V porovnaní s radiálnymi motormi s tokom majú axiálne motory s tokom mnoho výhod v konštrukcii elektrických vozidiel. Napríklad axiálne motory s tokom môžu zmeniť konštrukciu hnacieho ústrojenstva presunutím motora z nápravy dovnútra kolies.
1. Os moci
Axiálne motory s magnetickým tokomsa im venuje čoraz väčšia pozornosť (získavajú trakciu). Tento typ motora sa už mnoho rokov používa v stacionárnych aplikáciách, ako sú výťahy a poľnohospodárske stroje, ale za posledné desaťročie mnoho vývojárov pracuje na vylepšení tejto technológie a jej aplikácii na elektrické motocykle, letiskové moduly, nákladné vozidlá, elektrické vozidlá a dokonca aj lietadlá.
Tradičné radiálne motory s magnetickým tokom používajú permanentné magnety alebo indukčné motory, ktoré dosiahli významný pokrok v optimalizácii hmotnosti a nákladov. Ich ďalší vývoj však čelí mnohým ťažkostiam. Dobrou alternatívou môže byť axiálny motor s magnetickým tokom.
V porovnaní s radiálnymi motormi je efektívna magnetická plocha motorov s axiálnym tokom s permanentnými magnetmi povrch rotora motora, nie vonkajší priemer. Preto v určitom objeme motora môžu motory s axiálnym tokom s permanentnými magnetmi zvyčajne poskytovať väčší krútiaci moment.
Axiálne motory s magnetickým tokomsú kompaktnejšie; V porovnaní s radiálnymi motormi je axiálna dĺžka motora oveľa kratšia. Pre motory s vnútorným kolesom je to často kľúčový faktor. Kompaktná konštrukcia axiálnych motorov zaisťuje vyššiu hustotu výkonu a krútiaceho momentu ako podobné radiálne motory, čím sa eliminuje potreba extrémne vysokých prevádzkových rýchlostí.
Účinnosť axiálnych motorov s tokom je tiež veľmi vysoká, zvyčajne presahuje 96 %. Je to vďaka kratšej, jednorozmernej dráhe toku, ktorá je porovnateľná alebo dokonca vyššia v porovnaní s najlepšími 2D radiálnymi motormi s tokom na trhu.
Dĺžka motora je kratšia, zvyčajne 5 až 8-krát, a hmotnosť sa tiež znižuje 2 až 5-krát. Tieto dva faktory zmenili výber konštruktérov platforiem elektrických vozidiel.
2. Technológia axiálneho toku
Existujú dve hlavné topológie preaxiálne motory s magnetickým tokom: dvojitý rotor s jedným statorom (niekedy označované ako stroje torusového typu) a jednorotorové s dvojitým statorom.
V súčasnosti väčšina motorov s permanentnými magnetmi používa topológiu radiálneho toku. Obvod magnetického toku začína permanentným magnetom na rotore, prechádza cez prvý zub na statore a potom tečie radiálne pozdĺž statora. Potom prechádza cez druhý zub, aby dosiahol druhú magnetickú oceľ na rotore. V topológii axiálneho toku s dvojitým rotorom slučka toku začína od prvého magnetu, prechádza axiálne cez zuby statora a bezprostredne dosahuje druhý magnet.
To znamená, že dráha magnetického toku je oveľa kratšia ako pri motoroch s radiálnym magnetickým tokom, čo má za následok menšie objemy motora, vyššiu hustotu výkonu a účinnosť pri rovnakom výkone.
Radiálny motor, kde magnetický tok prechádza cez prvý zub a potom sa vracia k ďalšiemu zubu cez stator, kde dosiahne magnet. Magnetický tok sleduje dvojrozmernú dráhu.
Dráha magnetického toku axiálneho magnetického stroja je jednorozmerná, takže je možné použiť elektrotechnickú oceľ s orientovaným zrnom. Táto oceľ uľahčuje priechod magnetického toku, čím sa zvyšuje účinnosť.
