Sammenlignet med radialfluksmotorer har aksialfluksmotorer mange fordeler innen design av elektriske kjøretøy. For eksempel kan aksialfluksmotorer endre utformingen av drivlinjen ved å flytte motoren fra akselen til innsiden av hjulene.
1. Maktens akse
Aksialfluksmotorerfår økende oppmerksomhet (forsterker trekkraft). 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 anvende den på elektriske motorsykler, flyplasskapsler, lastebiler, elektriske kjøretøy og til og med fly.
Tradisjonelle radialfluksmotorer bruker permanentmagneter eller induksjonsmotorer, som har gjort betydelige fremskritt når det gjelder å optimalisere vekt og kostnad. De møter imidlertid mange vanskeligheter med å fortsette utviklingen. Aksialfluks, en helt annen type motor, kan være et godt alternativ.
Sammenlignet med radialmotorer er det effektive magnetiske overflatearealet til aksialflux-permanentmagnetmotorer overflaten til motorrotoren, ikke den ytre diameteren. Derfor kan aksialflux-permanentmagnetmotorer vanligvis gi større dreiemoment i et visst motorvolum.
Aksialfluksmotorerer mer kompakte; Sammenlignet med radialmotorer er motorens aksiale lengde mye kortere. For motorer med innvendige hjul er dette ofte en avgjørende faktor. Den kompakte strukturen til aksialmotorer sikrer høyere effekttetthet og dreiemomenttetthet enn lignende radialmotorer, og eliminerer dermed behovet for ekstremt høye driftshastigheter.
Effektiviteten til aksialfluxmotorer er også svært høy, vanligvis over 96 %. Dette er takket være den kortere, endimensjonale fluxbanen, som er sammenlignbar med eller enda høyere i effektivitet sammenlignet med de beste 2D radialfluxmotorene på markedet.
Motorens lengde er kortere, vanligvis 5 til 8 ganger kortere, og vekten er også redusert med 2 til 5 ganger. Disse to faktorene har endret valget til designere av elbilplattformer.
2. Aksial fluksteknologi
Det finnes to hovedtopologier foraksialfluxmotorer: enkeltstator med dobbel rotor (noen ganger referert til som toruslignende maskiner) og dobbeltstator med enkelt rotor.
For tiden bruker de fleste permanentmagnetmotorer radial fluks-topologi. Den magnetiske flukskretsen starter med en permanentmagnet på rotoren, passerer gjennom den første tannen på statoren, og flyter deretter radielt langs statoren. Deretter passerer den gjennom den andre tannen for å nå det andre magnetiske stålet på rotoren. I en aksial fluks-topologi med to rotorer starter flukssløyfen fra den første magneten, passerer aksialt gjennom statortennene, og når umiddelbart den andre magneten.
Dette betyr at fluksbanen er mye kortere enn for radialfluksmotorer, noe som resulterer i mindre motorvolum, høyere effekttetthet og effektivitet ved samme effekt.
En radialmotor, hvor den magnetiske fluksen passerer gjennom den første tannen og deretter returnerer til den neste tannen 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 fluksen å passere gjennom, og forbedrer dermed effektiviteten.
Radialfluksmotorer bruker tradisjonelt distribuerte viklinger, der opptil halvparten av viklingsendene ikke fungerer. Spoleoverhenget vil resultere i ekstra vekt, kostnader, elektrisk motstand og mer varmetap, noe som tvinger designere til å forbedre viklingsdesignet.
Spoleendene avaksialfluxmotorerer mye færre, og noen design bruker konsentrerte eller segmenterte viklinger, som er fullstendig effektive. For segmenterte stator-radialmaskiner kan brudd på den magnetiske fluksbanen i statoren føre til ytterligere tap, men for aksialfluksmotorer er ikke dette et problem. Utformingen av spoleviklingen er nøkkelen til å skille mellom leverandørnivået.
3. Utvikling
Aksialmotorer står overfor noen alvorlige utfordringer i design og produksjon. Til tross for sine teknologiske fordeler er kostnadene 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 med aksialfluksmotorer er å opprettholde et jevnt luftgap mellom rotoren og statoren, ettersom den magnetiske kraften er mye større enn for radialmotorer, noe som gjør det vanskelig å opprettholde et jevnt luftgap. Aksialfluksmotoren med to rotorer har også problemer med varmespredning, ettersom viklingen er plassert dypt inne i statoren og mellom de to rotorskivene, noe som gjør varmespredning svært vanskelig.
