V primerjavi z motorji z radialnim pretokom imajo motorji z aksialnim pretokom veliko prednosti pri oblikovanju električnih vozil.Na primer, motorji z aksialnim tokom lahko spremenijo zasnovo pogonskega sklopa tako, da premaknejo motor z osi na notranjo stran koles.
1. Os moči
Motorji z aksialnim pretokomso deležni vse večje pozornosti (pridobijo oprijem).Že vrsto let se ta tip motorja uporablja v stacionarnih aplikacijah, kot so dvigala in kmetijski stroji, vendar si v zadnjem desetletju številni razvijalci prizadevajo izboljšati to tehnologijo in jo uporabiti pri električnih motociklih, letaliških podstavkih, tovornih tovornjakih, električnih vozila in celo letala.
Tradicionalni motorji z radialnim pretokom uporabljajo trajne magnete ali indukcijske motorje, ki so znatno napredovali pri optimizaciji teže in stroškov.Vendar se pri nadaljnjem razvoju soočajo s številnimi težavami.Aksialni tok, popolnoma drugačna vrsta motorja, je lahko dobra alternativa.
V primerjavi z radialnimi motorji je efektivna magnetna površina motorjev s trajnimi magneti z aksialnim pretokom površina rotorja motorja in ne zunanji premer.Zato lahko pri določeni prostornini motorja motorji s trajnimi magneti z aksialnim tokom običajno zagotovijo večji navor.
Motorji z aksialnim pretokomso bolj kompaktni;V primerjavi z radialnimi motorji je osna dolžina motorja veliko krajša.Za motorje z notranjimi kolesi je to pogosto odločilen dejavnik.Kompaktna zgradba aksialnih motorjev zagotavlja večjo gostoto moči in navora kot podobni radialni motorji, s čimer odpravlja potrebo po izjemno visokih delovnih hitrostih.
Izkoristek motorjev z aksialnim pretokom je prav tako zelo visok in običajno presega 96 %.To je zahvaljujoč krajši, enodimenzionalni poti pretoka, ki je po učinkovitosti primerljiva ali celo višja v primerjavi z najboljšimi 2D motorji z radialnim pretokom na trgu.
Dolžina motorja je krajša, običajno 5- do 8-krat, zmanjšana pa je tudi teža za 2- do 5-krat.Ta dva dejavnika sta spremenila izbiro oblikovalcev platforme električnih vozil.
2. Tehnologija aksialnega fluksa
Obstajata dve glavni topologiji zamotorji z aksialnim pretokom: enojni stator z dvojnim rotorjem (včasih imenovan tudi stroji v stilu torusov) in dvojni stator z enim rotorjem.
Trenutno večina motorjev s trajnimi magneti uporablja topologijo radialnega pretoka.Tokokrog magnetnega pretoka se začne s trajnim magnetom na rotorju, gre skozi prvi zob na statorju in nato teče radialno vzdolž statorja.Nato pojdite skozi drugi zob, da dosežete drugo magnetno jeklo na rotorju.V topologiji aksialnega pretoka dvojnega rotorja se zanka pretoka začne od prvega magneta, poteka aksialno skozi zobce statorja in takoj doseže drugi magnet.
To pomeni, da je pot pretoka veliko krajša kot pri motorjih z radialnim pretokom, kar ima za posledico manjšo prostornino motorja, večjo gostoto moči in učinkovitost pri enaki moči.
Radialni motor, pri katerem magnetni tok prehaja skozi prvi zob in se nato skozi stator vrne na naslednji zob ter doseže magnet.Magnetni tok sledi dvodimenzionalni poti.
Pot magnetnega pretoka aksialnega stroja z magnetnim pretokom je enodimenzionalna, zato je mogoče uporabiti zrnato elektrotehnično jeklo.To jeklo olajša prehod fluksa in s tem izboljša učinkovitost.
Motorji z radialnim pretokom tradicionalno uporabljajo porazdeljena navitja, pri čemer do polovica koncev navitij ne deluje.Previs tuljave bo povzročil dodatno težo, stroške, električni upor in več toplotne izgube, zaradi česar bodo načrtovalci morali izboljšati zasnovo navitja.
Konci tuljavemotorji z aksialnim pretokomso veliko manj, nekateri modeli pa uporabljajo koncentrirana ali segmentirana navitja, ki so popolnoma učinkovita.Pri radialnih strojih s segmentiranim statorjem lahko pretrganje poti magnetnega pretoka v statorju povzroči dodatne izgube, pri motorjih z aksialnim pretokom pa to ni problem.Zasnova navitja tuljave je ključna za razlikovanje ravni dobaviteljev.
