Sammenlignet med radialfluksmotorer har aksialfluksmotorer mange fordeler i design av elektriske kjøretøy. For eksempel kan aksiale fluksmotorer endre utformingen av drivverket ved å flytte motoren fra akselen til innsiden av hjulene.
1. Maktakse
Aksiale fluksmotorerfår økende oppmerksomhet (få veigrep). I mange år har denne typen motor blitt brukt i stasjonære applikasjoner som heiser og landbruksmaskiner, men i løpet av det siste tiåret har mange utviklere jobbet med å forbedre denne teknologien og bruke den på elektriske motorsykler, flyplassputer, lastebiler, elektriske kjøretøy, og til og med fly.
Tradisjonelle radielle fluksmotorer bruker permanente magneter eller induksjonsmotorer, som har gjort betydelige fremskritt med å optimalisere vekt og kostnader. Imidlertid møter de mange vanskeligheter med å fortsette å utvikle seg. Aksial fluks, en helt annen type motor, kan være et godt alternativ.
Sammenlignet med radielle motorer er det effektive magnetiske overflatearealet til permanentmagnetmotorer med aksial fluks overflaten til motorrotoren, ikke den ytre diameteren. Derfor, i et visst volum av motor, kan aksialflux permanentmagnetmotorer vanligvis gi større dreiemoment.
Aksiale fluksmotorerer mer kompakte; Sammenlignet med radialmotorer er motorens aksiale lengde mye kortere. For interne hjulmotorer er dette ofte en avgjørende faktor. Den kompakte strukturen til aksialmotorer sikrer høyere effekttetthet og dreiemomenttetthet enn tilsvarende radialmotorer, og eliminerer dermed behovet for ekstremt høye driftshastigheter.
Effektiviteten til aksiale fluksmotorer er også veldig høy, vanligvis over 96%. Dette er takket være den kortere, endimensjonale fluksveien, som er sammenlignbar eller enda høyere i effektivitet sammenlignet med de beste 2D radielle fluksmotorene på markedet.
Lengden på motoren er kortere, vanligvis 5 til 8 ganger kortere, og vekten reduseres også med 2 til 5 ganger. Disse to faktorene har endret valget av plattformdesignere for elektriske kjøretøy.
2. Aksial fluksteknologi
Det er to hovedtopologier foraksiale fluksmotorer: dobbel rotor enkel stator (noen ganger referert til som torus stil maskiner) og enkel rotor dobbel stator.
For tiden bruker de fleste permanentmagnetmotorer radiell flukstopologi. Den magnetiske flukskretsen starter med en permanent magnet på rotoren, passerer gjennom den første tannen på statoren, og flyter deretter radialt langs statoren. Pass deretter gjennom den andre tannen for å nå det andre magnetiske stålet på rotoren. I en aksial flukstopologi med to rotorer starter flukssløyfen fra den første magneten, passerer aksialt gjennom statortennene og når umiddelbart den andre magneten.
Dette betyr at fluksveien er mye kortere enn for radielle fluksmotorer, noe som resulterer i mindre motorvolum, høyere effekttetthet og effektivitet ved samme effekt.
En radial motor, der den magnetiske fluksen går gjennom den første tannen og deretter går tilbake til neste tann gjennom statoren og når magneten. Magnetisk fluks følger en todimensjonal bane.
Den magnetiske fluksbanen til en aksial magnetisk fluksmaskin er endimensjonal, så kornorientert elektrisk stål kan brukes. Dette stålet gjør det lettere for flussen å passere gjennom, og forbedrer dermed effektiviteten.
Radialfluksmotorer bruker tradisjonelt distribuerte viklinger, med opptil halvparten av viklingsendene som ikke fungerer. Spoleoverhenget vil resultere i ekstra vekt, kostnader, elektrisk motstand og mer varmetap, noe som tvinger designere til å forbedre viklingsdesignet.
Spolen ender avaksiale fluksmotorerer mye mindre, og noen design bruker konsentrerte eller segmenterte viklinger, som er helt effektive. For radielle maskiner med segmentert stator kan bruddet på den magnetiske fluksbanen i statoren gi ytterligere tap, men for aksiale fluksmotorer er ikke dette et problem. Utformingen av spoleviklingen er nøkkelen til å skille leverandørnivået.
3. Utvikling
Aksiale fluksmotorer står overfor noen alvorlige utfordringer i design og produksjon, til tross for deres teknologiske fordeler, er kostnadene deres langt høyere enn for radialmotorer. Folk har en veldig grundig forståelse av radialmotorer, og produksjonsmetoder og mekanisk utstyr er også lett tilgjengelig.
