Fordele, vanskeligheder og nye udviklinger af aksiale fluxmotorer

Sammenlignet med radialfluxmotorer har aksiale fluxmotorer mange fordele i design af elektriske køretøjer. For eksempel kan aksialfluxmotorer ændre drivaggregatets design ved at flytte motoren fra akslen til indersiden af ​​hjulene.

1.Magtakse

Aksiale fluxmotorerfår stigende opmærksomhed (vinder trækkraft). I mange år har denne type motor været 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, lufthavnspuder, 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 har dog mange vanskeligheder med at fortsætte med at udvikle sig. Aksial flux, en helt anden type motor, kan være et godt alternativ.

Sammenlignet med radiale motorer er det effektive magnetiske overfladeareal af aksialflux permanentmagnetmotorer overfladen af ​​motorrotoren, ikke den ydre diameter. Derfor kan aksialflux permanentmagnetmotorer i et bestemt volumen motor normalt give større drejningsmoment.

Aksiale fluxmotorerer mere kompakte; Sammenlignet med radiale motorer er motorens aksiale længde meget kortere. For indvendige hjulmotorer er dette ofte en afgørende faktor. Den kompakte struktur af aksialmotorer sikrer højere effekttæthed og momenttæthed end tilsvarende radialmotorer, hvilket eliminerer behovet for ekstremt høje driftshastigheder.

Effektiviteten af ​​aksialfluxmotorer er også meget høj, normalt over 96%. Dette er takket være den kortere, endimensionelle fluxvej, som er sammenlignelig eller endnu højere i effektivitet sammenlignet med de bedste 2D radialfluxmotorer på markedet.

Længden af ​​motoren 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 elbils platformdesignere.

2. Aksial flux teknologi

Der er to hovedtopologier foraksiale fluxmotorer: Enkeltstator med to rotorer (nogle gange omtalt som torusmaskiner) og dobbeltstator med enkelt rotor.

I øjeblikket bruger de fleste permanentmagnetmotorer radial fluxtopologi. Det magnetiske fluxkredsløb starter med en permanent magnet på rotoren, passerer gennem den første tand på statoren og flyder derefter radialt langs statoren. Gå derefter gennem den anden tand for at nå det andet magnetiske stål på rotoren. I en aksial fluxtopologi med to rotorer starter fluxsløjfen fra den første magnet, passerer aksialt gennem statortænderne og når straks den anden magnet.

Dette betyder, at fluxvejen er meget kortere end radialfluxmotorer, hvilket resulterer i mindre motorvolumener, højere effekttæthed og effektivitet ved samme effekt.

En radial motor, 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 fluxvej for en aksial magnetisk fluxmaskine er endimensionel, så kornorienteret elektrisk stål kan bruges. Dette stål gør det lettere for fluxen at passere igennem og forbedrer derved effektiviteten.

Radialfluxmotorer bruger traditionelt fordelte viklinger, hvor op til halvdelen af ​​viklingsenderne ikke fungerer. Spolens udhæng vil resultere i yderligere vægt, omkostninger, elektrisk modstand og mere varmetab, hvilket tvinger designere til at forbedre viklingsdesignet.

Spolen ender afaksiale fluxmotorerer meget mindre, og nogle designs bruger koncentrerede eller segmenterede viklinger, som er fuldstændig effektive. For segmenterede statorradiale maskiner kan brud på den magnetiske fluxbane i statoren medføre yderligere tab, men for aksiale fluxmotorer er dette ikke et problem. Udformningen af ​​spoleviklingen er nøglen til at skelne niveauet af leverandører.

3. Udvikling

Aksialfluxmotorer står over for nogle alvorlige udfordringer i design og produktion, på trods af deres teknologiske fordele er deres omkostninger langt højere end for radialmotorer. Folk har en meget grundig forståelse af radiale motorer, og fremstillingsmetoder og mekanisk udstyr er også let tilgængelige.

En af hovedudfordringerne ved aksialfluxmotorer er at opretholde en ensartet luftspalte mellem rotoren og statoren, da den magnetiske kraft er meget større end radialmotorernes, hvilket gør det vanskeligt at opretholde en ensartet luftspalte. Den aksiale fluxmotor 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.

Aksiale fluxmotorer er også vanskelige at fremstille af mange grunde. Den dobbeltrotormaskine, der anvender en dobbeltrotormaskine med en åg-topologi (dvs. fjernelse af jernåget fra statoren, men fastholdelse af jerntænderne) overvinder nogle af disse problemer uden at udvide motordiameteren og magneten.

Men at fjerne åget bringer nye udfordringer, såsom hvordan man fikserer og placerer individuelle tænder uden en mekanisk ågforbindelse. Køling er også en større udfordring.

Det er også svært at fremstille rotoren og vedligeholde luftspalten, da rotorskiven tiltrækker rotoren. Fordelen er, at rotorskiverne er direkte forbundet gennem en akselring, så kræfterne udligner 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 udfordringerne ved cirkulære motorer, men statorens design er meget mere komplekst og vanskeligt at opnå automatisering, og de relaterede omkostninger er også høje. I modsætning til enhver traditionel radial fluxmotor er aksialmotorfremstillingsprocesser og mekanisk udstyr først dukket op for nylig.

4. Anvendelse af elektriske køretøjer

Pålidelighed er afgørende i bilindustrien, og bevise pålideligheden og robustheden af ​​forskelligeaksiale fluxmotorerat overbevise producenterne om, at disse motorer er velegnede til masseproduktion, har altid været en udfordring. Dette har fået aksialmotorleverandører til at udføre omfattende valideringsprogrammer på egen hånd, hvor hver leverandør viser, at deres motorpålidelighed ikke adskiller sig fra traditionelle radialfluxmotorer.

