В сравнение с радиалните двигатели с магнитен поток, аксиалните двигатели с магнитен поток имат много предимства в дизайна на електрическите превозни средства. Например, аксиалните двигатели с магнитен поток могат да променят дизайна на силовото предаване, като преместят двигателя от оста към вътрешната страна на колелата.
1. Ос на властта
Аксиални двигатели с магнитен потокполучават все по-голямо внимание (повишават сцеплението). В продължение на много години този тип двигател се използва в стационарни приложения като асансьори и селскостопанска техника, но през последното десетилетие много разработчици работят за подобряване на тази технология и прилагането ѝ в електрически мотоциклети, летищни капсули, товарни камиони, електрически превозни средства и дори самолети.
Традиционните радиални двигатели с магнитен поток използват постоянни магнити или индукционни двигатели, които са постигнали значителен напредък в оптимизирането на теглото и цената. Въпреки това, те се сблъскват с много трудности при продължаващото си развитие. Аксиалният двигател с магнитен поток, един напълно различен тип двигател, може да бъде добра алтернатива.
В сравнение с радиалните двигатели, ефективната магнитна повърхност на двигателите с аксиален поток и постоянен магнит е повърхността на ротора на двигателя, а не външният диаметър. Следователно, при определен обем на двигателя, двигателите с аксиален поток и постоянен магнит обикновено могат да осигурят по-голям въртящ момент.
Аксиални двигатели с магнитен потокса по-компактни; В сравнение с радиалните двигатели, аксиалната дължина на двигателя е много по-къса. За двигателите с вътрешно колело това често е решаващ фактор. Компактната структура на аксиалните двигатели осигурява по-висока плътност на мощността и плътност на въртящия момент в сравнение с подобни радиални двигатели, като по този начин елиминира необходимостта от изключително високи работни скорости.
Ефективността на аксиалните двигатели с магнитен поток също е много висока, обикновено надвишаваща 96%. Това се дължи на по-късия, едноизмерен път на магнитния поток, който е сравним или дори по-висок по ефективност в сравнение с най-добрите 2D радиални двигатели с магнитен поток на пазара.
Дължината на двигателя е по-къса, обикновено от 5 до 8 пъти, а теглото също е намалено от 2 до 5 пъти. Тези два фактора са променили избора на дизайнерите на платформи за електрически превозни средства.
2. Технология на аксиалния поток
Има две основни топологии зааксиални двигатели с магнитен поток: двоен ротор с един статор (понякога наричани машини тип тор) и еднороторни с двоен статор.
В момента повечето двигатели с постоянни магнити използват топология на радиален магнитен поток. Веригата на магнитния поток започва с постоянен магнит на ротора, преминава през първия зъб на статора и след това тече радиално по статора. След това преминава през втория зъб, за да достигне до втората магнитна стомана на ротора. При топология на аксиален магнитен поток с два ротора, контурът на магнитния поток започва от първия магнит, преминава аксиално през зъбите на статора и веднага достига до втория магнит.
Това означава, че пътят на магнитния поток е много по-къс от този на радиалните двигатели с магнитен поток, което води до по-малки обеми на двигателя, по-висока плътност на мощността и ефективност при същата мощност.
Радиален двигател, при който магнитният поток преминава през първия зъб и след това се връща към следващия зъб през статора, достигайки магнита. Магнитният поток следва двуизмерен път.
Пътят на магнитния поток на аксиална магнитна машина е едномерен, така че може да се използва електротехническа стомана с ориентирани зърна. Тази стомана улеснява преминаването на потока, като по този начин подобрява ефективността.
Радиалните двигатели с магнитен поток традиционно използват разпределени намотки, като до половината от краищата на намотката не функционират. Надвесът на намотката ще доведе до допълнително тегло, разходи, електрическо съпротивление и повече топлинни загуби, което принуждава дизайнерите да подобрят дизайна на намотките.
Краищата на бобинатааксиални двигатели с магнитен потокса много по-малко, а някои конструкции използват концентрирани или сегментирани намотки, които са напълно ефективни. При радиални машини със сегментиран статор, прекъсването на пътя на магнитния поток в статора може да доведе до допълнителни загуби, но при двигатели с аксиален поток това не е проблем. Дизайнът на намотката на бобината е ключът към разграничаването на нивото на доставчиците.
3. Развитие
Аксиалните двигатели с магнитен поток са изправени пред някои сериозни предизвикателства при проектирането и производството. Въпреки технологичните си предимства, цената им е много по-висока от тази на радиалните двигатели. Хората имат много задълбочени познания за радиалните двигатели, а производствените методи и механичното оборудване също са лесно достъпни.
