Порівняно з двигунами з радіальним потоком двигуни з осьовим потоком мають багато переваг у конструкції електромобілів. Наприклад, двигуни з осьовим потоком можуть змінити конструкцію трансмісії, перемістивши двигун від осі до внутрішньої частини коліс.
1.Вісь влади
Двигуни з аксіальним потокомотримують все більше уваги (набувають тяги). Протягом багатьох років цей тип двигуна використовувався в стаціонарних установках, таких як ліфти та сільськогосподарська техніка, але протягом останнього десятиліття багато розробників працювали над удосконаленням цієї технології та застосували її в електричних мотоциклах, аеропортових капсулах, вантажних автомобілях, електричних транспортних засобів і навіть літаків.
Традиційні двигуни з радіальним потоком використовують постійні магніти або асинхронні двигуни, які досягли значного прогресу в оптимізації ваги та вартості. Однак вони стикаються з багатьма труднощами, щоб продовжити розвиток. Хорошою альтернативою може стати аксіальний флюс, зовсім інший тип двигуна.
У порівнянні з радіальними двигунами ефективна площа магнітної поверхні двигунів з постійним магнітом з осьовим потоком дорівнює поверхні ротора двигуна, а не зовнішньому діаметру. Тому в певному об’ємі двигуна двигуни з постійними магнітами з осьовим потоком зазвичай можуть забезпечити більший крутний момент.
Двигуни з аксіальним потокомбільш компактні; Порівняно з радіальними двигунами осьова довжина двигуна значно менша. Для внутрішніх колісних двигунів це часто є вирішальним фактором. Компактна структура аксіальних двигунів забезпечує більш високу щільність потужності та щільність крутного моменту, ніж аналогічні радіальні двигуни, таким чином усуваючи потребу в надзвичайно високих робочих швидкостях.
ККД двигунів з осьовим потоком також дуже високий, зазвичай перевищує 96%. Це завдяки коротшому одновимірному шляху потоку, який порівнянний або навіть вищий за ефективністю порівняно з найкращими двовимірними двигунами з радіальним потоком на ринку.
Довжина двигуна менша, зазвичай у 5-8 разів коротша, а вага також зменшена у 2-5 разів. Ці два фактори змінили вибір дизайнерів платформи для електромобілів.
2. Технологія осьового потоку
Існує дві основні топології длядвигуни з аксіальним потоком: подвійний ротор з одним статором (іноді їх називають машинами типу тор) і однороторний подвійний статор.
В даний час більшість двигунів з постійними магнітами використовують топологію радіального потоку. Магнітний потік починається з постійного магніту на роторі, проходить через перший зуб на статорі, а потім тече радіально вздовж статора. Потім пройдіть через другий зуб, щоб дістатися до другої магнітної сталі на роторі. У топології осьового потоку з двома роторами петля потоку починається від першого магніту, проходить аксіально через зубці статора й одразу досягає другого магніту.
Це означає, що шлях потоку набагато коротший, ніж у двигунів з радіальним потоком, що призводить до менших об’ємів двигуна, вищої щільності потужності та ефективності при тій самій потужності.
Радіальний двигун, де магнітний потік проходить через перший зубець, а потім повертається до наступного зубця через статор, досягаючи магніту. Магнітний потік має двовимірний шлях.
Шлях магнітного потоку машини з осьовим магнітним потоком є одновимірним, тому можна використовувати орієнтовану електротехнічну сталь. Ця сталь полегшує проходження флюсу, тим самим підвищуючи ефективність.
Двигуни з радіальним потоком традиційно використовують розподілені обмотки, при цьому до половини кінців обмотки не працюють. Нависання змійовика призведе до додаткової ваги, вартості, електричного опору та більших втрат тепла, що змусить дизайнерів покращити конструкцію обмотки.
Кінці котушкидвигуни з аксіальним потокомнабагато менше, а в деяких конструкціях використовуються зосереджені або сегментовані обмотки, які є цілком ефективними. Для радіальних машин із сегментованим статором розрив шляху магнітного потоку в статорі може призвести до додаткових втрат, але для двигунів з осьовим потоком це не проблема. Конструкція обмотки котушки є ключем до розрізнення рівня постачальників.
3. Розвиток
Двигуни з аксіальним потоком стикаються з деякими серйозними проблемами при проектуванні та виробництві, незважаючи на їх технологічні переваги, їх вартість набагато вища, ніж у радіальних двигунів. Люди мають дуже глибоке уявлення про радіальні двигуни, а також доступні методи виробництва та механічне обладнання.
