В сравнение с двигателите с радиален поток, двигателите с аксиален поток имат много предимства при проектирането на електрически превозни средства. Например двигателите с аксиален поток могат да променят дизайна на силовото предаване чрез преместване на двигателя от оста към вътрешността на колелата.
1.Ос на властта
Двигатели с аксиален потокполучават все по-голямо внимание (придобиват сцепление). В продължение на много години този тип двигател се използва в стационарни приложения като асансьори и селскостопански машини, но през последното десетилетие много разработчици работят за подобряване на тази технология и прилагането й в електрически мотоциклети, летищни капсули, товарни камиони, електрически превозни средства и дори самолети.
Традиционните двигатели с радиален поток използват постоянни магнити или индукционни двигатели, които са постигнали значителен напредък в оптимизирането на теглото и разходите. Те обаче срещат много трудности, за да продължат да се развиват. Аксиалният поток, напълно различен тип двигател, може да бъде добра алтернатива.
В сравнение с радиалните двигатели, ефективната магнитна повърхност на двигателите с постоянен магнит с аксиален поток е повърхността на ротора на двигателя, а не външния диаметър. Следователно, в определен обем двигател, двигателите с постоянен магнит с аксиален поток обикновено могат да осигурят по-голям въртящ момент.
Двигатели с аксиален потокса по-компактни; В сравнение с радиалните двигатели, аксиалната дължина на двигателя е много по-къса. За двигателите с вътрешни колела 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 двигателите с аксиален поток също е много висока, обикновено надхвърляща 96%. Това се дължи на по-късия, едноизмерен път на потока, който е сравним или дори по-висок по ефективност в сравнение с най-добрите 2D двигатели с радиален поток на пазара.
Дължината на двигателя е по-къса, обикновено от 5 до 8 пъти по-къса, а теглото също е намалено от 2 до 5 пъти. Тези два фактора промениха избора на дизайнерите на платформи за електрически превозни средства.
2. Технология на аксиалния поток
Има две основни топологии задвигатели с аксиален поток: единичен статор с двоен ротор (понякога наричани машини в стил тор) и двоен статор с един ротор.
Понастоящем повечето двигатели с постоянен магнит използват топология на радиалния поток. Веригата на магнитния поток започва с постоянен магнит на ротора, преминава през първия зъб на статора и след това тече радиално по протежение на статора. След това преминете през втория зъб, за да стигнете до втората магнитна стомана на ротора. В топология на аксиален поток с двоен ротор кръгът на потока започва от първия магнит, преминава аксиално през зъбите на статора и веднага достига до втория магнит.
Това означава, че пътят на потока е много по-къс от този на двигателите с радиален 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 до магнита. Магнитният поток следва двуизмерен път.
Пътят на магнитния поток на машина с аксиален магнитен поток е едноизмерен, така че може да се използва зърнеста електрическа стомана. Тази стомана улеснява преминаването на флюса, като по този начин подобрява ефективността.
Двигателите с радиален поток традиционно използват разпределени намотки, като до половината краища на намотките не функционират. Надвесът на бобината ще доведе до допълнително тегло, цена, електрическо съпротивление и повече топлинни загуби, което принуждава дизайнерите да подобрят дизайна на намотката.
Краищата на бобината надвигатели с аксиален потокса много по-малко и някои дизайни използват концентрирани или сегментирани намотки, които са напълно ефективни. За радиалните машини със сегментиран статор разкъсването на пътя на магнитния поток в статора може да доведе до допълнителни загуби, но за двигателите с аксиален поток това не е проблем. Дизайнът на намотката на бобината е ключът към разграничаването на нивото на доставчиците.
3. Развитие
Двигателите с аксиален поток са изправени пред някои сериозни предизвикателства при проектирането и производството, въпреки техните технологични предимства, разходите им са много по-високи от тези на радиалните двигатели. Хората имат много задълбочено разбиране за радиалните двигатели, а методите за производство и механичното оборудване също са лесно достъпни.
Едно от основните предизвикателства на двигателите с аксиален поток е да поддържат еднаква въздушна междина между ротора и статора, тъй като магнитната сила е много по-голяма от тази на радиалните двигатели, което затруднява поддържането на еднаква въздушна междина. Двуроторният двигател с аксиален 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.
Двигателите с аксиален поток също са трудни за производство по много причини. Машината с двоен ротор, използваща машина с двоен ротор с топология на ярем (т.е. премахване на железния ярем от статора, но запазване на железните зъби) преодолява някои от тези проблеми без разширяване на диаметъра на двигателя и магнита.
Премахването на скобата обаче носи нови предизвикателства, като например как да се фиксират и позиционират отделни зъби без механична връзка на скобата. Охлаждането също е по-голямо предизвикателство.
Също така е трудно да се произведе роторът и да се поддържа въздушната междина, тъй като дискът на ротора привлича ротора. Предимството е, че дисковете на ротора са директно свързани чрез пръстен на вала, така че силите взаимно се компенсират. 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.
