Порівняно з радіально-флюсовими двигунами, аксіально-флюсові двигуни мають багато переваг у конструкції електромобілів. Наприклад, аксіально-флюсові двигуни можуть змінити конструкцію силового агрегату, перемістивши двигун з осі всередину коліс.
1. Вісь влади
Аксіальні двигуни з магнітним потокомпривертають дедалі більшу увагу (посилення тяги). Протягом багатьох років цей тип двигуна використовувався у стаціонарних пристроях, таких як ліфти та сільськогосподарська техніка, але протягом останнього десятиліття багато розробників працювали над удосконаленням цієї технології та застосуванням її в електричних мотоциклах, аеропортових капсулах, вантажних автомобілях, електромобілях і навіть літаках.
Традиційні радіально-флюсодвигуни використовують постійні магніти або асинхронні двигуни, які досягли значного прогресу в оптимізації ваги та вартості. Однак вони стикаються з багатьма труднощами в подальшому розвитку. Аксіально-флюсодвигуни, зовсім інший тип двигуна, можуть бути гарною альтернативою.
Порівняно з радіальними двигунами, ефективна площа магнітної поверхні двигунів з аксіальним потоком і постійними магнітами дорівнює поверхні ротора двигуна, а не зовнішньому діаметру. Тому в певному об'ємі двигуна двигуни з аксіальним потоком і постійними магнітами зазвичай можуть забезпечити більший крутний момент.
Аксіальні двигуни з магнітним потокомє компактнішими; порівняно з радіальними двигунами, осьова довжина двигуна значно коротша. Для двигунів внутрішнього розташування коліс це часто є вирішальним фактором. Компактна структура осьових двигунів забезпечує вищу щільність потужності та щільність крутного моменту, ніж у аналогічних радіальних двигунів, тим самим усуваючи необхідність надзвичайно високих робочих швидкостей.
ККД аксіальних двигунів з потоком також дуже високий, зазвичай перевищуючи 96%. Це завдяки коротшому одновимірному шляху потоку, який за ефективністю порівнянний або навіть вищий порівняно з найкращими двовимірними радіальними двигунами з потоком на ринку.
Довжина двигуна коротша, зазвичай у 5-8 разів, а вага також зменшується у 2-5 разів. Ці два фактори змінили вибір конструкторів платформи електромобілів.
2. Технологія осьового потоку
Існує дві основні топології дляосьові двигуни з магнітним потоком: двороторні одностаторні машини (іноді їх називають машинами торового типу) та однороторні двостаторні машини.
Наразі більшість двигунів з постійними магнітами використовують радіальну топологію потоку. Контур магнітного потоку починається з постійного магніту на роторі, проходить через перший зубець статора, а потім радіально тече вздовж статора. Потім проходить через другий зубець, щоб досягти другої магнітної сталі на роторі. У топології аксіального потоку з двома роторами петля потоку починається від першого магніту, проходить аксіально через зубці статора та одразу досягає другого магніту.
Це означає, що шлях потоку набагато коротший, ніж у радіальних двигунів з потоком, що призводить до менших об'ємів двигуна, вищої щільності потужності та ефективності за тієї ж потужності.
Радіальний двигун, де магнітний потік проходить через перший зубець, а потім повертається до наступного зубця через статор, досягаючи магніту. Магнітний потік рухається двовимірною траєкторією.
Шлях магнітного потоку аксіальної магнітної машини є одновимірним, тому можна використовувати електротехнічну сталь з орієнтованим зерном. Ця сталь полегшує проходження потоку, тим самим підвищуючи ефективність.
У радіально-потокових двигунах традиційно використовуються розподілені обмотки, при цьому до половини кінців обмотки не функціонують. Виступ котушки призведе до збільшення ваги, вартості, електричного опору та більших втрат тепла, що змушує розробників удосконалювати конструкцію обмотки.
Кінці котушкиосьові двигуни з магнітним потокомнабагато менші, а в деяких конструкціях використовуються зосереджені або сегментовані обмотки, які є повністю ефективними. Для машин із сегментованим статором радіального типу розрив шляху магнітного потоку в статорі може призвести до додаткових втрат, але для двигунів з аксіальним потоком це не є проблемою. Конструкція обмотки котушки є ключем до розрізнення рівня постачальників.
3. Розвиток
Аксіальні двигуни з магнітним потоком стикаються з деякими серйозними проблемами в проектуванні та виробництві, незважаючи на їхні технологічні переваги, їхня вартість набагато вища, ніж у радіальних двигунів. Люди мають дуже глибоке розуміння радіальних двигунів, а методи виробництва та механічне обладнання також легкодоступні.