Aksialfluksmotorer er også vanskelige å produsere av mange grunner. Dobbeltrotormaskinen som bruker en dobbeltrotormaskin 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 medfører imidlertid nye utfordringer, som hvordan man skal fikse og plassere individuelle tenner uten en mekanisk åkforbindelse. Kjøling er også en større utfordring.
Det er også vanskelig å produsere rotoren og opprettholde luftspalten, ettersom rotorskiven tiltrekker rotoren. Fordelen er at rotorskivene er direkte forbundet gjennom en akselring, slik at kreftene kansellerer hverandre ut. Dette betyr at det indre lageret ikke tåler disse kreftene, og dets eneste funksjon er å holde statoren i midtposisjonen mellom de to rotorskivene.
Dobbeltstator-enkeltrotormotorer møter ikke utfordringene til sirkulære motorer, men statorens design er mye mer kompleks og vanskelig å automatisere, og de relaterte kostnadene er også høye. I motsetning til tradisjonelle radialfluksmotorer har produksjonsprosesser og mekanisk utstyr for aksialmotorer først nylig dukket opp.
4. Bruk av elektriske kjøretøy
Pålitelighet er avgjørende i bilindustrien, og det å bevise påliteligheten og robustheten til forskjelligeaksialfluxmotorerDet har alltid vært en utfordring å overbevise produsenter om at disse motorene er egnet for masseproduksjon. Dette har fått leverandører av aksialmotorer til å gjennomføre omfattende valideringsprogrammer på egenhånd, der hver leverandør demonstrerer at motorpåliteligheten deres ikke er forskjellig fra tradisjonelle radialfluxmotorer.
Den eneste komponenten som kan slites ut i enaksial fluksmotorer lagrene. Lengden på den aksiale magnetiske fluksen er relativt kort, og lagrenes plassering er nærmere hverandre, vanligvis designet for å være litt "overdimensjonert". Heldigvis har aksialfluksmotoren en mindre rotormasse og tåler lavere dynamiske akselbelastninger fra rotoren. Derfor er den faktiske kraften som påføres lagrene mye mindre enn radialfluksmotoren.
Elektroniske aksler er en av de første bruksområdene for aksialmotorer. Den tynnere bredden kan innkapsle motoren og girkassen i akselen. I hybridapplikasjoner forkorter den kortere aksiale lengden på motoren igjen den totale lengden på transmisjonssystemet.
Neste trinn er å installere aksialmotoren på hjulet. På denne måten kan kraft overføres direkte fra motoren til hjulene, noe som forbedrer motorens effektivitet. Ved å eliminere girkasser, differensialer og drivaksler, har også systemets kompleksitet blitt redusert.
Det ser imidlertid ut til at standardkonfigurasjoner ennå ikke har dukket opp. Hver originalutstyrsprodusent forsker på spesifikke konfigurasjoner, ettersom de forskjellige størrelsene og formene på aksialmotorer kan endre designet til elektriske kjøretøy. Sammenlignet med radialmotorer har aksialmotorer en høyere effekttetthet, noe som betyr at mindre aksialmotorer kan brukes. Dette gir nye designmuligheter for kjøretøyplattformer, for eksempel plassering av batteripakker.
4.1 Segmentert anker
YASA-motortopologien (Yokeless and Segmented Armature) er et eksempel på en topologi med to rotorer og én stator, 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 til motoren. Kontrolleren har et volum på omtrent 5 liter og veier 5,8 kilogram, inkludert termisk styring med dielektrisk oljekjøling, egnet for aksialfluxmotorer så vel som induksjons- og radialfluxmotorer.
Dette gjør at produsenter av originalutstyr for elektriske kjøretøy og førsteklasses utviklere fleksibelt kan velge riktig motor basert på bruksområde og tilgjengelig plass. Den mindre størrelsen og vekten gjør kjøretøyet lettere og har flere batterier, noe som øker rekkevidden.
5. Bruk av elektriske motorsykler
For elektriske motorsykler og ATV-er har noen selskaper utviklet AC aksialfluxmotorer. Den vanligste designen for denne typen kjøretøy er DC-børstebaserte aksialfluxmotorer, mens det nye produktet er en AC, fullstendig forseglet børsteløs design.
