Предности, тешкотии и нови случувања кај моторите со аксијален флукс

Во споредба со радијалните флуксни мотори, аксијалните флуксни мотори имаат многу предности во дизајнот на електрични возила. На пример, аксијалните флуксни мотори можат да го променат дизајнот на погонскиот склоп со поместување на моторот од оската кон внатрешноста на тркалата.

1. Оска на моќ

Аксијални флуксни моторидобиваат сè поголемо внимание (добиваат популарност). Со години, овој тип на мотор се користи во стационарни апликации како што се лифтови и земјоделски машини, но во текот на изминатата деценија, многу програмери работат на подобрување на оваа технологија и нејзина примена на електрични мотоцикли, аеродромски капсули, товарни камиони, електрични возила, па дури и авиони.

Традиционалните радијални флуксни мотори користат перманентни магнети или индукциски мотори, кои постигнаа значителен напредок во оптимизирањето на тежината и цената. Сепак, тие се соочуваат со многу тешкотии во понатамошниот развој. Аксијалниот флукс, сосема различен тип на мотор, може да биде добра алтернатива.

Во споредба со радијалните мотори, ефективната магнетна површина на моторите со аксијален флукс со перманентен магнет е површината на роторот на моторот, а не надворешниот дијаметар. Затоа, во одреден волумен на моторот, моторите со аксијален флукс со перманентен магнет обично можат да обезбедат поголем вртежен момент.

Аксијални флуксни моторисе покомпактни; во споредба со радијалните мотори, аксијалната должина на моторот е многу пократка. Кај моторите со внатрешни тркала, ова често е клучен фактор. Компактната структура на аксијалните мотори обезбедува поголема густина на моќност и густина на вртежен момент од сличните радијални мотори, со што се елиминира потребата од екстремно високи работни брзини.

Ефикасноста на моторите со аксијален флукс е исто така многу висока, обично надминува 96%. Ова е благодарение на пократката, еднодимензионална патека на флукс, која е споредлива или дури и поголема по ефикасност во споредба со најдобрите 2D радијални флукс мотори на пазарот.

Должината на моторот е пократка, обично 5 до 8 пати пократка, а тежината е исто така намалена за 2 до 5 пати. Овие два фактори го променија изборот на дизајнерите на платформи за електрични возила.

2. Технологија на аксијален флукс

Постојат две главни топологии замотори со аксијален флукс: машини со двоен ротор и еден статор (понекогаш се нарекуваат машини во стилот на торус) и двоен статор со еден ротор.

Моментално, повеќето мотори со перманентни магнети користат топологија на радијален флукс. Колото на магнетниот флукс започнува со перманентен магнет на роторот, поминува низ првиот заб на статорот, а потоа тече радијално по статорот. Потоа поминува низ вториот заб за да стигне до вториот магнетен челик на роторот. Во топологија на аксијален флукс со двоен ротор, јамката на флукс започнува од првиот магнет, поминува аксијално низ забите на статорот и веднаш стигнува до вториот магнет.

Ова значи дека патеката на флуксот е многу пократка од онаа на радијалните флукс мотори, што резултира со помали волумени на моторот, поголема густина на моќност и ефикасност при иста моќност.

Радијален мотор, каде што магнетниот флукс поминува низ првиот заб, а потоа се враќа на следниот заб преку статорот, достигнувајќи го магнетот. Магнетниот флукс следи дводимензионална патека.

Патеката на магнетниот флукс на машината со аксијален магнетен флукс е еднодимензионална, па затоа може да се користи електричен челик со ориентација на зрно. Овој челик го олеснува поминувањето на флуксот, со што се подобрува ефикасноста.

Радијалните флуксни мотори традиционално користат дистрибуирани намотки, при што до половина од краевите на намотките не функционираат. Превисот на намотката ќе резултира со дополнителна тежина, цена, електричен отпор и поголема загуба на топлина, принудувајќи ги дизајнерите да го подобрат дизајнот на намотките.

Краевите на намотката намотори со аксијален флукссе многу помалку, а некои дизајни користат концентрирани или сегментирани намотки, кои се целосно ефикасни. За сегментирани статорски радијални машини, прекинот на патеката на магнетниот флукс во статорот може да донесе дополнителни загуби, но за аксијални флуксни мотори, ова не е проблем. Дизајнот на намотката на намотката е клучот за разликување на нивото на добавувачи.

3. Развој

Аксијалните флуксни мотори се соочуваат со сериозни предизвици во дизајнот и производството, и покрај нивните технолошки предности, нивните трошоци се далеку повисоки од оние на радијалните мотори. Луѓето имаат многу темелно разбирање на радијалните мотори, а методите на производство и механичката опрема се исто така лесно достапни.

