, proizvodne metode in mehanska oprema pa so prav tako zlahka dostopni.
Eden glavnih izzivov aksialnih motorjev z fluksom je vzdrževanje enakomerne zračne reže med rotorjem in statorjem, saj je magnetna sila veliko večja kot pri radialnih motorjih, zaradi česar je vzdrževanje enakomerne zračne reže težko. Aksialni motor z dvojnim rotorjem ima tudi težave z odvajanjem toplote, saj se navitje nahaja globoko v statorju in med obema rotorskima diskoma, zaradi česar je odvajanje toplote zelo oteženo.
Aksialne motorje z fluksom je iz več razlogov težko izdelati. Stroj z dvema rotorjema, ki uporablja dvojni rotor s topologijo jarmov (tj. odstranitev železnega jarma s statorja, vendar ohranitev železnih zob), premaga nekatere od teh težav brez povečanja premera motorja in magneta.
Vendar pa odstranitev jarma prinaša nove izzive, kot je na primer kako pritrditi in pozicionirati posamezne zobe brez mehanske povezave jarma. Hlajenje je prav tako večji izziv.
Prav tako je težko izdelati rotor in vzdrževati zračno režo, saj rotorski disk privlači rotor. Prednost je v tem, da so rotorski diski neposredno povezani preko grednega obroča, zato se sile medsebojno izničijo. To pomeni, da notranji ležaj ne prenese teh sil in je njegova edina funkcija, da stator drži v srednjem položaju med obema rotorskima diskoma.
Dvojni statorski motorji z enim rotorjem se ne soočajo z izzivi krožnih motorjev, vendar je zasnova statorja veliko bolj zapletena in jo je težje avtomatizirati, s tem povezani stroški pa so tudi visoki. Za razliko od tradicionalnih motorjev z radialnim pretokom so se aksialni motorji in mehanska oprema pojavili šele pred kratkim.
4. Uporaba električnih vozil
Zanesljivost je ključnega pomena v avtomobilski industriji, dokazovanje zanesljivosti in robustnosti različnihaksialni motorji z fluksomPrepričati proizvajalce, da so ti motorji primerni za množično proizvodnjo, je bil vedno izziv. To je dobavitelje aksialnih motorjev spodbudilo k temu, da sami izvajajo obsežne programe validacije, pri čemer je vsak dobavitelj dokazal, da se zanesljivost njihovega motorja ne razlikuje od tradicionalnih radialnih motorjev z valnim pretokom.
Edina komponenta, ki se lahko obrabi vaksialni motor z fluksomso ležaji. Dolžina aksialnega magnetnega pretoka je relativno kratka, položaj ležajev pa je bližje drug drugemu, običajno zasnovan tako, da je nekoliko "predimenzioniran". Na srečo ima aksialni motor z magnetnim pretokom manjšo maso rotorja in lahko prenese manjše dinamične obremenitve gredi rotorja. Zato je dejanska sila, ki deluje na ležaje, veliko manjša kot pri radialnem motorju z magnetnim pretokom.
Elektronska os je ena prvih uporab aksialnih motorjev. Manjša širina omogoča, da se motor in menjalnik zapreta v os. Pri hibridnih aplikacijah krajša aksialna dolžina motorja posledično skrajša celotno dolžino prenosnega sistema.
Naslednji korak je namestitev aksialnega motorja na kolo. Na ta način se lahko moč neposredno prenaša z motorja na kolesa, kar izboljša učinkovitost motorja. Zaradi odprave menjalnikov, diferencialov in pogonskih gredi se je zmanjšala tudi kompleksnost sistema.
Vendar se zdi, da se standardne konfiguracije še niso pojavile. Vsak proizvajalec originalne opreme raziskuje specifične konfiguracije, saj lahko različne velikosti in oblike aksialnih motorjev spremenijo zasnovo električnih vozil. V primerjavi z radialnimi motorji imajo aksialni motorji večjo gostoto moči, kar pomeni, da se lahko uporabljajo manjši aksialni motorji. To ponuja nove možnosti oblikovanja za platforme vozil, kot je namestitev baterijskih sklopov.
4.1 Segmentirana armatura
Topologija motorja YASA (Yokeless and Segmented Armature) je primer topologije z dvema rotorjema in enim statorjem, ki zmanjšuje kompleksnost proizvodnje in je primerna za avtomatizirano masovno proizvodnjo. Ti motorji imajo gostoto moči do 10 kW/kg pri hitrostih od 2000 do 9000 vrt/min.
Z namenskim krmilnikom lahko zagotovi tok motorja 200 kVA. Krmilnik ima prostornino približno 5 litrov in tehta 5,8 kilograma, vključno s toplotnim upravljanjem z dielektričnim oljnim hlajenjem, primeren tako za aksialne kot tudi za indukcijske in radialne motorje.
To omogoča proizvajalcem originalne opreme za električna vozila in razvijalcem prve stopnje, da fleksibilno izberejo ustrezen motor glede na uporabo in razpoložljiv prostor. Manjša velikost in teža naredita vozilo lažje in ima več baterij, s čimer se poveča doseg.
