Sammenlignet med radialfluxmotorer har aksialfluxmotorer mange fordele inden for design af elektriske køretøjer. For eksempel kan aksialfluxmotorer ændre drivlinjens design ved at flytte motoren fra akslen til indersiden af hjulene.
1. Magtens akse
Aksialfluxmotorerfår stigende opmærksomhed (gain traction). I mange år er denne type motor blevet brugt i stationære applikationer såsom elevatorer og landbrugsmaskiner, men i løbet af det sidste årti har mange udviklere arbejdet på at forbedre denne teknologi og anvende den på elektriske motorcykler, lufthavnskapsler, lastbiler, elektriske køretøjer og endda fly.
Traditionelle radialfluxmotorer bruger permanente magneter eller induktionsmotorer, som har gjort betydelige fremskridt med at optimere vægt og omkostninger. De står dog over for mange vanskeligheder i forbindelse med den fortsatte udvikling. Aksialflux, en helt anden type motor, kan være et godt alternativ.
Sammenlignet med radialmotorer er det effektive magnetiske overfladeareal af aksialflux-permanentmagnetmotorer motorrotorens overflade, ikke den ydre diameter. Derfor kan aksialflux-permanentmagnetmotorer normalt yde et større drejningsmoment i et bestemt motorvolumen.
Aksialfluxmotorerer mere kompakte; Sammenlignet med radialmotorer er motorens aksiale længde meget kortere. For motorer med indvendige hjul er dette ofte en afgørende faktor. Aksialmotorers kompakte struktur sikrer højere effekttæthed og momenttæthed end lignende radialmotorer, hvilket eliminerer behovet for ekstremt høje driftshastigheder.
Effektiviteten af aksialfluxmotorer er også meget høj og overstiger normalt 96 %. Dette skyldes den kortere, endimensionelle fluxbane, som er sammenlignelig med eller endda højere i effektivitet sammenlignet med de bedste 2D radialfluxmotorer på markedet.
Motorens længde er kortere, normalt 5 til 8 gange kortere, og vægten er også reduceret med 2 til 5 gange. Disse to faktorer har ændret valget af designere af elbilplatforme.
2. Aksial fluxteknologi
Der er to hovedtopologier foraksiale fluxmotorer: enkeltrotor-stator (undertiden omtalt som torus-maskiner) og enkeltrotor-dualstator.
I øjeblikket bruger de fleste permanentmagnetmotorer radial flux-topologi. Magnetisk flux-kredsløbet starter med en permanentmagnet på rotoren, passerer gennem den første tand på statoren og strømmer derefter radialt langs statoren. Derefter passerer den gennem den anden tand for at nå det andet magnetiske stål på rotoren. I en aksial flux-topologi med dobbelt rotor starter flux-sløjfen fra den første magnet, passerer aksialt gennem stator-tænderne og når straks den anden magnet.
Det betyder, at fluxvejen er meget kortere end for radiale fluxmotorer, hvilket resulterer i mindre motorvolumener, højere effekttæthed og effektivitet ved samme effekt.
En radialmotor, hvor den magnetiske flux passerer gennem den første tand og derefter vender tilbage til den næste tand gennem statoren og når magneten. Magnetisk flux følger en todimensionel bane.
Den magnetiske fluxbane i en aksial magnetisk fluxmaskine er endimensionel, så kornorienteret elektrisk stål kan anvendes. Dette stål gør det lettere for fluxen at passere igennem, hvilket forbedrer effektiviteten.
Radialfluxmotorer bruger traditionelt distribuerede viklinger, hvor op til halvdelen af viklingsenderne ikke fungerer. Spoleoverhænget vil resultere i yderligere vægt, omkostninger, elektrisk modstand og mere varmetab, hvilket tvinger designere til at forbedre viklingsdesignet.
Spolens ender afaksiale fluxmotorerer meget færre, og nogle designs bruger koncentrerede eller segmenterede viklinger, som er fuldt effektive. For segmenterede stator-radialmaskiner kan brud på den magnetiske fluxbane i statoren medføre yderligere tab, men for aksialfluxmotorer er dette ikke et problem. Spoleviklingens design er nøglen til at skelne mellem leverandørniveauet.
3. Udvikling
Aksialfluxmotorer står over for nogle alvorlige udfordringer i design og produktion, og på trods af deres teknologiske fordele er deres omkostninger langt højere end radialmotorers. Folk har en meget grundig forståelse af radialmotorer, og fremstillingsmetoder og mekanisk udstyr er også let tilgængelige.