Еден од главните предизвици на моторите со аксијален флукс е одржувањето на униформен воздушен јаз помеѓу роторот и статорот, бидејќи магнетната сила е многу поголема од онаа на радијалните мотори, што го отежнува одржувањето на униформен воздушен јаз. Аксијалниот флукс мотор со двоен ротор, исто така, има проблеми со дисипацијата на топлината, бидејќи намотката се наоѓа длабоко во статорот и помеѓу двата диска на роторот, што ја отежнува дисипацијата на топлината.

Аксијалните флуксни мотори се исто така тешки за производство од многу причини. Машината со двоен ротор што користи машина со двоен ротор со топологија на јареми (т.е. отстранување на железниот јарем од статорот, но задржување на железните заби) ги надминува некои од овие проблеми без да го прошири дијаметарот на моторот и магнетот.

Сепак, отстранувањето на јаремот носи нови предизвици, како на пример како да се поправат и позиционираат поединечни заби без механичка врска со јарем. Ладењето е исто така поголем предизвик.

Исто така е тешко да се произведе роторот и да се одржи воздушниот јаз, бидејќи дискот на роторот го привлекува роторот. Предноста е што дисковите на роторот се директно поврзани преку прстен на вратило, така што силите се поништуваат меѓусебно. Ова значи дека внатрешното лежиште не ги издржува овие сили, а неговата единствена функција е да го држи статорот во средната положба помеѓу двата диска на роторот.

Моторите со двоен статор и еден ротор не се соочуваат со предизвиците на кружните мотори, но дизајнот на статорот е многу посложен и потежок за автоматизација, а поврзаните трошоци се исто така високи. За разлика од кој било традиционален радијален флуксен мотор, процесите на производство на аксијални мотори и механичката опрема се појавија неодамна.

4. Примена на електрични возила

Сигурноста е клучна во автомобилската индустрија и докажува сигурност и робусност на различните...мотори со аксијален флуксУбедувањето на производителите дека овие мотори се погодни за масовно производство отсекогаш претставувало предизвик. Ова ги натера добавувачите на аксијални мотори сами да спроведат обемни програми за валидација, при што секој добавувач демонстрираше дека сигурноста на нивниот мотор не се разликува од традиционалните радијални флуксни мотори.

Единствената компонента што може да се истроши вомотор со аксијален флуксе лежиштата. Должината на аксијалниот магнетен флукс е релативно кратка, а положбата на лежиштата е поблиску, обично дизајнирани да бидат малку „предимензионирани“. За среќа, моторот со аксијален флукс има помала маса на роторот и може да издржи помали динамички оптоварувања на вратилото на роторот. Затоа, вистинската сила што се применува на лежиштата е многу помала од онаа на моторот со радијален флукс.

Електронската оска е една од првите примени на аксијалните мотори. Помалата ширина може да ги капсулира моторот и менувачот во оската. Кај хибридните примени, пократката аксијална должина на моторот, пак, ја скратува вкупната должина на преносниот систем.

Следниот чекор е да се инсталира аксијалниот мотор на тркалото. На овој начин, моќноста може директно да се пренесе од моторот на тркалата, подобрувајќи ја ефикасноста на моторот. Поради елиминацијата на менувачите, диференцијалите и погонските вратила, намалена е и комплексноста на системот.

Сепак, се чини дека стандардните конфигурации сè уште не се појавиле. Секој производител на оригинална опрема истражува специфични конфигурации, бидејќи различните големини и облици на аксијалните мотори можат да го променат дизајнот на електричните возила. Во споредба со радијалните мотори, аксијалните мотори имаат поголема густина на моќност, што значи дека може да се користат помали аксијални мотори. Ова обезбедува нови опции за дизајн за платформите на возилата, како што е поставувањето на батериските пакувања.

4.1 Сегментирана арматура

Топологијата на моторот YASA (безјарковна и сегментирана арматура) е пример за топологија на еден статор со двоен ротор, која ја намалува комплексноста на производството и е погодна за автоматизирано масовно производство. Овие мотори имаат густина на моќност до 10 kW/kg при брзини од 2000 до 9000 вртежи во минута.

Користејќи наменски контролер, може да обезбеди струја од 200 kVA за моторот. Контролерот има волумен од приближно 5 литри и тежи 5,8 килограми, вклучувајќи термичко управување со диелектрично масло за ладење, погодно за мотори со аксијален флукс, како и за индукциски и радијални флукс мотори.

Ова им овозможува на производителите на оригинална опрема за електрични возила и на првокласните развивачи флексибилно да го изберат соодветниот мотор врз основа на примената и достапниот простор. Помалата големина и тежина го прават возилото полесно и има повеќе батерии, со што се зголемува зголемувањето на дометот.