Однією з головних проблем аксіальних двигунів з магнітним потоком є підтримка рівномірного повітряного зазору між ротором і статором, оскільки магнітна сила набагато більша, ніж у радіальних двигунів, що ускладнює підтримку рівномірного повітряного зазору. Двороторний аксіальний двигун з магнітним потоком також має проблеми з розсіюванням тепла, оскільки обмотка розташована глибоко в статорі та між двома дисками ротора, що дуже ускладнює розсіювання тепла.
Аксіальні двигуни з магнітним потоком також складні у виробництві з багатьох причин. Двороторна машина з використанням двороторної машини з топологією ярма (тобто видалення залізного ярма зі статора, але збереження залізних зубців) долає деякі з цих проблем без збільшення діаметра двигуна та магніту.
Однак, видалення ярма створює нові труднощі, такі як фіксація та позиціонування окремих зубів без механічного з'єднання ярма. Охолодження також є більшою проблемою.
Також важко виготовити ротор та підтримувати повітряний зазор, оскільки диск ротора притягує ротор. Перевага полягає в тому, що диски ротора безпосередньо з'єднані через кільце вала, тому сили взаємно компенсують одна одну. Це означає, що внутрішній підшипник не витримує цих сил, і його єдина функція полягає в тому, щоб утримувати статор у середньому положенні між двома дисками ротора.
Однороторні двигуни з двома статорами не стикаються з проблемами круглих двигунів, але конструкція статора набагато складніша та важча для досягнення автоматизації, а пов'язані з цим витрати також високі. На відміну від будь-якого традиційного радіального двигуна з потоком, виробничі процеси та механічне обладнання для осьових двигунів з'явилися лише нещодавно.
4. Застосування електромобілів
Надійність має вирішальне значення в автомобільній промисловості, і доказ надійності та стійкості різнихосьові двигуни з магнітним потокомПереконати виробників у тому, що ці двигуни придатні для масового виробництва, завжди було складним завданням. Це спонукало постачальників осьових двигунів самостійно проводити масштабні програми валідації, причому кожен постачальник демонстрував, що надійність його двигуна нічим не відрізняється від традиційних радіальних двигунів з магнитним потоком.
Єдиний компонент, який може зношуватися восьовий двигун потоку– це підшипники. Довжина осьового магнітного потоку відносно коротка, а розташування підшипників ближче, зазвичай вони спроектовані з дещо «завищеними розмірами». На щастя, двигун з осьовим магнітним потоком має меншу масу ротора та може витримувати менші динамічні навантаження на вал ротора. Тому фактична сила, що прикладається до підшипників, набагато менша, ніж у двигуна з радіальним магнітним потоком.
Електронна вісь є одним із перших застосувань осьових двигунів. Менша ширина дозволяє інкапсулювати двигун і коробку передач в осі. У гібридних застосуваннях менша осьова довжина двигуна, у свою чергу, скорочує загальну довжину системи передачі.
Наступний крок – встановлення осьового двигуна на колесо. Таким чином, потужність може передаватися безпосередньо від двигуна до коліс, що підвищує ефективність двигуна. Завдяки відсутності трансмісій, диференціалів та карданних валів, складність системи також зменшилася.
Однак, схоже, що стандартні конфігурації ще не з'явилися. Кожен виробник оригінального обладнання досліджує конкретні конфігурації, оскільки різні розміри та форми осьових двигунів можуть змінити конструкцію електромобілів. Порівняно з радіальними двигунами, осьові двигуни мають вищу щільність потужності, що означає можливість використання менших осьових двигунів. Це надає нові можливості конструювання для платформ транспортних засобів, такі як розміщення акумуляторних блоків.
4.1 Сегментований арматурний елемент
Топологія двигуна YASA (Yokeless and Segmented Armature - безярмовий двигун із сегментованим якорем) є прикладом топології з двома роторами та одним статором, що зменшує складність виробництва та підходить для автоматизованого масового виробництва. Ці двигуни мають щільність потужності до 10 кВт/кг при швидкостях від 2000 до 9000 об/хв.
Використовуючи спеціалізований контролер, він може забезпечити струм для двигуна 200 кВА. Контролер має об'єм приблизно 5 літрів і важить 5,8 кілограма, включаючи систему терморегуляції з діелектричним масляним охолодженням, що підходить як для аксіальних, так і для асинхронних та радіальних двигунів з потоком.
Це дозволяє виробникам оригінального обладнання для електромобілів та розробникам першого рівня гнучко вибирати відповідний двигун залежно від застосування та наявного простору. Менший розмір і вага роблять автомобіль легшим і мають більше акумуляторів, тим самим збільшуючи запас ходу.