Radiálne motory tradične používajú rozložené vinutia, pričom až polovica koncov vinutia je nefunkčná. Previs cievky vedie k zvýšeniu hmotnosti, nákladov, elektrického odporu a väčším tepelným stratám, čo núti konštruktérov vylepšiť dizajn vinutia.
Konce cievkyaxiálne motory s magnetickým tokomsú oveľa menšie a niektoré konštrukcie používajú koncentrované alebo segmentované vinutia, ktoré sú úplne účinné. Pri segmentovaných statorových radiálnych strojoch môže prerušenie dráhy magnetického toku v statore priniesť ďalšie straty, ale pri motoroch s axiálnym tokom to nie je problém. Konštrukcia vinutia cievky je kľúčom k rozlíšeniu úrovne dodávateľov.
3. Vývoj
Axiálne motory čelia niektorým vážnym výzvam v oblasti návrhu a výroby. Napriek ich technologickým výhodám sú ich náklady oveľa vyššie ako náklady na radiálne motory. Ľudia majú veľmi dôkladné znalosti o radiálnych motoroch a výrobné metódy a mechanické zariadenia sú tiež ľahko dostupné.
Jednou z hlavných výziev axiálnych motorov s tokom je udržiavanie rovnomernej vzduchovej medzery medzi rotorom a statorom, pretože magnetická sila je oveľa väčšia ako u radiálnych motorov, čo sťažuje udržiavanie rovnomernej vzduchovej medzery. Dvojrotorový axiálny motor s tokom má tiež problémy s odvodom tepla, pretože vinutie je umiestnené hlboko v statore a medzi dvoma rotorovými kotúčmi, čo veľmi sťažuje odvod tepla.
Axiálne motory s magnetickým tokom sú tiež z mnohých dôvodov náročné na výrobu. Dvojrotorový stroj s topológiou jarma (t. j. odstránenie železného jarma zo statora, ale zachovanie železných zubov) prekonáva niektoré z týchto problémov bez zväčšenia priemeru motora a magnetu.
Odstránenie tŕňa však prináša nové výzvy, ako napríklad spôsob upevnenia a umiestnenia jednotlivých zubov bez mechanického spojenia tŕňa. Chladenie je tiež väčšou výzvou.
Je tiež ťažké vyrobiť rotor a udržať vzduchovú medzeru, pretože rotorový kotúč priťahuje rotor. Výhodou je, že rotorové kotúče sú priamo spojené cez hriadeľový krúžok, takže sily sa navzájom rušia. To znamená, že vnútorné ložisko týmto silám neodoláva a jeho jedinou funkciou je udržiavať stator v strednej polohe medzi dvoma rotorovými kotúčmi.
Dvojstatorové motory s jedným rotorom nečelia výzvam kruhových motorov, ale konštrukcia statora je oveľa zložitejšia a ťažšie sa dá automatizovať a súvisiace náklady sú tiež vysoké. Na rozdiel od tradičných motorov s radiálnym tokom sa výrobné procesy a mechanické zariadenia axiálnych motorov objavili len nedávno.
4. Aplikácia elektrických vozidiel
Spoľahlivosť je v automobilovom priemysle kľúčová a preukázanie spoľahlivosti a robustnosti rôznychaxiálne motory s magnetickým tokomPresvedčiť výrobcov, že tieto motory sú vhodné pre hromadnú výrobu, bolo vždy výzvou. To viedlo dodávateľov axiálnych motorov k tomu, aby sami vykonávali rozsiahle validačné programy, pričom každý dodávateľ preukázal, že spoľahlivosť jeho motora sa nelíši od tradičných radiálnych motorov s magnetickým tokom.
