A radiális fluxusmotorokkal összehasonlítva az axiális fluxusmotoroknak számos előnyük van az elektromos járművek tervezésében. Például az axiális fluxusmotorok megváltoztathatják a hajtáslánc kialakítását azáltal, hogy a motort a tengelyről a kerekek belsejébe helyezik át.
1. Hatalmi tengely
Axiális fluxusmotorokegyre nagyobb figyelmet kapnak (térnyerés). Ezt a motortípust évek óta használják helyhez kötött alkalmazásokban, például felvonókban és mezőgazdasági gépekben, de az elmúlt évtizedben számos fejlesztő dolgozott a technológia fejlesztésén és alkalmazásán elektromos motorkerékpárokon, repülőtéri kapszulákon, tehergépkocsikon, elektromos járműveken és akár repülőgépeken is.
A hagyományos radiális fluxusmotorok állandó mágneseket vagy indukciós motorokat használnak, amelyek jelentős előrelépést tettek a súly és a költségek optimalizálásában. Azonban számos nehézséggel szembesülnek a folyamatos fejlesztés során. Az axiális fluxus, egy teljesen más típusú motor, jó alternatíva lehet.
A radiális motorokkal összehasonlítva az axiális fluxusú permanens mágneses motorok effektív mágneses felülete a motor forgórészének felülete, nem pedig a külső átmérője. Ezért egy bizonyos motortérfogatban az axiális fluxusú permanens mágneses motorok általában nagyobb nyomatékot tudnak leadni.
Axiális fluxusmotorokkompaktabbak; A radiálmotorokhoz képest a motor tengelyirányú hossza sokkal rövidebb. Belső kerékmotorok esetében ez gyakran döntő tényező. Az axiálmotorok kompakt felépítése nagyobb teljesítménysűrűséget és nyomatéksűrűséget biztosít a hasonló radiálmotorokhoz képest, így kiküszöböli a rendkívül magas üzemi sebességek szükségességét.
Az axiális fluxusmotorok hatásfoka is nagyon magas, általában meghaladja a 96%-ot. Ez a rövidebb, egydimenziós fluxusútnak köszönhető, amely hatékonyságban összehasonlítható, vagy akár magasabb is a piacon kapható legjobb 2D radiális fluxusmotorokéval.
A motor hossza rövidebb, általában 5-8-szor rövidebb, a súlya pedig 2-5-szörösére csökken. Ez a két tényező megváltoztatta az elektromos járműplatform-tervezők választását.
2. Axiális fluxus technológia
Két fő topológia létezikaxiális fluxusmotorok: kettős rotoros egyállós (néha tórus stílusú gépeknek is nevezik) és egyrotoros kettős állós.
Jelenleg a legtöbb állandó mágneses motor radiális fluxus topológiát alkalmaz. A mágneses fluxus áramkör a rotoron lévő állandó mágnessel kezdődik, áthalad az állórész első fogán, majd radiális irányban halad az állórész mentén. Ezután áthalad a második fogon, hogy elérje a rotoron lévő második mágneses acélt. Kettős rotoros axiális fluxus topológiában a fluxus hurok az első mágnestől kezdődik, axiálisan áthalad az állórész fogain, és azonnal eléri a második mágnest.
Ez azt jelenti, hogy a fluxusút sokkal rövidebb, mint a radiális fluxusmotoroké, ami kisebb motortérfogatot, nagyobb teljesítménysűrűséget és hatásfokot eredményez azonos teljesítmény mellett.
Egy radiális motor, ahol a mágneses fluxus áthalad az első fogon, majd az állórészen keresztül visszatér a következő foghoz, elérve a mágnest. A mágneses fluxus kétdimenziós pályát követ.
Az axiális mágneses fluxusgép mágneses fluxuspályája egydimenziós, így szemcseorientált elektrotechnikai acél használható. Ez az acél megkönnyíti a fluxus áthaladását, ezáltal javítja a hatásfokot.