En av hovedutfordringene til aksiale fluksmotorer er å opprettholde et jevnt luftgap mellom rotoren og statoren, siden den magnetiske kraften er mye større enn for radialmotorer, noe som gjør det vanskelig å opprettholde et jevnt luftgap. Den aksiale fluksmotoren med dobbel rotor har også problemer med varmespredning, siden viklingen er plassert dypt inne i statoren og mellom de to rotorskivene, noe som gjør varmespredning svært vanskelig.
Aksiale fluksmotorer er også vanskelige å produsere av mange grunner. Den doble rotormaskinen som bruker en torotormaskin med en åk-topologi (dvs. fjerner jernåket fra statoren, men beholder jerntennene) overvinner noen av disse problemene uten å utvide motordiameteren og magneten.
Å fjerne åket gir imidlertid nye utfordringer, for eksempel hvordan du fikserer og plasserer individuelle tenner uten en mekanisk åkforbindelse. Avkjøling er også en større utfordring.
Det er også vanskelig å produsere rotoren og opprettholde luftspalten, da rotorskiven tiltrekker rotoren. Fordelen er at rotorskivene er direkte forbundet gjennom en akselring, slik at kreftene opphever hverandre. Dette betyr at det indre lageret ikke tåler disse kreftene, og dets eneste funksjon er å holde statoren i midtstilling mellom de to rotorskivene.
Enkeltrotormotorer med dobbel stator møter ikke utfordringene med sirkulære motorer, men utformingen av statoren er mye mer kompleks og vanskelig å oppnå automatisering, og de relaterte kostnadene er også høye. I motsetning til en hvilken som helst tradisjonell radiell fluksmotor, har produksjonsprosesser for aksialmotorer og mekanisk utstyr først nylig dukket opp.
4. Anvendelse av elektriske kjøretøy
Pålitelighet er avgjørende i bilindustrien, og bevise påliteligheten og robustheten til forskjelligeaksiale fluksmotorerå overbevise produsenter om at disse motorene egner seg for masseproduksjon har alltid vært en utfordring. Dette har fått aksialmotorleverandører til å gjennomføre omfattende valideringsprogrammer på egen hånd, der hver leverandør viser at deres motorpålitelighet ikke er forskjellig fra tradisjonelle radialfluksmotorer.
Den eneste komponenten som kan slites ut i enaksial fluksmotorer lagrene. Lengden på den aksiale magnetiske fluksen er relativt kort, og posisjonen til lagrene er nærmere, vanligvis utformet for å være litt "overdimensjonert". Heldigvis har den aksiale fluksmotoren en mindre rotormasse og tåler lavere rotor dynamiske akselbelastninger. Derfor er den faktiske kraften som påføres lagrene mye mindre enn den til radialfluksmotoren.
Elektronisk aksel er en av de første bruksområdene for aksialmotorer. Den tynnere bredden kan kapsle inn motor og girkasse i akselen. I hybridapplikasjoner forkorter den kortere aksiale lengden på motoren i sin tur den totale lengden på transmisjonssystemet.
Det neste trinnet er å installere aksialmotoren på hjulet. På denne måten kan kraften overføres direkte fra motoren til hjulene, noe som forbedrer motorens effektivitet. På grunn av eliminering av transmisjoner, differensialer og drivaksler, har kompleksiteten til systemet også blitt redusert.
Det ser imidlertid ut til at standardkonfigurasjoner ennå ikke har dukket opp. Hver produsent av originalutstyr forsker på spesifikke konfigurasjoner, ettersom de forskjellige størrelsene og formene på aksialmotorer kan endre utformingen av elektriske kjøretøy. Sammenlignet med radialmotorer har aksialmotorer en høyere effekttetthet, noe som betyr at mindre aksialmotorer kan brukes. Dette gir nye designalternativer for kjøretøyplattformer, for eksempel plassering av batteripakker.
4.1 Segmentert armatur
YASA-motortopologien (Yokeless and Segmented Armature) er et eksempel på en enkel statortopologi med to rotorer, som reduserer produksjonskompleksiteten og er egnet for automatisert masseproduksjon. Disse motorene har en effekttetthet på opptil 10 kW/kg ved hastigheter på 2000 til 9000 o/min.
Ved hjelp av en dedikert kontroller kan den gi en strøm på 200 kVA for motoren. Kontrolleren har et volum på ca. 5 liter og veier 5,8 kilo, inkludert termisk styring med dielektrisk oljekjøling, egnet for aksialfluksmotorer samt induksjons- og radialfluksmotorer.
Dette gjør det mulig for produsenter av originalutstyr for elektriske kjøretøy og utviklere på første nivå å fleksibelt velge riktig motor basert på applikasjonen og tilgjengelig plass. Den mindre størrelsen og vekten gjør kjøretøyet lettere og har flere batterier, og øker dermed rekkevidden.