5. Застосування електричних мотоциклів
Для електричних мотоциклів та всюдиходів деякі компанії розробили двигуни змінного струму з аксіальним потоком. Найчастіше для цього типу транспортних засобів використовуються щіткові двигуни постійного струму з аксіальним потоком, тоді як новий продукт — це повністю герметична безщіткова конструкція змінного струму.
Котушки двигунів постійного та змінного струму залишаються нерухомими, але подвійні ротори використовують постійні магніти замість обертових якорів. Перевагою цього методу є те, що він не вимагає механічного реверсування.
Аксіальна конструкція змінного струму також може використовувати стандартні трифазні контролери двигунів змінного струму для радіальних двигунів. Це допомагає знизити витрати, оскільки контролер контролює струм крутного моменту, а не швидкість. Контролеру потрібна частота 12 кГц або вище, що є основною частотою таких пристроїв.
Вища частота досягається завдяки меншій індуктивності обмотки 20 мкГн. Частота може контролювати струм, мінімізуючи пульсації струму та забезпечуючи максимально плавний синусоїдальний сигнал. З динамічної точки зору, це чудовий спосіб досягти плавнішого керування двигуном, дозволяючи швидко змінювати крутний момент.
У цій конструкції використовується розподілена двошарова обмотка, тому магнітний потік перетікає від ротора до іншого ротора через статор, з дуже коротким шляхом та вищою ефективністю.
Ключова особливість цієї конструкції полягає в тому, що вона може працювати при максимальній напрузі 60 В і не підходить для систем вищої напруги. Тому її можна використовувати для електричних мотоциклів та чотириколісних транспортних засобів класу L7e, таких як Renault Twizy.
Максимальна напруга 60 В дозволяє інтегрувати двигун у основні електричні системи 48 В та спрощує технічне обслуговування.
Специфікації чотириколісних мотоциклів L7e в Європейському рамковому регламенті 2002/24/ЄС передбачають, що вага транспортних засобів, що використовуються для перевезення вантажів, не перевищує 600 кілограмів, без урахування ваги акумуляторів. Ці транспортні засоби дозволяють перевозити не більше 200 кілограмів пасажирів, не більше 1000 кілограмів вантажу та не більше 15 кіловат потужності двигуна. Метод розподіленого намотування може забезпечити крутний момент 75-100 Нм, з піковою вихідною потужністю 20-25 кВт та постійною потужністю 15 кВт.
Проблема осьового потоку полягає в тому, як мідні обмотки розсіюють тепло, що є складним завданням, оскільки тепло має проходити через ротор. Розподілена обмотка є ключем до вирішення цієї проблеми, оскільки вона має велику кількість полюсних пазів. Таким чином, між міддю та оболонкою є більша площа поверхні, і тепло може передаватися назовні та відводитися за допомогою стандартної системи рідинного охолодження.
Кілька магнітних полюсів є ключовими для використання синусоїдальних форм хвиль, що допомагає зменшити гармоніки. Ці гармоніки проявляються у вигляді нагрівання магнітів та осердя, тоді як мідні компоненти не можуть відводити тепло. Коли тепло накопичується в магнітах та залізних осердях, ефективність знижується, тому оптимізація форми хвилі та теплового шляху має вирішальне значення для роботи двигуна.
Конструкцію двигуна було оптимізовано для зниження витрат та досягнення автоматизованого масового виробництва. Екструдоване кільце корпусу не потребує складної механічної обробки та може зменшити витрати на матеріали. Котушку можна намотувати безпосередньо, а під час намотування використовується процес склеювання для збереження правильної форми складання.
Ключовим моментом є те, що котушка виготовлена зі стандартного комерційно доступного дроту, тоді як залізний сердечник ламінований стандартною трансформаторною сталлю, яку просто потрібно обрізати у форму. Інші конструкції двигунів вимагають використання м’яких магнітних матеріалів для ламінування сердечника, що може бути дорожчим.
Використання розподілених обмоток означає, що магнітну сталь не потрібно сегментувати; вона може бути простішої форми та легшою у виробництві. Зменшення розміру магнітної сталі та забезпечення простоти її виготовлення суттєво впливає на зниження витрат.
Конструкцію цього аксіального двигуна з плавним перетворенням також можна налаштувати відповідно до вимог замовника. Клієнти отримують індивідуальні версії, розроблені на основі базової конструкції. Потім вони виготовляються на пробній виробничій лінії для ранньої перевірки виробництва, яку можна відтворити на інших заводах.
Налаштування відбувається головним чином тому, що продуктивність транспортного засобу залежить не лише від конструкції осьового магнітного двигуна, але й від якості конструкції транспортного засобу, акумуляторної батареї та системи управління будівництвом (BMS).
Час публікації: 28 вересня 2023 р.