Jediný komponent, ktorý sa môže opotrebovať vaxiálny tokový motorsú ložiská. Dĺžka axiálneho magnetického toku je relatívne krátka a poloha ložísk je bližšie k sebe, zvyčajne navrhnutá tak, aby bola mierne „naddimenzovaná“. Našťastie má motor s axiálnym tokom menšiu hmotnosť rotora a dokáže odolať nižším dynamickým zaťaženiam hriadeľa rotora. Preto je skutočná sila pôsobiaca na ložiská oveľa menšia ako sila motora s radiálnym tokom.
Elektronická náprava je jednou z prvých aplikácií axiálnych motorov. Menšia šírka umožňuje uzavrieť motor a prevodovku v náprave. V hybridných aplikáciách kratšia axiálna dĺžka motora následne skracuje celkovú dĺžku prevodového systému.
Ďalším krokom je inštalácia axiálneho motora na koleso. Týmto spôsobom je možné prenášať výkon priamo z motora na kolesá, čím sa zlepšuje účinnosť motora. Vďaka eliminácii prevodoviek, diferenciálov a hnacích hriadeľov sa znížila aj zložitosť systému.
Zdá sa však, že štandardné konfigurácie sa ešte neobjavili. Každý výrobca originálnych dielov skúma špecifické konfigurácie, pretože rôzne veľkosti a tvary axiálnych motorov môžu zmeniť dizajn elektrických vozidiel. V porovnaní s radiálnymi motormi majú axiálne motory vyššiu hustotu výkonu, čo znamená, že je možné použiť menšie axiálne motory. To poskytuje nové konštrukčné možnosti pre platformy vozidiel, ako napríklad umiestnenie batériových blokov.
4.1 Segmentová armatúra
Topológia motora YASA (Yokless and Segmented Armature) je príkladom topológie s dvojitým rotorom a jedným statorom, ktorá znižuje zložitosť výroby a je vhodná pre automatizovanú hromadnú výrobu. Tieto motory majú hustotu výkonu až 10 kW/kg pri otáčkach 2 000 až 9 000 ot./min.
Pomocou špecializovaného ovládača dokáže pre motor dodať prúd 200 kVA. Ovládač má objem približne 5 litrov a hmotnosť 5,8 kilogramu, vrátane tepelného manažmentu s chladením dielektrickým olejom, vhodný pre axiálne motory s tokom, ako aj pre asynchrónne a radiálne motory s tokom.
To umožňuje výrobcom originálnych dielov pre elektrické vozidlá a vývojárom prvej úrovne flexibilne si vybrať vhodný motor na základe aplikácie a dostupného priestoru. Menšia veľkosť a hmotnosť robia vozidlo ľahším a majú viac batérií, čím sa zvyšuje dojazd.
5. Použitie elektrických motocyklov
Pre elektrické motocykle a štvorkolky niektoré spoločnosti vyvinuli striedavé axiálne motory s prúdovým tokom. Bežne používanou konštrukciou pre tento typ vozidla sú jednosmerné kefkové axiálne motory s prúdovým tokom, zatiaľ čo nový produkt je plne utesnený bezkefkový dizajn na striedavý prúd.
Cievky jednosmerných aj striedavých motorov zostávajú nehybné, ale dvojité rotory používajú permanentné magnety namiesto rotujúcich kotiev. Výhodou tejto metódy je, že nevyžaduje mechanické reverzovanie.
Axiálny AC dizajn umožňuje používať aj štandardné trojfázové regulátory striedavého motora pre radiálne motory. To pomáha znižovať náklady, pretože regulátor riadi prúd krútiaceho momentu, nie rýchlosť. Regulátor vyžaduje frekvenciu 12 kHz alebo vyššiu, čo je bežná frekvencia takýchto zariadení.
Vyššia frekvencia pochádza z nižšej indukčnosti vinutia 20 µH. Frekvencia dokáže riadiť prúd, aby sa minimalizovalo zvlnenie prúdu a zabezpečil čo najplynulejší sínusový signál. Z dynamického hľadiska je to skvelý spôsob, ako dosiahnuť plynulejšie riadenie motora tým, že umožňuje rýchle zmeny krútiaceho momentu.