Едно от основните предизвикателства при аксиалните двигатели с магнитен поток е поддържането на равномерна въздушна междина между ротора и статора, тъй като магнитната сила е много по-голяма от тази на радиалните двигатели, което затруднява поддържането на равномерна въздушна междина. Двуроторният аксиален двигател с магнитен поток също има проблеми с разсейването на топлината, тъй като намотката е разположена дълбоко в статора и между двата роторни диска, което прави разсейването на топлината много трудно.
Аксиалните двигатели с магнитен поток също са трудни за производство по много причини. Машината с два ротора, използваща топология на ярема (т.е. премахване на желязното ярем от статора, но запазване на железните зъби), преодолява някои от тези проблеми, без да се увеличава диаметърът на двигателя и магнитът.
Въпреки това, премахването на хомота носи нови предизвикателства, като например как да се фиксират и позиционират отделни зъби без механична връзка с хомота. Охлаждането също е по-голямо предизвикателство.
Също така е трудно да се произведе роторът и да се поддържа въздушната междина, тъй като роторният диск привлича ротора. Предимството е, че роторните дискове са директно свързани чрез валов пръстен, така че силите се неутрализират взаимно. Това означава, че вътрешният лагер не издържа на тези сили и единствената му функция е да държи статора в средно положение между двата роторни диска.
Двустаторните двигатели с един ротор не са изправени пред предизвикателствата на кръглите двигатели, но конструкцията на статора е много по-сложна и трудна за постигане на автоматизация, а свързаните с това разходи също са високи. За разлика от всеки традиционен двигател с радиален поток, производствените процеси и механичното оборудване на аксиалните двигатели се появиха едва наскоро.
4. Приложение на електрически превозни средства
Надеждността е от решаващо значение в автомобилната индустрия и доказването на надеждността и здравината на различнитеаксиални двигатели с магнитен потокУбеждаването на производителите, че тези двигатели са подходящи за масово производство, винаги е било предизвикателство. Това е накарало доставчиците на аксиални двигатели да провеждат самостоятелно обширни програми за валидиране, като всеки доставчик демонстрира, че надеждността на техния двигател не се различава от традиционните радиални двигатели с магнитен поток.
Единственият компонент, който може да се износи ваксиален магнитен двигателса лагерите. Дължината на аксиалния магнитен поток е сравнително къса, а позицията на лагерите е по-близо, обикновено проектирана да бъде леко „преоразмерена“. За щастие, аксиалният двигател с магнитен поток има по-малка маса на ротора и може да издържи на по-ниски динамични натоварвания на вала на ротора. Следователно, действителната сила, приложена към лагерите, е много по-малка от тази на радиалния двигател с магнитен поток.
Електронната ос е едно от първите приложения на аксиалните двигатели. По-малката ширина може да капсулира двигателя и скоростната кутия в оста. При хибридните приложения, по-късата аксиална дължина на двигателя от своя страна скъсява общата дължина на трансмисионната система.
Следващата стъпка е да се монтира аксиалният мотор на колелото. По този начин мощността може да се предава директно от мотора към колелата, подобрявайки ефективността му. Поради елиминирането на трансмисии, диференциали и карданови валове, сложността на системата също е намалена.
Изглежда обаче, че стандартните конфигурации все още не са се появили. Всеки производител на оригинално оборудване проучва специфични конфигурации, тъй като различните размери и форми на аксиалните двигатели могат да променят дизайна на електрическите превозни средства. В сравнение с радиалните двигатели, аксиалните двигатели имат по-висока плътност на мощността, което означава, че могат да се използват по-малки аксиални двигатели. Това предоставя нови възможности за проектиране на автомобилни платформи, като например разположението на батерийните пакети.
4.1 Сегментирана арматура
Топологията на двигателя YASA (Yokless and Segmented Armature - безямостен и сегментиран котвен механизъм) е пример за топология с двоен ротор и един статор, която намалява сложността на производството и е подходяща за автоматизирано масово производство. Тези двигатели имат плътност на мощността до 10 kW/kg при скорости от 2000 до 9000 об/мин.
С помощта на специален контролер, той може да осигури ток от 200 kVA за двигателя. Контролерът е с обем от приблизително 5 литра и тежи 5,8 килограма, включително термично управление с диелектрично маслено охлаждане, подходящ както за аксиални двигатели с магнитен поток, така и за индукционни и радиални двигатели с магнитен поток.
Това позволява на производителите на оригинално оборудване за електрически превозни средства и разработчиците от първо ниво гъвкаво да избират подходящия двигател въз основа на приложението и наличното пространство. По-малкият размер и тегло правят автомобила по-лек и има повече батерии, като по този начин увеличават пробега.