A radiális fluxusmotorok hagyományosan elosztott tekercseket használnak, ahol a tekercsvégek akár fele sem működik. A tekercs túlnyúlása további súlyt, költségeket, elektromos ellenállást és nagyobb hőveszteséget eredményez, ami arra kényszeríti a tervezőket, hogy javítsák a tekercselés kialakítását.
A tekercs végeiaxiális fluxusmotoroksokkal kisebbek, és egyes konstrukciók koncentrált vagy szegmentált tekercseket használnak, amelyek teljesen hatékonyak. Szegmentált állórészes radiális gépeknél a mágneses fluxus útjának megszakadása az állórészben további veszteségeket okozhat, de axiális fluxusmotorok esetében ez nem jelent problémát. A tekercs tekercselésének kialakítása kulcsfontosságú a beszállítók szintjének megkülönböztetéséhez.
3. Fejlesztés
Az axiális fluxusmotorok komoly kihívásokkal néznek szembe a tervezés és a gyártás során, technológiai előnyeik ellenére költségeik jóval magasabbak, mint a radiálmotoroké. Az emberek nagyon alapos ismeretekkel rendelkeznek a radiálmotorokról, és a gyártási módszerek és a mechanikus berendezések is könnyen elérhetők.
Az axiális fluxusmotorok egyik fő kihívása az egyenletes légrés fenntartása a rotor és az állórész között, mivel a mágneses erő sokkal nagyobb, mint a radiális motoroké, ami megnehezíti az egyenletes légrés fenntartását. A kétrotoros axiális fluxusmotornak hőelvezetési problémái is vannak, mivel a tekercs mélyen az állórészben és a két rotortárcsa között helyezkedik el, ami nagyon megnehezíti a hőelvezetést.
Az axiális fluxusmotorok gyártása számos okból nehézkes. A kétrotoros, járom topológiájú (azaz a vasjárom eltávolításával az állórészről, de a vasfogak megtartásával) kétrotoros gép ezen problémák egy részét a motor átmérőjének és a mágnesnek a növelése nélkül küszöböli ki.
A járom eltávolítása azonban új kihívásokat vet fel, például hogyan lehet rögzíteni és pozicionálni az egyes fogakat mechanikus járomcsatlakozás nélkül. A hűtés is nagyobb kihívást jelent.
A rotor előállítása és a légrés fenntartása is nehézkes, mivel a rotortárcsa vonzza a rotort. Az előnye, hogy a rotortárcsák közvetlenül egy tengelygyűrűn keresztül vannak összekötve, így az erők kioltják egymást. Ez azt jelenti, hogy a belső csapágy nem bírja el ezeket az erőket, és egyetlen funkciója az, hogy az állórészt a két rotortárcsa közötti középső helyzetben tartsa.
A dupla állórészes, egyrotoros motorok nem szembesülnek a körmotorok kihívásaival, de az állórész kialakítása sokkal bonyolultabb és nehezebben automatizálható, valamint a kapcsolódó költségek is magasak. A hagyományos radiális fluxusmotorokkal ellentétben az axiális motorok gyártási folyamatai és mechanikus berendezései csak a közelmúltban jelentek meg.
4. Elektromos járművek alkalmazása
A megbízhatóság kulcsfontosságú az autóiparban, és a különböző eszközök megbízhatóságának és robusztusságának bizonyítása...axiális fluxusmotorokMindig is kihívást jelentett meggyőzni a gyártókat arról, hogy ezek a motorok alkalmasak tömeggyártásra. Ez arra késztette az axiális motorok beszállítóit, hogy saját maguk hajtsanak végre átfogó validációs programokat, amelyekben minden beszállító bizonyítja, hogy motorjuk megbízhatósága nem különbözik a hagyományos radiális fluxusmotorokétól.
Az egyetlen alkatrész, ami elkophat egyaxiális fluxusmotora csapágyak. Az axiális mágneses fluxus hossza viszonylag rövid, és a csapágyak helyzete közelebb van, általában kissé „túlméretezettre” tervezve. Szerencsére az axiális fluxusmotor kisebb rotortömeggel rendelkezik, és alacsonyabb rotor dinamikus tengelyterheléseket tud elviselni. Ezért a csapágyakra ható tényleges erő sokkal kisebb, mint a radiális fluxusmotoré.