Den eneste komponent, der kan blive slidt i enaksial flux motorer lejerne. Længden af ​​den aksiale magnetiske flux er relativt kort, og lejernes position er tættere, normalt designet til at være lidt "overdimensioneret". Heldigvis har den aksiale fluxmotor en mindre rotormasse og kan modstå lavere rotor dynamiske akselbelastninger. Derfor er den faktiske kraft, der påføres lejerne, meget mindre end den for radialfluxmotoren.

Elektronisk aksel er en af ​​de første anvendelser af aksialmotorer. Den tyndere bredde kan indkapsle motor og gearkasse i akslen. I hybridapplikationer forkorter den kortere aksiale længde af motoren igen den samlede længde af transmissionssystemet.

Det næste trin er at installere aksialmotoren på hjulet. På denne måde kan kraft overføres direkte fra motoren til hjulene, hvilket forbedrer motorens effektivitet. På grund af elimineringen af ​​transmissioner, differentialer og drivaksler er systemets kompleksitet også blevet reduceret.

Det ser dog ud til, at standardkonfigurationer endnu ikke er dukket op. Hver producent af originalt udstyr 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 bruges. Dette giver nye designmuligheder for køretøjsplatforme, såsom placering af batteripakker.

4.1 Segmenteret armatur

YASA-motortopologien (Yokeless and Segmented Armature) er et eksempel på en enkelt statortopologi med to rotorer, som reducerer fremstillingskompleksiteten og er velegnet til automatiseret masseproduktion. Disse motorer har en effekttæthed på op til 10 kW/kg ved hastigheder på 2000 til 9000 rpm.

Ved hjælp af en dedikeret controller kan den levere en strøm på 200 kVA til motoren. Regulatoren har en volumen på cirka 5 liter og vejer 5,8 kg, inklusive termisk styring med dielektrisk oliekøling, velegnet til aksialfluxmotorer samt induktions- og radialfluxmotorer.

Dette gør det muligt for producenter af originalt el-køretøj og udviklere på første niveau fleksibelt at vælge den passende motor baseret på applikationen og tilgængelig 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 aksiale fluxmotorer. Det almindeligt anvendte design til denne type køretøj er DC-børstebaserede aksiale flux-design, mens det nye produkt er et AC, fuldt forseglet børsteløst design.

Spolerne i både DC- og AC-motorer forbliver stationære, men de dobbelte rotorer bruger permanente magneter i stedet for roterende armaturer. Fordelen ved denne metode er, at den ikke kræver mekanisk vending.

Det aksiale AC-design kan også bruge standard trefasede AC-motorstyringer til radiale motorer. Dette hjælper med at reducere omkostningerne, da controlleren styrer drejningsmomentstrømmen, ikke hastigheden. Controlleren 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 strømrippel og sikre et sinusformet signal så glat som muligt. Fra et dynamisk perspektiv er dette en fantastisk måde at opnå jævnere motorstyring ved at tillade hurtige drejningsmomentændringer.

Dette design vedtager en distribueret dobbeltlagsvikling, så den magnetiske flux strømmer 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 er ikke egnet til højere spændingssystemer. Derfor kan den bruges til elektriske motorcykler og L7e klasse firehjulede køretøjer som Renault Twizy.

Den maksimale spænding på 60 V gør det muligt at integrere motoren i almindelige 48 V elektriske systemer og forenkler vedligeholdelsesarbejdet.

L7e firehjulede motorcykelspecifikationer i den europæiske rammeforordning 2002/24/EC foreskriver, at vægten af ​​køretøjer, der bruges til godstransport, ikke overstiger 600 kg, eksklusive vægten af ​​batterier. Disse køretøjer må ikke transportere mere end 200 kg passagerer, ikke mere end 1000 kg last og ikke mere end 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 ved aksial flux ligger i, hvordan kobberviklinger afleder varme, hvilket er svært, fordi varme 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 udledes af et standard væskekølesystem.

Flere magnetiske poler er nøglen til at bruge sinusformede bølgeformer, som hjælper med at reducere harmoniske. Disse harmoniske manifesterer sig som opvarmning af magneterne og kernen, mens kobberkomponenter ikke kan transportere varmen væk. Når varme ophobes i magneter og jernkerner, falder effektiviteten, hvorfor optimering af bølgeformen og varmevejen er afgørende for motorens ydeevne.

Designet af motoren er optimeret for at reducere omkostningerne 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.

Det centrale er, at spolen er lavet af almindeligt tilgængelig tråd, mens jernkernen er lamineret med standard lagt fra hyldetransformatorstål, som blot skal skæres i form. Andre motordesign kræver brug af bløde magnetiske materialer i kernelaminering, hvilket kan være dyrere.

Brugen af ​​fordelte viklinger betyder, at det magnetiske stål ikke behøver at blive segmenteret; De kan have enklere former og lettere at fremstille. Reduktion af størrelsen af ​​magnetisk stål og sikring af dets lette fremstilling har en betydelig indvirkning på at reducere omkostningerne.

Designet af denne aksiale fluxmotor kan også tilpasses efter kundens krav. Kunder har tilpassede versioner udviklet omkring grundlæggende design. Derefter fremstillet på en prøveproduktionslinje til tidlig produktionsverifikation, som kan replikeres på andre fabrikker.

Tilpasning skyldes hovedsagelig, at køretøjets ydeevne ikke kun afhænger af designet af den aksiale magnetiske fluxmotor, men også af kvaliteten af ​​køretøjets struktur, batteripakke og BMS.