5. Приложение на електрически мотоциклети
За електрически мотоциклети и ATV-та някои компании са разработили променливотокови аксиални двигатели с магнитен поток. Най-често използваният дизайн за този тип превозни средства е DC четково-базирани аксиални двигатели с магнитен поток, докато новият продукт е променливотоков, напълно запечатан безчетков дизайн.
Намотките както на постояннотоковите, така и на променливотоковите двигатели остават неподвижни, но двойните ротори използват постоянни магнити вместо въртящи се котви. Предимството на този метод е, че не изисква механично обръщане.
Аксиалният AC дизайн може да използва и стандартни трифазни AC контролери за радиални двигатели. Това помага за намаляване на разходите, тъй като контролерът контролира тока на въртящия момент, а не скоростта. Контролерът изисква честота от 12 kHz или по-висока, което е основната честота на такива устройства.
По-високата честота идва от по-ниската индуктивност на намотката от 20 µH. Честотата може да контролира тока, за да се минимизират пулсациите на тока и да се осигури възможно най-плавен синусоидален сигнал. От динамична гледна точка, това е чудесен начин за постигане на по-плавно управление на двигателя, като позволява бързи промени в въртящия момент.
Този дизайн използва разпределена двуслойна намотка, така че магнитният поток тече от ротора към друг ротор през статора, с много кратък път и по-висока ефективност.
Ключът към този дизайн е, че може да работи при максимално напрежение от 60 V и не е подходящ за системи с по-високо напрежение. Следователно, може да се използва за електрически мотоциклети и четириколесни превозни средства от клас L7e, като например Renault Twizy.
Максималното напрежение от 60 V позволява интегрирането на двигателя в основни 48 V електрически системи и опростява работата по поддръжката.
Спецификациите за четириколесни мотоциклети L7e в Европейския рамков регламент 2002/24/ЕО постановяват, че теглото на превозните средства, използвани за превоз на товари, не надвишава 600 килограма, без теглото на батериите. Тези превозни средства могат да превозват не повече от 200 килограма пътници, не повече от 1000 килограма товари и не повече от 15 киловата мощност на двигателя. Методът на разпределено навиване може да осигури въртящ момент от 75-100 Nm, с пикова изходна мощност от 20-25 kW и постоянна мощност от 15 kW.
Предизвикателството на аксиалния поток се състои в това как медните намотки разсейват топлината, което е трудно, защото топлината трябва да преминава през ротора. Разпределената намотка е ключът към решаването на този проблем, тъй като има голям брой полюсни слотове. По този начин има по-голяма повърхност между медта и корпуса и топлината може да се пренася навън и да се отвежда чрез стандартна система за течно охлаждане.
Множеството магнитни полюси са ключови за използването на синусоидални форми на вълните, които спомагат за намаляване на хармониците. Тези хармоници се проявяват като нагряване на магнитите и сърцевината, докато медните компоненти не могат да отвеждат топлината. Когато топлината се натрупва в магнитите и железните сърцевини, ефективността намалява, поради което оптимизирането на формата на вълната и топлинния път е от решаващо значение за работата на двигателя.
Дизайнът на двигателя е оптимизиран за намаляване на разходите и постигане на автоматизирано масово производство. Екструдираният корпусен пръстен не изисква сложна механична обработка и може да намали разходите за материали. Бобината може да се навива директно, като по време на процеса на навиване се използва процес на свързване, за да се поддържа правилната форма на сглобката.
Ключовият момент е, че бобината е изработена от стандартна, предлагана в търговската мрежа тел, докато желязната сърцевина е ламинирана със стандартна трансформаторна стомана, която просто трябва да се нареже във форма. Други конструкции на двигатели изискват използването на меки магнитни материали при ламинирането на сърцевината, което може да е по-скъпо.
Използването на разпределени намотки означава, че магнитната стомана не е необходимо да бъде сегментирана; те могат да бъдат с по-прости форми и по-лесни за производство. Намаляването на размера на магнитната стомана и осигуряването на лекота на нейното производство оказва значително влияние върху намаляването на разходите.
Дизайнът на този аксиален двигател с магнитен поток може да бъде персонализиран според изискванията на клиента. Клиентите получават персонализирани версии, разработени въз основа на основния дизайн. След това те се произвеждат на пробна производствена линия за ранна проверка на производството, която може да бъде възпроизведена в други фабрики.
Персонализирането е главно защото производителността на превозното средство зависи не само от дизайна на аксиалния магнитен двигател, но и от качеството на конструкцията на превозното средство, батерията и системата за управление на сградата (BMS).
Време на публикуване: 28 септември 2023 г.