3. Razvoj
Motorji z aksialnim pretokom se soočajo z nekaterimi resnimi izzivi pri načrtovanju in proizvodnji, kljub svojim tehnološkim prednostim pa so njihovi stroški veliko višji od stroškov radialnih motorjev.Ljudje imajo zelo temeljito razumevanje radialnih motorjev, proizvodne metode in mehanska oprema pa so prav tako na voljo.
Eden glavnih izzivov motorjev z aksialnim pretokom je vzdrževanje enakomerne zračne reže med rotorjem in statorjem, saj je magnetna sila veliko večja kot pri radialnih motorjih, zaradi česar je težko vzdrževati enakomerno zračno režo.Motor z aksialnim pretokom z dvojnim rotorjem ima tudi težave z odvajanjem toplote, saj je navitje nameščeno globoko v statorju in med obema kolutoma rotorja, zaradi česar je odvajanje toplote zelo težko.
Motorje z aksialnim pretokom je tudi težko izdelati iz več razlogov.Stroj z dvojnim rotorjem, ki uporablja stroj z dvojnim rotorjem s topologijo jarmov (tj. odstranitev železnega jarma s statorja, vendar ohranitev železnih zob), premaga nekatere od teh težav brez razširitve premera motorja in magneta.
Vendar pa odstranitev jarma prinaša nove izzive, na primer, kako popraviti in namestiti posamezne zobe brez mehanske povezave jarma.Večji izziv je tudi hlajenje.
Prav tako je težko izdelati rotor in vzdrževati zračno režo, saj disk rotorja privlači rotor.Prednost je v tem, da so diski rotorja neposredno povezani preko grednega obroča, tako da se sile medsebojno izničijo.To pomeni, da notranji ležaj teh sil ne prenese in je njegova edina funkcija, da zadrži stator v srednjem položaju med obema kolutoma rotorja.
Motorji z enim rotorjem z dvojnim statorjem se ne soočajo z izzivi krožnih motorjev, vendar je zasnova statorja veliko bolj zapletena in težko dosegljiva avtomatizacija, s tem povezani stroški pa so tudi visoki.Za razliko od katerega koli tradicionalnega motorja z radialnim pretokom so se postopki izdelave aksialnih motorjev in mehanska oprema pojavili šele pred kratkim.
4. Uporaba električnih vozil
Zanesljivost je v avtomobilski industriji ključnega pomena, dokazovanje zanesljivosti in robustnosti različnihmotorji z aksialnim pretokomprepričati proizvajalce, da so ti motorji primerni za masovno proizvodnjo, je bil vedno izziv.To je spodbudilo dobavitelje aksialnih motorjev, da sami izvajajo obsežne validacijske programe, pri čemer je vsak dobavitelj dokazal, da se njihova zanesljivost motorja ne razlikuje od tradicionalnih motorjev z radialnim pretokom.
Edina komponenta, ki se lahko obrabi vmotor z aksialnim pretokomso ležaji.Dolžina aksialnega magnetnega pretoka je razmeroma kratka, položaj ležajev pa je bližje, običajno zasnovan tako, da je nekoliko "predimenzioniran".Na srečo ima motor z aksialnim pretokom manjšo maso rotorja in lahko prenese manjše dinamične obremenitve gredi rotorja.Zato je dejanska sila, ki deluje na ležaje, veliko manjša kot pri motorju z radialnim pretokom.
Elektronska os je ena od prvih aplikacij aksialnih motorjev.Tanjša širina lahko zajame motor in menjalnik v osi.Pri hibridnih aplikacijah krajša osna 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 posebne 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 je mogoče uporabiti manjše aksialne motorje.To zagotavlja nove možnosti oblikovanja za platforme vozil, kot je postavitev baterijskih paketov.
4.1 Segmentirana armatura
Topologija motorja YASA (brez jarma in segmentirane armature) je primer topologije z dvojnim rotorjem in enim statorjem, ki zmanjšuje kompleksnost izdelave in je primerna za avtomatizirano množično proizvodnjo.Ti motorji imajo gostoto moči do 10 kW/kg pri hitrostih od 2000 do 9000 vrt/min.
Z uporabo namenskega krmilnika lahko zagotovi tok 200 kVA za motor.Krmilnik ima prostornino približno 5 litrov in tehta 5,8 kilograma, vključno s termičnim upravljanjem z dielektričnim oljnim hlajenjem, primeren za motorje z aksialnim pretokom ter indukcijske in radialne motorje.