Az elektronikus tengely az axiális motorok egyik első alkalmazása. A vékonyabb szélesség lehetővé teszi a motor és a sebességváltó tengelybe zárását. Hibrid alkalmazásokban a motor rövidebb tengelyhossza viszont lerövidíti az erőátviteli rendszer teljes hosszát.
A következő lépés az axiális motor felszerelése a kerékre. Ily módon a teljesítmény közvetlenül a motorról a kerekekre továbbítható, javítva a motor hatásfokát. A sebességváltók, differenciálművek és kardántengelyek kiküszöbölésével a rendszer bonyolultsága is csökkent.
Úgy tűnik azonban, hogy a szabványos konfigurációk még nem jelentek meg. Minden eredetiberendezés-gyártó kutatja a specifikus konfigurációkat, mivel az axiális motorok különböző méretei és formái megváltoztathatják az elektromos járművek kialakítását. A radiálmotorokhoz képest az axiális motorok nagyobb teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy kisebb axiális motorok használhatók. Ez új tervezési lehetőségeket kínál a járműplatformok számára, például az akkumulátorcsomagok elhelyezésében.
4.1 Szegmentált armatúra
A YASA (Yokeless and Segmented Armature) motortopológia egy példa a kettős rotoros, egyetlen állórészes topológiára, amely csökkenti a gyártási bonyolultságot és alkalmas automatizált tömegtermelésre. Ezeknek a motoroknak a teljesítménysűrűsége akár 10 kW/kg is lehet 2000 és 9000 ford/perc közötti fordulatszámon.
Egy dedikált vezérlő segítségével 200 kVA áramot tud biztosítani a motor számára. A vezérlő térfogata körülbelül 5 liter, súlya pedig 5,8 kilogramm, beleértve a dielektromos olajhűtéssel ellátott hőkezelést is, így alkalmas axiális fluxusmotorokhoz, valamint indukciós és radiális fluxusmotorokhoz.
Ez lehetővé teszi az elektromos járművek eredetiberendezés-gyártói és az első osztályú fejlesztők számára, hogy rugalmasan válasszák ki a megfelelő motort az alkalmazás és a rendelkezésre álló hely alapján. A kisebb méret és súly könnyebbé teszi a járművet és több akkumulátorral rendelkezik, ezáltal növelve a hatótávolságot.
5. Elektromos motorkerékpárok alkalmazása
Elektromos motorkerékpárokhoz és ATV-khez néhány cég váltakozó áramú axiális fluxusmotorokat fejlesztett ki. Az ilyen típusú járműveknél általában az egyenáramú, kefés axiális fluxusmotorokat alkalmazzák, míg az új termék egy váltakozó áramú, teljesen zárt, kefe nélküli kialakítás.
Mind az egyenáramú, mind a váltakozó áramú motorok tekercsei álló helyzetben maradnak, de a kettős rotorok forgó armatúrák helyett állandó mágneseket használnak. Ennek a módszernek az az előnye, hogy nem igényel mechanikus irányváltást.
Az AC axiális kialakítás radiálmotorokhoz szabványos háromfázisú AC motorvezérlőket is használhat. Ez segít csökkenteni a költségeket, mivel a vezérlő a nyomatékáramot szabályozza, nem a sebességet. A vezérlőhöz 12 kHz vagy magasabb frekvencia szükséges, ami az ilyen eszközök fő frekvenciája.
A magasabb frekvencia a 20 µH-s alacsonyabb tekercsinduktivitásból származik. A frekvencia szabályozhatja az áramot az áram hullámzásának minimalizálása és a lehető legsimább szinuszos jel biztosítása érdekében. Dinamikai szempontból ez egy nagyszerű módja a simább motorvezérlés elérésének a gyors nyomatékváltozások lehetővé tételével.