Táto konštrukcia využíva distribuované dvojvrstvové vinutie, takže magnetický tok prúdi z rotora do iného rotora cez stator s veľmi krátkou dráhou a vyššou účinnosťou.
Kľúčom k tomuto dizajnu je, že dokáže pracovať s maximálnym napätím 60 V a nie je vhodný pre systémy s vyšším napätím. Preto sa dá použiť pre elektrické motocykle a štvorkolesové vozidlá triedy L7e, ako napríklad Renault Twizy.
Maximálne napätie 60 V umožňuje integráciu motora do bežných 48 V elektrických systémov a zjednodušuje údržbu.
Špecifikácie štvorkolesového motocykla L7e v európskom rámcovom nariadení 2002/24/ES stanovujú, že hmotnosť vozidiel používaných na prepravu tovaru nepresahuje 600 kilogramov, okrem hmotnosti batérií. Tieto vozidlá môžu prepravovať maximálne 200 kilogramov cestujúcich, maximálne 1 000 kilogramov nákladu a maximálne 15 kilowattov výkonu motora. Metóda rozdeleného vinutia môže poskytnúť krútiaci moment 75 – 100 Nm so špičkovým výstupným výkonom 20 – 25 kW a trvalým výkonom 15 kW.
Problém s axiálnym tokom spočíva v tom, ako medené vinutia odvádzajú teplo, čo je zložité, pretože teplo musí prechádzať cez rotor. Rozložené vinutie je kľúčom k riešeniu tohto problému, pretože má veľký počet pólových drážok. Týmto spôsobom je medzi meďou a plášťom väčšia plocha a teplo sa môže prenášať von a odvádzať štandardným kvapalinovým chladiacim systémom.
Viaceré magnetické póly sú kľúčové pre využitie sínusových priebehov vĺn, ktoré pomáhajú znižovať harmonické. Tieto harmonické sa prejavujú ako zahrievanie magnetov a jadra, zatiaľ čo medené komponenty nedokážu teplo odvádzať. Keď sa teplo hromadí v magnetoch a železných jadrách, účinnosť klesá, a preto je optimalizácia priebehu vĺn a tepelnej dráhy kľúčová pre výkon motora.
Konštrukcia motora bola optimalizovaná s cieľom znížiť náklady a dosiahnuť automatizovanú hromadnú výrobu. Extrudovaný krúžok krytu nevyžaduje zložité mechanické spracovanie a môže znížiť náklady na materiál. Cievka sa môže navíjať priamo a počas procesu navíjania sa používa proces spájania, aby sa zachoval správny tvar zostavy.
Kľúčovým bodom je, že cievka je vyrobená zo štandardného komerčne dostupného drôtu, zatiaľ čo železné jadro je laminované štandardnou transformátorovou oceľou, ktorú je potrebné len narezať do požadovaného tvaru. Iné konštrukcie motorov vyžadujú použitie magneticky mäkkých materiálov na laminovanie jadra, čo môže byť drahšie.
Použitie distribuovaných vinutí znamená, že magnetická oceľ nemusí byť segmentovaná; môže mať jednoduchšie tvary a ľahšie sa vyrába. Zmenšenie veľkosti magnetickej ocele a zabezpečenie jej jednoduchej výroby má významný vplyv na zníženie nákladov.
Dizajn tohto axiálneho motora s magnetickým tokom je možné prispôsobiť aj požiadavkám zákazníka. Zákazníci majú vyvinuté prispôsobené verzie na základe základného dizajnu. Následne sú vyrobené na skúšobnej výrobnej linke pre skoré overenie výroby, ktoré je možné replikovať v iných továrňach.
Prispôsobenie je spôsobené najmä tým, že výkon vozidla závisí nielen od konštrukcie motora s axiálnym magnetickým tokom, ale aj od kvality konštrukcie vozidla, batérie a systému BMS.
Čas uverejnenia: 28. septembra 2023
