V porovnaní s motormi s radiálnym tokom majú motory s axiálnym tokom veľa výhod v dizajne elektrických vozidiel.Napríklad motory s axiálnym tokom môžu zmeniť konštrukciu hnacieho ústrojenstva presunutím motora z nápravy do vnútra kolies.
1.Os sily
Motory s axiálnym tokomdostávajú zvýšenú pozornosť (získavajú trakciu).Po mnoho rokov sa tento typ motora používa v stacionárnych aplikáciách, ako sú výťahy a poľnohospodárske stroje, ale v poslednom desaťročí veľa vývojárov pracovalo na zlepšení tejto technológie a jej aplikovaní na elektrické motocykle, letiskové moduly, nákladné autá, elektrické vozidlá a dokonca aj lietadlá.
Tradičné motory s radiálnym tokom využívajú permanentné magnety alebo indukčné motory, ktoré dosiahli významný pokrok v optimalizácii hmotnosti a nákladov.Pri ďalšom rozvoji však čelia mnohým ťažkostiam.Axiálny tok, úplne iný typ motora, môže byť dobrou alternatívou.
V porovnaní s radiálnymi motormi je efektívna magnetická plocha motorov s permanentným magnetom s axiálnym tokom povrch rotora motora, nie vonkajší priemer.Preto v určitom objeme motora môžu motory s permanentným magnetom s axiálnym tokom zvyčajne poskytnúť väčší krútiaci moment.
Motory s axiálnym tokomsú kompaktnejšie;V porovnaní s radiálnymi motormi je axiálna dĺžka motora oveľa kratšia.Pre motory s vnútornými kolesami je to často rozhodujúci faktor.Kompaktná konštrukcia axiálnych motorov zaisťuje vyššiu hustotu výkonu a hustotu krútiaceho momentu ako podobné radiálne motory, čím eliminuje potrebu extrémne vysokých prevádzkových otáčok.
Účinnosť motorov s axiálnym tokom je tiež veľmi vysoká, zvyčajne presahuje 96%.Je to vďaka kratšej, jednorozmernej dráhe toku, ktorá je z hľadiska účinnosti porovnateľná alebo dokonca vyššia v porovnaní s najlepšími 2D motormi s radiálnym tokom na trhu.
Dĺžka motora je kratšia, zvyčajne 5 až 8-krát kratšia a hmotnosť sa tiež zníži 2 až 5-krát.Tieto dva faktory zmenili výber konštruktérov platforiem elektrických vozidiel.
2. Technológia axiálneho toku
Existujú dve hlavné topológiemotory s axiálnym tokom: dvojrotorový jednostator (niekedy označovaný ako stroje torusového štýlu) a jednorotorový dvojstator.
V súčasnosti väčšina motorov s permanentnými magnetmi využíva topológiu radiálneho toku.Obvod magnetického toku začína permanentným magnetom na rotore, prechádza cez prvý zub na statore a potom tečie radiálne pozdĺž statora.Potom prejdite cez druhý zub, aby ste dosiahli druhú magnetickú oceľ na rotore.V topológii dvojitého rotora s axiálnym tokom začína slučka toku od prvého magnetu, prechádza axiálne cez zuby statora a okamžite dosahuje druhý magnet.
To znamená, že dráha toku je oveľa kratšia ako u motorov s radiálnym 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 a dosahuje magnet.Magnetický tok sleduje dvojrozmernú dráhu.
Dráha magnetického toku stroja s axiálnym magnetickým tokom je jednorozmerná, takže je možné použiť elektrooceľ s orientovaným zrnom.Táto oceľ uľahčuje prechod taviva, čím sa zlepšuje účinnosť.
Motory s radiálnym tokom tradične používajú rozdelené vinutia, pričom až polovica koncov vinutia nefunguje.Presah cievky bude mať za následok dodatočnú hmotnosť, náklady, elektrický odpor a väčšie tepelné straty, čo núti dizajnérov zlepšiť dizajn vinutia.
Cievka končímotory s axiálnym tokomsú oveľa menej a niektoré konštrukcie používajú koncentrované alebo segmentované vinutia, ktoré sú úplne účinné.Pre segmentované statorové radiálne stroje môže pretrhnutie dráhy magnetického toku v statore priniesť ďalšie straty, ale pre motory s axiálnym tokom to nie je problém.Konštrukcia vinutia cievky je kľúčom k rozlíšeniu úrovne dodávateľov.
3. Vývoj
Motory s axiálnym tokom čelia niektorým vážnym výzvam v dizajne a výrobe, napriek ich technologickým výhodám sú ich náklady oveľa vyššie ako náklady na radiálne motory.Ľudia veľmi dobre rozumejú radiálnym motorom a výrobné metódy a mechanické zariadenia sú tiež ľahko dostupné.