To proizvajalcem originalne opreme za električna vozila in razvijalcem prve stopnje omogoča prožno izbiro ustreznega motorja glede na aplikacijo in razpoložljivi prostor.Zaradi manjše velikosti in teže je vozilo lažje in ima več baterij, s čimer se poveča doseg.
5. Uporaba električnih motociklov
Za električna motorna kolesa in ATV so nekatera podjetja razvila motorje z aksialnim pretokom AC.Običajno uporabljena zasnova za ta tip vozila je zasnova aksialnega pretoka na osnovi enosmerne krtače, medtem ko je novi izdelek izmenična, popolnoma zaprta zasnova brez krtačk.
Tuljave motorjev na enosmerni in izmenični tok ostanejo nepremične, vendar dvojni rotorji uporabljajo trajne magnete namesto vrtečih se armatur.Prednost te metode je, da ne zahteva mehanskega obračanja.
AC aksialna zasnova lahko uporablja tudi standardne trifazne AC motorne krmilnike za radialne motorje.To pomaga zmanjšati stroške, saj krmilnik nadzoruje tok navora, ne hitrosti.Krmilnik zahteva frekvenco 12 kHz ali več, kar je glavna frekvenca takih naprav.
Višja frekvenca izhaja iz nižje induktivnosti navitja 20 µH. Frekvenca lahko nadzoruje tok, da zmanjša valovitost toka in zagotovi čim bolj gladek sinusoidni signal.Z dinamičnega vidika je to odličen način za doseganje bolj gladkega nadzora motorja z omogočanjem hitrih sprememb 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.
Ključno pri tej zasnovi je, da lahko deluje pri največji napetosti 60 V in ni primeren za sisteme z višjo napetostjo.Zato se lahko uporablja za električna motorna kolesa in štirikolesna vozila razreda L7e, kot je Renault Twizy.
Največja napetost 60 V omogoča integracijo motorja v glavne 48 V električne sisteme in poenostavlja vzdrževalna dela.
Specifikacije štirikolesnega motocikla L7e v evropski okvirni uredbi 2002/24/ES določajo, da teža vozil, ki se uporabljajo za prevoz blaga, ne presega teže akumulatorjev, ne presega 600 kilogramov.V teh vozilih je dovoljeno prevažati največ 200 kilogramov potnikov, največ 1000 kilogramov tovora in največ 15 kilovatov moči motorja.Metoda porazdeljenega navijanja lahko zagotovi navor 75-100 Nm, s konično izhodno močjo 20-25 kW in neprekinjeno močjo 15 kW.
Izziv aksialnega toka 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 polovnih rež.Na ta način je večja površina med bakrom in lupino, toplota pa se lahko prenaša navzven in odvaja s standardnim tekočinskim hladilnim sistemom.
Več magnetnih polov je ključnega pomena za uporabo sinusnih valov, ki pomagajo zmanjšati harmonike.Ti harmoniki se kažejo kot segrevanje magnetov in jedra, medtem ko bakrene komponente ne morejo odnesti 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 množične proizvodnje.Ekstrudirani obroč ohišja ne zahteva kompleksne mehanske obdelave in lahko zmanjša materialne stroške.Tuljavo je mogoče neposredno naviti, med postopkom navijanja pa se uporablja postopek lepljenja, da se ohrani pravilna oblika sklopa.
Ključna točka je, da je tuljava narejena iz standardne komercialno dostopne žice, medtem ko je železno jedro laminirano s standardnim transformatorskim jeklom, ki ga je treba preprosto razrezati v obliko.Druge izvedbe motorjev zahtevajo uporabo mehkih magnetnih materialov pri laminaciji jedra, kar je lahko dražje.
Uporaba porazdeljenih navitij pomeni, da magnetnega jekla ni treba segmentirati;Lahko so enostavnejših oblik in lažji za izdelavo.Zmanjšanje velikosti magnetnega jekla in zagotavljanje njegove enostavne izdelave pomembno vplivata na znižanje stroškov.
Zasnovo tega motorja z aksialnim pretokom je mogoče prilagoditi tudi glede na zahteve kupca.Stranke imajo prilagojene različice, razvite okoli osnovne zasnove.Nato izdelan na poskusni proizvodni liniji za zgodnjo verifikacijo proizvodnje, ki jo je mogoče ponoviti v drugih tovarnah.
Prilagajanje je predvsem zato, ker zmogljivost vozila ni odvisna le od zasnove motorja z aksialnim magnetnim pretokom, ampak tudi od kakovosti strukture vozila, paketa baterij in BMS.
Čas objave: 28. september 2023