5. Примена на електрични мотоцикли

За електрични мотоцикли и ATV возила, некои компании развија мотори со аксијален флукс на наизменична струја. Најчесто користениот дизајн за овој тип возила е дизајн со аксијален флукс базиран на четкички на еднонасочна струја, додека новиот производ е целосно запечатен дизајн без четкички со наизменична струја.

Намотките и кај еднонасочните и кај наизменичните мотори остануваат неподвижни, но двојните ротори користат трајни магнети наместо ротирачки арматури. Предноста на овој метод е што не бара механичко обратно движење.

Аксијалниот дизајн на наизменична струја може да користи и стандардни трифазни контролери на наизменична струја за радијални мотори. Ова помага да се намалат трошоците, бидејќи контролерот ја контролира струјата на вртежниот момент, а не брзината. На контролерот му е потребна фреквенција од 12 kHz или поголема, што е главната фреквенција на ваквите уреди.

Повисоката фреквенција доаѓа од пониската индуктивност на намотката од 20 µ H. Фреквенцијата може да ја контролира струјата за да се минимизира бранувањето на струјата и да се обезбеди синусоиден сигнал што е можно порамномерен. Од динамичка перспектива, ова е одличен начин да се постигне помазна контрола на моторот со тоа што се овозможуваат брзи промени на вртежниот момент.

Овој дизајн користи дистрибуирано двослојно намотување, така што магнетниот флукс тече од роторот до друг ротор низ статорот, со многу краток пат и поголема ефикасност.

Клучот за овој дизајн е тоа што може да работи со максимален напон од 60 V и не е погоден за системи со повисок напон. Затоа, може да се користи за електрични мотоцикли и возила на четири тркала од класата L7e, како што е Renault Twizy.

Максималниот напон од 60 V овозможува моторот да се интегрира во главните електрични системи од 48 V и го поедноставува одржувањето.

Спецификациите за мотоцикли со четири тркала L7e во Европската рамковна регулатива 2002/24/EC предвидуваат дека тежината на возилата што се користат за транспорт на стока не надминува 600 килограми, без да се смета тежината на батериите. На овие возила им е дозволено да превезуваат не повеќе од 200 килограми патници, не повеќе од 1000 килограми товар и не повеќе од 15 киловати моќност на моторот. Методот на дистрибуирано намотување може да обезбеди вртежен момент од 75-100 Nm, со максимална излезна моќност од 20-25 kW и континуирана моќност од 15 kW.

Предизвикот на аксијалниот флукс лежи во начинот на кој бакарните намотки ја распрснуваат топлината, што е тешко бидејќи топлината мора да помине низ роторот. Дистрибуираната намотка е клучот за решавање на овој проблем, бидејќи има голем број на жлебови на половите. На овој начин, постои поголема површина помеѓу бакарот и обвивката, а топлината може да се пренесе нанадвор и да се испушти со стандарден систем за ладење со течност.

Повеќекратните магнетни полови се клучни за користење на синусоидни бранови форми, кои помагаат во намалувањето на хармониците. Овие хармоници се манифестираат како загревање на магнетите и јадрото, додека бакарните компоненти не можат да ја однесат топлината. Кога топлината се акумулира во магнетите и железните јадра, ефикасноста се намалува, поради што оптимизирањето на брановата форма и топлинската патека е клучно за перформансите на моторот.

Дизајнот на моторот е оптимизиран за намалување на трошоците и постигнување автоматизирано масовно производство. Екструдираното куќиште не бара сложена механичка обработка и може да ги намали трошоците за материјали. Намотката може директно да се намотува, а за време на процесот на намотување се користи процес на лепење за да се одржи правилната форма на склопување.

Клучната поента е што намотката е изработена од стандардна комерцијално достапна жица, додека железното јадро е ламинирано со стандарден челик за трансформатор, кој едноставно треба да се обликува. Другите дизајни на мотори бараат употреба на меки магнетни материјали при ламинирање на јадрото, што може да биде поскапо.

Употребата на дистрибуирани намотки значи дека магнетниот челик не треба да се сегментира; Тие можат да имаат поедноставни форми и полесни за производство. Намалувањето на големината на магнетниот челик и обезбедувањето на неговата леснотија на производство има значително влијание врз намалувањето на трошоците.

Дизајнот на овој мотор со аксијален флукс може да се прилагоди и според барањата на клиентот. Клиентите имаат прилагодени верзии развиени околу основниот дизајн. Потоа се произведуваат на пробна производствена линија за рана верификација на производството, што може да се реплицира во други фабрики.

Прилагодувањето е главно затоа што перформансите на возилото зависат не само од дизајнот на моторот со аксијален магнетен флукс, туку и од квалитетот на структурата на возилото, батеријата и BMS.