En af de største udfordringer ved aksialfluxmotorer er at opretholde et ensartet luftgab mellem rotoren og statoren, da den magnetiske kraft er meget større end ved radialmotorer, hvilket gør det vanskeligt at opretholde et ensartet luftgab. Aksialfluxmotoren med dobbelt rotor har også problemer med varmeafledning, da viklingen er placeret dybt inde i statoren og mellem de to rotorskiver, hvilket gør varmeafledning meget vanskelig.
Aksialfluxmotorer er også vanskelige at fremstille af mange årsager. Dobbeltrotormaskinen, der bruger en dobbeltrotormaskine med en ågtopologi (dvs. fjernelse af jernåget fra statoren, men bevarelse af jerntænderne), overvinder nogle af disse problemer uden at udvide motordiameteren og magneten.
Fjernelse af åget medfører dog nye udfordringer, såsom hvordan man fikserer og positionerer individuelle tænder uden en mekanisk ågforbindelse. Køling er også en større udfordring.
Det er også vanskeligt at fremstille rotoren og opretholde luftspalten, da rotorskiven tiltrækker rotoren. Fordelen er, at rotorskiverne er direkte forbundet via en akselring, så kræfterne ophæver hinanden. Det betyder, at det indvendige leje ikke modstår disse kræfter, og dets eneste funktion er at holde statoren i midterpositionen mellem de to rotorskiver.
Dobbeltstator-enkeltrotormotorer står ikke over for de udfordringer, som cirkulære motorer har, men statorens design er meget mere komplekst og vanskeligere at automatisere, og de relaterede omkostninger er også høje. I modsætning til traditionelle radialfluxmotorer er fremstillingsprocesser og mekanisk udstyr til aksialmotorer først for nylig dukket op.
4. Anvendelse af elbiler
Pålidelighed er afgørende i bilindustrien, og det at bevise pålideligheden og robustheden af forskelligeaksiale fluxmotorerDet har altid været en udfordring at overbevise producenter om, at disse motorer er egnede til masseproduktion. Dette har fået leverandører af aksialmotorer til selv at udføre omfattende valideringsprogrammer, hvor hver leverandør demonstrerer, at deres motorpålidelighed ikke adskiller sig fra traditionelle radialfluxmotorer.
Den eneste komponent, der kan slides op i enaksial fluxmotorer lejerne. Længden af den aksiale magnetiske flux er relativt kort, og lejernes position er tættere, normalt designet til at være lidt "overdimensioneret". Heldigvis har aksialfluxmotoren en mindre rotormasse og kan modstå lavere dynamiske rotorakselbelastninger. Derfor er den faktiske kraft, der påføres lejerne, meget mindre end radialfluxmotorens.
Elektroniske aksler er en af de første anvendelser af aksialmotorer. Den tyndere bredde kan indkapsle motoren og gearkassen i akslen. I hybridapplikationer forkorter motorens kortere aksiale længde til gengæld transmissionssystemets samlede længde.
Det næste trin er at installere aksialmotoren på hjulet. På denne måde kan kraft overføres direkte fra motoren til hjulene, hvilket forbedrer motorens effektivitet. Ved at fjerne transmissioner, differentialer og drivaksler er systemets kompleksitet også blevet reduceret.
Det ser dog ud til, at standardkonfigurationer endnu ikke er dukket op. Hver originaludstyrsproducent forsker i specifikke konfigurationer, da de forskellige størrelser og former af aksialmotorer kan ændre designet af elektriske køretøjer. Sammenlignet med radialmotorer har aksialmotorer en højere effekttæthed, hvilket betyder, at mindre aksialmotorer kan anvendes. Dette giver nye designmuligheder for køretøjsplatforme, såsom placering af batteripakker.
4.1 Segmenteret anker
YASA-motortopologien (Yokeless and Segmented Armature) er et eksempel på en topologi med to rotorer og én stator, som reducerer produktionskompleksiteten og er egnet til automatiseret masseproduktion. Disse motorer har en effekttæthed på op til 10 kW/kg ved hastigheder på 2000 til 9000 o/min.
Ved hjælp af en dedikeret controller kan den levere en strøm på 200 kVA til motoren. Controlleren har et volumen på cirka 5 liter og vejer 5,8 kg, inklusive termisk styring med dielektrisk oliekøling, og er velegnet til aksialfluxmotorer såvel som induktions- og radialfluxmotorer.
Dette giver originaludstyrsproducenter af elbiler og førsteklasses udviklere mulighed for fleksibelt at vælge den passende motor baseret på anvendelsen og den tilgængelige plads. Den mindre størrelse og vægt gør køretøjet lettere og har flere batterier, hvilket øger rækkevidden.