Ez a kialakítás elosztott kétrétegű tekercselést alkalmaz, így a mágneses fluxus a rotorról a másik rotorra az állórészen keresztül áramlik, nagyon rövid úton és nagyobb hatásfokkal.
Ennek a kialakításnak a kulcsa, hogy maximum 60 V feszültségen működhet, és nem alkalmas magasabb feszültségű rendszerekhez. Ezért elektromos motorkerékpárokhoz és L7e osztályú négykerekű járművekhez, például a Renault Twizy-hez is használható.
A 60 V-os maximális feszültség lehetővé teszi a motor integrálását a 48 V-os hagyományos elektromos rendszerekbe, és leegyszerűsíti a karbantartási munkákat.
A 2002/24/EK európai keretrendeletben szereplő L7e négykerekű motorkerékpár-specifikációk előírják, hogy az áruszállításra használt járművek súlya az akkumulátorok súlya nélkül nem haladhatja meg a 600 kilogrammot. Ezek a járművek legfeljebb 200 kilogramm utast, legfeljebb 1000 kilogramm rakományt és legfeljebb 15 kilowatt motorteljesítményt szállíthatnak. Az elosztott tekercselési módszer 75-100 Nm nyomatékot, 20-25 kW csúcsteljesítményt és 15 kW folyamatos teljesítményt tud biztosítani.
Az axiális fluxus kihívása abban rejlik, hogy a réztekercsek hogyan vezetik el a hőt, ami nehéz, mivel a hőnek át kell haladnia a rotoron. Az elosztott tekercselés a probléma megoldásának kulcsa, mivel nagyszámú pólusrésszel rendelkezik. Ily módon nagyobb felület van a réz és a héj között, és a hő kifelé továbbítható, és egy szabványos folyadékhűtő rendszerrel elvezethető.
A szinuszos hullámformák használatához kulcsfontosságú a többszörös mágneses pólus, amely segít csökkenteni a harmonikusokat. Ezek a harmonikusok a mágnesek és a mag felmelegedéseként jelentkeznek, míg a réz alkatrészek nem tudják elvezetni a hőt. Amikor a hő felhalmozódik a mágnesekben és a vasmagokban, a hatásfok csökken, ezért a hullámforma és a hőút optimalizálása kulcsfontosságú a motor teljesítménye szempontjából.
A motor kialakítását optimalizálták a költségek csökkentése és az automatizált tömeggyártás elérése érdekében. Az extrudált házgyűrű nem igényel bonyolult mechanikai megmunkálást, és csökkentheti az anyagköltségeket. A tekercs közvetlenül feltekercselhető, és a tekercselési folyamat során kötési eljárást alkalmaznak a megfelelő összeszerelési forma megőrzése érdekében.
A lényeg az, hogy a tekercs szabványos, kereskedelmi forgalomban kapható huzalból készül, míg a vasmag szabványos, polcról lerakott transzformátoracéllal van laminálva, amelyet egyszerűen csak formára kell vágni. Más motorkialakítások lágymágneses anyagok használatát igénylik a mag laminálásához, ami drágább lehet.
Az elosztott tekercsek használata azt jelenti, hogy a mágneses acélt nem kell szegmentálni; Egyszerűbb formájúak és könnyebben gyárthatók. A mágneses acél méretének csökkentése és a könnyű gyárthatóság biztosítása jelentős hatással van a költségek csökkentésére.
Ennek az axiális fluxusmotornak a kialakítása az ügyfél igényei szerint is testreszabható. Az ügyfelek az alapterv alapján egyedi verziókat fejlesztenek ki. Ezután egy próbagyártósoron legyártják a korai gyártásellenőrzéshez, amelyet más gyárakban is meg lehet ismételni.
A testreszabás főként azért van, mert a jármű teljesítménye nemcsak az axiális mágneses fluxusmotor kialakításától függ, hanem a járműszerkezet, az akkumulátorcsomag és a BMS minőségétől is.
Közzététel ideje: 2023. szeptember 28.