Jednou z hlavných výziev motorov s axiálnym tokom je udržiavať rovnomernú vzduchovú medzeru medzi rotorom a statorom, pretože magnetická sila je oveľa väčšia ako u radiálnych motorov, čo sťažuje udržanie rovnomernej vzduchovej medzery.Motor s axiálnym tokom s dvojitým rotorom má tiež problémy s odvodom tepla, pretože vinutie je umiestnené hlboko v statore a medzi dvoma kotúčmi rotora, čo veľmi sťažuje odvod tepla.
Motory s axiálnym tokom sa tiež ťažko vyrábajú z mnohých dôvodov.Dvojrotorový stroj využívajúci dvojrotorový stroj s topológiou strmeňov (tj odstránenie železného strmeňa zo statora, ale ponechanie železných zubov) prekonáva niektoré z týchto problémov bez rozšírenia priemeru motora a magnetu.
Odstránenie strmeňa však prináša nové výzvy, napríklad ako zafixovať a umiestniť jednotlivé zuby bez mechanického spojenia strmeňa.Väčšou výzvou je aj chladenie.
Je tiež ťažké vyrobiť rotor a udržať vzduchovú medzeru, pretože rotorový kotúč priťahuje rotor.Výhodou je, že kotúče rotora sú priamo spojené cez hriadeľový krúžok, takže sily sa navzájom rušia.To znamená, že vnútorné ložisko neodolá týmto silám a jeho jedinou funkciou je udržať stator v strednej polohe medzi dvoma kotúčmi rotora.
Dvojstatorové jednorotorové motory nečelia výzvam kruhových motorov, ale konštrukcia statora je oveľa zložitejšia a ťažšie dosiahnuteľná automatizácia a súvisiace náklady sú tiež vysoké.Na rozdiel od akéhokoľvek tradičného motora s radiálnym tokom sa výrobné procesy a mechanické zariadenia axiálnych motorov objavili len nedávno.
4. Aplikácia elektrických vozidiel
Spoľahlivosť je v automobilovom priemysle rozhodujúca a preukazuje spoľahlivosť a robustnosť rôznychmotory s axiálnym tokomPresvedčiť výrobcov, že tieto motory sú vhodné pre sériovú výrobu, bolo vždy výzvou.To podnietilo dodávateľov axiálnych motorov, aby samostatne vykonávali rozsiahle programy overovania, pričom každý dodávateľ preukázal, že spoľahlivosť ich motora sa nelíši od tradičných motorov s radiálnym tokom.
Jediný komponent, ktorý sa môže opotrebovať vmotor s axiálnym tokomsú ložiská.Dĺžka axiálneho magnetického toku je relatívne krátka a poloha ložísk je bližšia, zvyčajne mierne „predimenzovaná“.Našťastie má motor s axiálnym tokom menšiu hmotnosť rotora a dokáže vydržať nižšie dynamické zaťaženie hriadeľa rotora.Preto je skutočná sila aplikovaná na ložiská oveľa menšia ako sila motora s radiálnym tokom.
Elektronická náprava je jednou z prvých aplikácií axiálnych motorov.Tenšia šírka môže zapuzdrovať motor a prevodovku v náprave.V hybridných aplikáciách kratšia axiálna dĺžka motora zase skracuje celkovú dĺžku prevodového systému.
Ďalším krokom je inštalácia axiálneho motora na koleso.Týmto spôsobom môže byť výkon priamo prenášaný z motora na kolesá, čím sa zlepšuje účinnosť motora.Vďaka eliminácii prevodoviek, diferenciálov a hnacích hriadeľov sa tiež znížila zložitosť systému.
Zdá sa však, že štandardné konfigurácie sa zatiaľ neobjavili.Každý výrobca originálneho vybavenia 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 možnosti dizajnu pre platformy vozidiel, ako je napríklad umiestnenie batériových jednotiek.
4.1 Segmentová armatúra
Topológia motora YASA (Yokeless and Segmented Armature) je príkladom dvojrotorovej jednostatorovej topológie, ktorá znižuje zložitosť výroby a je vhodná pre automatizovanú hromadnú výrobu.Tieto motory majú hustotu výkonu až 10 kW/kg pri otáčkach 2000 až 9000 ot./min.
Pomocou špeciálneho ovládača môže poskytnúť prúd 200 kVA pre motor.Regulátor má objem približne 5 litrov a váži 5,8 kilogramu vrátane tepelného manažmentu s dielektrickým olejovým chladením, vhodný pre axiálne motory s indukčným a radiálnym tokom.