5. Anvendelse af elektriske motorcykler
Til elektriske motorcykler og ATV'er har nogle virksomheder udviklet AC aksialfluxmotorer. Det almindeligt anvendte design til denne type køretøj er DC-børstebaserede aksialfluxmotorer, mens det nye produkt er et AC-design med fuldt forseglet børsteløst design.
Spolerne på både DC- og AC-motorer forbliver stationære, men de dobbelte rotorer bruger permanente magneter i stedet for roterende ankere. Fordelen ved denne metode er, at den ikke kræver mekanisk reversering.
AC-aksialdesignet kan også bruge standard trefasede AC-motorstyringer til radialmotorer. Dette hjælper med at reducere omkostningerne, da styringen styrer strømmen eller momentet, ikke hastigheden. Styringen kræver en frekvens på 12 kHz eller højere, hvilket er mainstream-frekvensen for sådanne enheder.
Den højere frekvens kommer fra den lavere viklingsinduktans på 20 µH. Frekvensen kan styre strømmen for at minimere strømripple og sikre et sinusformet signal så jævnt som muligt. Fra et dynamisk perspektiv er dette en fantastisk måde at opnå en jævnere motorstyring ved at muliggøre hurtige momentændringer.
Dette design anvender en distribueret dobbeltlagsvikling, så den magnetiske flux flyder fra rotoren til en anden rotor gennem statoren med en meget kort vej og højere effektivitet.
Nøglen til dette design er, at det kan fungere ved en maksimal spænding på 60 V og ikke er egnet til systemer med højere spænding. Derfor kan det bruges til elektriske motorcykler og firehjulede køretøjer i klasse L7e, såsom Renault Twizy.
Den maksimale spænding på 60 V gør det muligt at integrere motoren i almindelige 48 V elektriske systemer og forenkler vedligeholdelsesarbejdet.
Specifikationerne for L7e firehjulede motorcykler i den europæiske rammeforordning 2002/24/EF fastsætter, at vægten af køretøjer, der anvendes til godstransport, ikke overstiger 600 kg, eksklusive batteriernes vægt. Disse køretøjer må transportere højst 200 kg passagerer, højst 1000 kg last og højst 15 kilowatt motoreffekt. Den distribuerede viklingsmetode kan give et drejningsmoment på 75-100 Nm, med en maksimal udgangseffekt på 20-25 kW og en kontinuerlig effekt på 15 kW.
Udfordringen med aksial flux ligger i, hvordan kobberviklinger afleder varme, hvilket er vanskeligt, fordi varmen skal passere gennem rotoren. Den distribuerede vikling er nøglen til at løse dette problem, da den har et stort antal polslidser. På denne måde er der et større overfladeareal mellem kobberet og skallen, og varme kan overføres til ydersiden og afgives af et standard væskekølesystem.
Flere magnetiske poler er nøglen til at udnytte sinusformede bølgeformer, som hjælper med at reducere harmoniske. Disse harmoniske manifesterer sig som opvarmning af magneterne og kernen, mens kobberkomponenter ikke kan føre varmen væk. Når varme akkumuleres i magneter og jernkerner, falder effektiviteten, hvorfor optimering af bølgeformen og varmebanen er afgørende for motorens ydeevne.
Motorens design er optimeret for at reducere omkostninger og opnå automatiseret masseproduktion. En ekstruderet husring kræver ikke kompleks mekanisk bearbejdning og kan reducere materialeomkostningerne. Spolen kan vikles direkte, og der anvendes en bindingsproces under viklingsprocessen for at opretholde den korrekte samlingsform.
Hovedpointen er, at spolen er lavet af standard kommercielt tilgængelig tråd, mens jernkernen er lamineret med standard transformerstål, som blot skal skæres i form. Andre motordesign kræver brug af bløde magnetiske materialer i kernelamineringen, hvilket kan være dyrere.
Brugen af distribuerede viklinger betyder, at magnetisk stål ikke behøver at blive segmenteret; de kan have enklere former og være lettere at fremstille. At reducere størrelsen af magnetisk stål og sikre dets lette fremstilling har en betydelig indflydelse på at reducere omkostningerne.
Designet af denne aksialfluxmotor kan også tilpasses efter kundens behov. Kunderne får udviklet tilpassede versioner omkring det grundlæggende design. Derefter fremstilles de på en prøveproduktionslinje til tidlig produktionsverifikation, som kan replikeres på andre fabrikker.
Tilpasning skyldes primært, at køretøjets ydeevne ikke kun afhænger af designet af den aksiale magnetiske fluxmotor, men også af kvaliteten af køretøjets struktur, batteripakke og BMS.
Opslagstidspunkt: 28. september 2023