Spolene i både likestrøms- og vekselstrømsmotorer forblir stasjonære, men de doble rotorene bruker permanentmagneter i stedet for roterende ankere. Fordelen med denne metoden er at den ikke krever mekanisk reversering.
AC-aksialdesignet kan også bruke standard trefase AC-motorkontrollere for radialmotorer. Dette bidrar til å redusere kostnadene, ettersom kontrolleren styrer strømmen eller dreiemomentet, ikke hastigheten. Kontrolleren krever en frekvens på 12 kHz eller høyere, som er hovedfrekvensen for 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 flott måte å oppnå jevnere motorkontroll ved å tillate raske momentendringer.
Denne designen bruker en distribuert dobbeltlagsvikling, slik at den magnetiske fluksen flyter fra rotoren til en annen rotor gjennom statoren, med en veldig kort bane og høyere effektivitet.
Nøkkelen til denne designen er at den kan operere med en maksimal spenning på 60 V og ikke er egnet for systemer med høyere spenning. Derfor kan den brukes til elektriske motorsykler og firehjulede kjøretøy i klasse L7e, som for eksempel Renault Twizy.
Maksimal spenning på 60 V gjør at motoren kan integreres i vanlige 48 V elektriske systemer og forenkler vedlikeholdsarbeidet.
Spesifikasjonene for L7e firehjulsmotorsykler i den europeiske rammeforordningen 2002/24/EF fastsetter at vekten av kjøretøy som brukes til godstransport ikke overstiger 600 kilogram, eksklusive vekten av batterier. Disse kjøretøyene har lov til å frakte maksimalt 200 kilogram passasjerer, maksimalt 1000 kilogram last og maksimalt 15 kilowatt motoreffekt. Den distribuerte viklingsmetoden kan gi et dreiemoment på 75–100 Nm, med en maksimal utgangseffekt på 20–25 kW og en kontinuerlig effekt på 15 kW.
Utfordringen med aksial fluks ligger i hvordan kobberviklinger avgir varme, noe som er vanskelig fordi varmen må passere gjennom rotoren. Den distribuerte viklingen er nøkkelen til å løse dette problemet, ettersom den har et stort antall polspor. På denne måten er det et større overflateareal mellom kobberet og skallet, og varme kan overføres til utsiden og avledes av et standard væskekjølesystem.
Flere magnetiske poler er nøkkelen til å utnytte sinusformede bølgeformer, som bidrar til å redusere harmoniske. Disse harmoniske svingningene manifesterer seg som oppvarming av magnetene og kjernen, mens kobberkomponenter ikke kan føre bort varmen. Når varme akkumuleres i magneter og jernkjerner, reduseres effektiviteten, og det er derfor optimalisering av bølgeformen og varmebanen er avgjørende for motorens ytelse.
Motorens design er optimalisert for å redusere kostnader og oppnå automatisert masseproduksjon. En ekstrudert husring krever ikke kompleks mekanisk bearbeiding og kan redusere materialkostnadene. Spolen kan vikles direkte, og en bindingsprosess brukes under viklingsprosessen for å opprettholde riktig monteringsform.
Hovedpoenget er at spolen er laget av standard kommersielt tilgjengelig tråd, mens jernkjernen er laminert med standard transformatorstål, som bare trenger å skjæres i form. Andre motordesign krever bruk av myke magnetiske materialer i kjernelamineringen, noe som kan være dyrere.
Bruken av distribuerte viklinger betyr at magnetstålet ikke trenger å segmenteres; de kan ha enklere former og være lettere å produsere. Å redusere størrelsen på magnetstålet og sikre at det er enkelt å produsere har en betydelig innvirkning på å redusere kostnader.
Utformingen av denne aksialfluxmotoren kan også tilpasses kundens behov. Kunder får tilpassede versjoner utviklet rundt den grunnleggende designen. Deretter produseres de på en prøveproduksjonslinje for tidlig produksjonsverifisering, som kan kopieres i andre fabrikker.
Tilpasning skyldes hovedsakelig at kjøretøyets ytelse ikke bare avhenger av utformingen av den aksiale magnetiske fluksmotoren, men også av kvaliteten på kjøretøyets struktur, batteripakke og BMS.
Publisert: 28. september 2023