5. Uporaba električnih motornih koles
Za električna motorna kolesa in štirikolesnike so nekatera podjetja razvila aksialne motorje z izmeničnim tokom. Za to vrsto vozil se običajno uporablja aksialni motor z enosmernim tokom in krtačkami, medtem ko je novi izdelek popolnoma zaprta brezkrtačna zasnova z izmeničnim tokom.
Tuljave tako enosmernih kot izmeničnih motorjev ostanejo mirujoče, vendar dvojni rotorji namesto vrtečih se armatur uporabljajo trajne magnete. Prednost te metode je, da ne zahteva mehanskega vzvratnega vrtenja.
Aksialna izmenična zasnova omogoča uporabo tudi standardnih trifaznih krmilnikov motorjev na izmenični tok za radialne motorje. To pomaga zmanjšati stroške, saj krmilnik krmili tok navora, ne hitrosti. Krmilnik zahteva frekvenco 12 kHz ali več, kar je glavna frekvenca takšnih naprav.
Višja frekvenca izhaja iz nižje induktivnosti navitja 20 µH. Frekvenca lahko nadzoruje tok, da se zmanjša valovanje toka in zagotovi čim bolj gladek sinusni signal. Z dinamičnega vidika je to odličen način za doseganje bolj gladkega krmiljenja motorja, saj omogoča hitre spremembe navora.
Ta zasnova uporablja porazdeljeno dvoslojno navitje, tako da magnetni tok teče od rotorja do drugega rotorja skozi stator, z zelo kratko potjo in večjim izkoristkom.
Ključ te zasnove je, da lahko deluje pri najvišji napetosti 60 V in ni primerna za sisteme z višjo napetostjo. Zato se lahko uporablja za električne motorje in štirikolesna vozila razreda L7e, kot je Renault Twizy.
Najvišja napetost 60 V omogoča integracijo motorja v običajne 48 V električne sisteme in poenostavlja vzdrževalna dela.
Specifikacije za štirikolesna motorna kolesa L7e v evropski okvirni uredbi 2002/24/ES določajo, da teža vozil, ki se uporabljajo za prevoz blaga, ne presega 600 kilogramov, brez teže baterij. Ta vozila lahko prevažajo največ 200 kilogramov potnikov, največ 1000 kilogramov tovora in največ 15 kilovatov moči motorja. Metoda porazdeljenega navijanja lahko zagotovi navor 75–100 Nm, z največjo izhodno močjo 20–25 kW in trajno močjo 15 kW.
Izziv aksialnega fluksa je v tem, kako bakrena navitja odvajajo toploto, kar je težko, ker mora toplota prehajati skozi rotor. Porazdeljeno navitje je ključ do rešitve tega problema, saj ima veliko število polnih rež. Na ta način je med bakrom in ohišjem večja površina, toplota pa se lahko prenese navzven in odvaja s standardnim sistemom tekočinskega hlajenja.
Več magnetnih polov je ključnih za uporabo sinusnih valovnih oblik, ki pomagajo zmanjšati harmonike. Ti harmoniki se kažejo kot segrevanje magnetov in jedra, medtem ko bakrene komponente ne morejo odvajati toplote. Ko se toplota kopiči v magnetih in železnih jedrih, se učinkovitost zmanjša, zato je optimizacija valovne oblike in toplotne poti ključnega pomena za delovanje motorja.
Zasnova motorja je bila optimizirana za zmanjšanje stroškov in doseganje avtomatizirane masovne proizvodnje. Ekstrudirani obroč ohišja ne zahteva kompleksne mehanske obdelave in lahko zmanjša stroške materiala. Tuljavo je mogoče neposredno naviti, med navijanjem pa se uporabi postopek lepljenja, da se ohrani pravilna oblika sestavljanja.
Ključna točka je, da je tuljava izdelana iz standardne komercialno dostopne žice, medtem ko je železno jedro laminirano s standardnim transformatorskim jeklom, ki ga je treba le razrezati v obliko. Druge zasnove motorjev zahtevajo uporabo mehkih magnetnih materialov pri laminiranju jedra, kar je lahko dražje.
Uporaba porazdeljenih navitij pomeni, da magnetnega jekla ni treba segmentirati; lahko so preprostejše oblike in lažje za izdelavo. Zmanjšanje velikosti magnetnega jekla in zagotavljanje enostavne izdelave pomembno vplivata na zmanjšanje stroškov.
Zasnovo tega aksialnega motorja z fluksom je mogoče prilagoditi tudi zahtevam strank. Stranke imajo razvite prilagojene različice na podlagi osnovne zasnove. Nato so izdelane na poskusni proizvodni liniji za zgodnje preverjanje proizvodnje, kar je mogoče ponoviti v drugih tovarnah.
Prilagoditev je predvsem zato, ker zmogljivost vozila ni odvisna le od zasnove aksialnega magnetnega motorja, temveč tudi od kakovosti konstrukcije vozila, baterijskega sklopa in sistema za upravljanje stavb (BMS).
Čas objave: 28. september 2023