To umožňuje výrobcom pôvodného vybavenia elektrických vozidiel a vývojárom prvej úrovne flexibilne vybrať vhodný motor na základe aplikácie a dostupného priestoru.Vďaka menšej veľkosti a hmotnosti je vozidlo ľahšie a má viac batérií, čím sa zvyšuje dojazd.
5. Aplikácia elektrických motocyklov
Pre elektrické motocykle a ATV niektoré spoločnosti vyvinuli striedavé motory s axiálnym tokom.Bežne používaným dizajnom pre tento typ vozidla je dizajn s axiálnym tokom na báze jednosmernej kefy, zatiaľ čo nový produkt je AC, plne utesnený bezkefkový dizajn.
Cievky jednosmerných aj striedavých motorov zostávajú nehybné, ale dvojité rotory používajú permanentné magnety namiesto rotujúcich kotiev.Výhodou tejto metódy je, že nevyžaduje mechanické spätné otáčanie.
AC axiálna konštrukcia môže tiež používať 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 hlavná frekvencia takýchto zariadení.
Vyššia frekvencia pochádza z nižšej indukčnosti vinutia 20 µH. Frekvencia môže riadiť prúd, aby sa minimalizovalo zvlnenie prúdu a zabezpečil sa čo najhladší 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 môže pracovať pri maximálnom napätí 60 V a nie je vhodný pre systémy s vyšším napätím.Preto ho možno použiť pre elektrické motocykle a štvorkolesové vozidlá triedy L7e, ako je Renault Twizy.
Maximálne napätie 60 V umožňuje integráciu motora do bežných 48 V elektrických systémov a zjednodušuje údržbu.
Špecifikácie štvorkolesových motocyklov L7e v európskom rámcovom nariadení 2002/24/ES stanovujú, že hmotnosť vozidiel používaných na prepravu tovaru nepresahuje 600 kilogramov, bez hmotnosti batérií.Tieto vozidlá môžu prepravovať maximálne 200 kilogramov cestujúcich, maximálne 1000 kilogramov nákladu a maximálne 15 kilowattov výkonu motora.Metóda distribuovaného vinutia môže poskytnúť krútiaci moment 75-100 Nm so špičkovým výstupným výkonom 20-25 kW a trvalým výkonom 15 kW.
Výzva axiálneho toku spočíva v tom, ako medené vinutia odvádzajú teplo, čo je ťažké, pretože teplo musí prechádzať cez rotor.Distribuované vinutie je kľúčom k vyriešeniu tohto problému, pretože má veľký počet pólových slotov.Týmto spôsobom je medzi meďou a plášťom väčšia plocha a teplo sa môže prenášať von a odvádzať štandardným kvapalinovým chladiacim systémom.
Viacnásobné magnetické póly sú kľúčom k využitiu sínusových vĺn, ktoré pomáhajú znižovať harmonické.Tieto harmonické sa prejavujú ako zahrievanie magnetov a jadra, zatiaľ čo medené komponenty nedokážu teplo odviesť.Keď sa teplo akumuluje v magnetoch a železných jadrách, účinnosť klesá, a preto je optimalizácia tvaru vlny a tepelnej dráhy kľúčová pre výkon motora.
Konštrukcia motora bola optimalizovaná s cieľom znížiť náklady a dosiahnuť automatizovanú hromadnú výrobu.Extrudovaný krúžok puzdra nevyžaduje zložité mechanické spracovanie a môže znížiť náklady na materiál.Cievka môže byť priamo navinutá 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 štandardne uloženou transformátorovou oceľou, ktorú je potrebné jednoducho narezať do tvaru.Iné konštrukcie motorov vyžadujú použitie mäkkých magnetických materiálov pri laminácii jadra, čo môže byť drahšie.
Použitie distribuovaných vinutí znamená, že magnetická oceľ nemusí byť segmentovaná;Môžu mať jednoduchšie tvary a ľahšie sa vyrábajú.Zmenšenie veľkosti magnetickej ocele a zabezpečenie jej jednoduchosti výroby má významný vplyv na zníženie nákladov.
Dizajn tohto motora s axiálnym tokom môže byť tiež prispôsobený požiadavkám zákazníka.Zákazníci majú prispôsobené verzie vyvinuté okolo základného dizajnu.Potom sa vyrába na skúšobnej výrobnej linke na skoré overenie výroby, ktoré je možné replikovať v iných továrňach.
Prispôsobenie je hlavne preto, že výkon vozidla nezávisí len od konštrukcie motora s axiálnym magnetickým tokom, ale aj od kvality konštrukcie vozidla, akumulátora a BMS.
Čas odoslania: 28. septembra 2023