5. Bruk av elektriske motorsykler
For elektriske motorsykler og ATV-er har noen selskaper utviklet AC aksiale fluksmotorer. Den ofte brukte designen for denne typen kjøretøy er DC-børstebaserte aksiale fluksdesign, mens det nye produktet er en AC, fullstendig forseglet børsteløs design.
Spolene til både DC- og AC-motorer forblir stasjonære, men de doble rotorene bruker permanente magneter i stedet for roterende armaturer. Fordelen med denne metoden er at den ikke krever mekanisk reversering.
Den aksiale vekselstrømsdesignen kan også bruke standard trefasede vekselstrømsmotorkontrollere for radialmotorer. Dette bidrar til å redusere kostnadene, ettersom kontrolleren kontrollerer strømmen av dreiemoment, ikke hastighet. Kontrolleren krever en frekvens på 12 kHz eller høyere, som er hovedfrekvensen til slike enheter.
Den høyere frekvensen kommer fra den lavere viklingsinduktansen på 20 µH. Frekvensen kan kontrollere strømmen for å minimere strømrippel og sikre et sinusformet signal så jevnt som mulig. Fra et dynamisk perspektiv er dette en fin måte å oppnå jevnere motorkontroll ved å tillate raske dreiemomentendringer.
Denne designen bruker en distribuert dobbeltlagsvikling, slik at den magnetiske fluksen strømmer fra rotoren til en annen rotor gjennom statoren, med en veldig kort vei og høyere effektivitet.
Nøkkelen til denne designen er at den kan fungere med en maksimal spenning på 60 V og er ikke egnet for systemer med høyere spenning. Derfor kan den brukes til elektriske motorsykler og L7e-klasse firehjulskjøretøyer som Renault Twizy.
Den maksimale spenningen på 60 V gjør at motoren kan integreres i vanlige 48 V elektriske systemer og forenkler vedlikeholdsarbeidet.
L7e firehjuls motorsykkelspesifikasjonene i den europeiske rammeforordningen 2002/24/EC fastsetter at vekten på kjøretøy som brukes til å transportere varer ikke overstiger 600 kilo, unntatt vekten av batterier. Disse kjøretøyene har ikke lov til å frakte mer enn 200 kilo passasjerer, ikke mer enn 1000 kilo last og ikke mer enn 15 kilowatt motorkraft. Den distribuerte viklingsmetoden kan gi et dreiemoment på 75-100 Nm, med en toppeffekt på 20-25 kW og en kontinuerlig effekt på 15 kW.
Utfordringen med aksial fluks ligger i hvordan kobberviklinger sprer varme, noe som er vanskelig fordi varme må passere gjennom rotoren. Den distribuerte viklingen er nøkkelen til å løse dette problemet, siden den har et stort antall polspor. På denne måten blir det større overflate mellom kobber og skall, og varme kan overføres til utsiden og slippes ut av et standard væskekjølesystem.
Flere magnetiske poler er nøkkelen til å bruke sinusformede bølgeformer, som bidrar til å redusere harmoniske. Disse harmoniske manifesterer seg som oppvarming av magneter og kjerne, mens kobberkomponenter ikke kan frakte bort varmen. Når varme samler seg i magneter og jernkjerner, reduseres effektiviteten, og derfor er optimalisering av bølgeformen og varmebanen avgjørende for motorytelsen.
Utformingen av motoren er optimalisert for å redusere kostnader og oppnå automatisert masseproduksjon. En ekstrudert husring krever ikke komplisert mekanisk bearbeiding og kan redusere materialkostnadene. Spolen kan vikles direkte og en bindingsprosess brukes under viklingsprosessen for å opprettholde riktig monteringsform.
Nøkkelen er at spolen er laget av standard kommersielt tilgjengelig wire, mens jernkjernen er laminert med standard lagt fra hyllen transformatorstål, som bare må kuttes i form. Andre motordesign krever bruk av myke magnetiske materialer i kjernelaminering, som kan være dyrere.
Bruken av distribuerte viklinger gjør at det magnetiske stålet ikke trenger å segmenteres; De kan ha enklere former og lettere å produsere. Å redusere størrelsen på magnetisk stål og sikre at det er enkelt å produsere har en betydelig innvirkning på å redusere kostnadene.
Utformingen av denne aksiale fluksmotoren kan også tilpasses etter kundens krav. Kunder har tilpassede versjoner utviklet rundt grunnleggende design. Deretter produsert på en prøveproduksjonslinje for tidlig produksjonsverifisering, som kan replikeres i andre fabrikker.
Tilpasning er hovedsakelig fordi ytelsen til kjøretøyet ikke bare avhenger av utformingen av den aksiale magnetiske fluksmotoren, men også av kvaliteten på kjøretøyets struktur, batteripakke og BMS.
Innleggstid: 28. september 2023