Еднороторните двигатели с двоен статор не са изправени пред предизвикателствата на кръглите двигатели, но дизайнът на статора е много по-сложен и труден за постигане на автоматизация, а свързаните с това разходи също са високи. За разлика от всеки традиционен двигател с радиален поток, процесите за производство на аксиални двигатели и механичното оборудване 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 различнидвигатели с аксиален потоквинаги е било предизвикателство да се убедят производителите, че тези двигатели са подходящи за масово производство. Това накара доставчиците на аксиални двигатели да извършат сами обширни програми за валидиране, като всеки доставчик демонстрира, че тяхната надеждност на двигателя не се различава от традиционните двигатели с радиален поток.
Единственият компонент, който може да се износи вдвигател с аксиален потоке лагерите. Дължината на аксиалния магнитен поток е относително къса и позицията на лагерите е по-близка, обикновено проектирана да бъде леко „надразмерена“. За щастие, моторът с аксиален 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 двигателя с радиален поток.
Електронната ос е едно от първите приложения на аксиалните двигатели. По-тънката ширина може да капсулира двигателя и скоростната кутия в оста. При хибридни приложения по-късата аксиална дължина на двигателя на свой ред скъсява общата дължина на трансмисионната система.
Следващата стъпка е да инсталирате аксиалния двигател на колелото. По този начин мощността може директно да се предава от двигателя към колелата, подобрявайки ефективността на двигателя. Поради премахването на трансмисиите, диференциалите и задвижващите 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 платформи на превозни средства, като например поставянето на батерии.
4.1 Сегментирана арматура
Топологията на двигателя YASA (без йога и сегментирана арматура) 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.
Използвайки специален контролер, той може да осигури ток от 200 kVA за двигателя. Контролерът има обем от приблизително 5 литра и тежи 5,8 килограма, включително термично управление с диелектрично маслено охлаждане, подходящо за двигатели с аксиален поток, както и за индукционни и радиални двигатели.
Това позволява на производителите на оригинално оборудване за електрически превозни средства и разработчиците от първо ниво да избират гъвкаво 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, някои компании са разработили AC двигатели с аксиален поток. Често използваният дизайн за този тип превозно средство е дизайн с аксиален поток, базиран на DC четка, докато новият продукт е AC, напълно запечатан безчетков дизайн.
Намотките на двигателите с постоянен и променлив ток остават неподвижни, но двойните ротори използват постоянни магнити вместо въртящи се котви. Предимството на този метод е, че не изисква механично обръщане.
AC аксиалният дизайн може също да използва стандартни трифазни AC моторни 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 минимизира пулсациите на тока и да осигури възможно най-гладък синусоидален сигнал. От динамична гледна точка, това е чудесен начин за постигане на по-плавно управление на двигателя, като позволява бързи промени на въртящия момент.
Този дизайн използва разпределена двуслойна намотка, така че магнитният поток протича от ротора към друг ротор през статора, с много къс път и по-висока ефективност.
Ключът към този дизайн е, че той може да работи при максимално напрежение от 60 V и не е подходящ за системи с по-високо напрежение. Поради това може да се използва за електрически мотоциклети и четириколесни превозни средства от клас L7e като Renault Twizy.
Максималното напрежение от 60 V позволява двигателят да бъде интегриран в основни 48 V електрически системи и опростява работата по поддръжката.
Спецификациите на четириколесния мотоциклет L7e в Европейския рамков регламент 2002/24/EC предвиждат теглото на превозните средства, използвани за транспортиране на стоки, да не надвишава 600 килограма, с изключение на теглото на батериите. Тези превозни средства имат право 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 разпределената намотка може да осигури въртящ момент от 75-100 Nm, с пикова изходна мощност от 20-25 kW и непрекъсната мощност от 15 kW.
Предизвикателството на аксиалния поток се крие в това как медните намотки разсейват топлината, което е трудно, тъй като топлината трябва да премине 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 обвивката и топлината може да се пренася навън и да се отвежда от стандартна система за течно охлаждане.
Множеството магнитни полюси са ключови за използването на синусоидални вълнови форми, които помагат за намаляване на хармониците. Тези хармоници се проявяват като нагряване на магнитите и сърцевината, докато медните компоненти не могат да отнесат 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. Намотката може да бъде директно навита и се използва процес на свързване по време на процеса на навиване, за да се поддържа правилната форма на сглобяване.
Ключовият момент е, че бобината е направена от стандартна налична в търговската мрежа тел, докато желязното ядро е ламинирано със стандартна трансформаторна стомана, която просто трябва да бъде изрязана във форма. Други конструкции на двигатели изискват използването на меки магнитни материали в ламинирането на сърцевината, което може да бъде по-скъпо.
Използването на разпределени намотки означава, че не е необходимо магнитната стомана 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 има значително влияние върху намаляването на разходите.
Дизайнът на този двигател с аксиален поток също може да бъде персонализиран според изискванията на клиента. Клиентите имат персонализирани версии, разработени около основния дизайн. След това се произвежда на пробна производствена линия за ранна производствена проверка, която може да бъде възпроизведена в други фабрики.
Персонализирането е главно защото работата на превозното средство зависи не само от дизайна на двигателя с аксиален магнитен поток, но и от качеството на конструкцията на превозното средство, батерията и BMS.
Време на публикуване: 28 септември 2023 г