Однією з головних проблем двигунів з осьовим потоком є підтримання 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 також має проблеми з розсіюванням тепла, оскільки обмотка розташована глибоко в статорі та між двома дисками ротора, що дуже ускладнює розсіювання тепла.
Двигуни з осьовим потоком також важко виготовити з багатьох причин. Машина з подвійним ротором, що використовує машину з двома роторами 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 хомута приносить нові проблеми, наприклад, як виправити та розташувати окремі зуби без механічного з’єднання хомута. Охолодження також є більш складним завданням.
Також важко виготовити ротор і підтримувати повітряний зазор, оскільки диск ротора притягує ротор. Перевага полягає в тому, що диски ротора безпосередньо з’єднані через кільце вала, тому сили компенсують одна одну. Це означає, що внутрішній підшипник не витримує цих сил, і його єдина функція полягає в утриманні статора в середньому положенні між двома дисками ротора.
Однороторні двигуни з подвійним статором не стикаються з проблемами циркулярних двигунів, але конструкція статора є набагато складнішою, і її важко автоматизувати, а пов’язані з цим витрати також високі. На відміну від будь-якого традиційного двигуна з радіальним потоком, процеси виробництва осьового двигуна та механічне обладнання з’явилися лише нещодавно.
4. Застосування електромобілів
Надійність має вирішальне значення в автомобільній промисловості, і доведення надійності та міцності різнедвигуни з аксіальним потокомПереконати виробників, що ці двигуни придатні для масового виробництва, завжди було складним завданням. Це спонукало постачальників осьових двигунів самостійно проводити широкі програми перевірки, при цьому кожен постачальник демонстрував, що надійність їх двигунів не відрізняється від традиційних двигунів з радіальним потоком.
Єдиний компонент, який може зношуватися вдвигун з осьовим потокомце підшипники. Довжина осьового магнітного потоку є відносно короткою, а положення підшипників ближче, зазвичай розроблене таким чином, щоб бути трохи «завищеним». На щастя, двигун з осьовим потоком має меншу масу ротора і може витримувати менші динамічні навантаження на вал ротора. Тому фактична сила, прикладена до підшипників, набагато менша, ніж у двигуна з радіальним потоком.
Електронна вісь є одним із перших застосувань осьових двигунів. Менша ширина може вмістити двигун і коробку передач у вісь. У гібридних системах менша осьова довжина двигуна, у свою чергу, скорочує загальну довжину трансмісійної системи.
Наступним кроком буде установка осьового двигуна на колесо. Таким чином, потужність може передаватися безпосередньо від двигуна до коліс, підвищуючи ефективність двигуна. Завдяки виключенню трансмісій, диференціалів і карданних валів складність системи також була зменшена.
Однак стандартних конфігурацій, схоже, ще не з'явилося. 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, що можна використовувати менші осьові двигуни. Це надає нові варіанти дизайну для платформ транспортних засобів, наприклад розміщення акумуляторних блоків.
4.1 Сегментована арматура
Топологія двигуна YASA (без ярм і сегментованих арматур) є прикладом топології з подвійним ротором і одним статором, яка зменшує складність виробництва та підходить для автоматизованого масового виробництва. Ці двигуни мають питому потужність до 10 кВт/кг при швидкості від 2000 до 9000 об/хв.
Використовуючи спеціальний контролер, він може забезпечити струм 200 кВА для двигуна. Контролер має об’єм приблизно 5 літрів і вагу 5,8 кілограма, включаючи терморегулятор з діелектричним масляним охолодженням, підходить для аксіальних двигунів, а також для асинхронних і радіальних двигунів.
Це дозволяє виробникам оригінального обладнання для електромобілів і розробникам першого рівня гнучко вибирати відповідний двигун на основі застосування та доступного простору. Менший розмір і вага роблять транспортний засіб легшим і мають більше акумуляторів, тим самим збільшуючи запас ходу.
5. Застосування електромотоциклів
Для електричних мотоциклів і квадроциклів деякі компанії розробили двигуни змінного струму з осьовим потоком. Конструкція, яка зазвичай використовується для цього типу транспортного засобу, — це конструкція осьового потоку зі щітками постійного струму, тоді як новий продукт — це повністю герметична безщіточна 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.
Осьова 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. Для контролера потрібна частота 12 кГц або вище, що є основною частотою таких пристроїв.
Вища частота походить від меншої індуктивності обмотки 20 мкГн. Частота може контролювати струм, щоб мінімізувати пульсації струму та забезпечити максимально плавний синусоїдальний сигнал. З динамічної точки зору, це чудовий спосіб досягти більш плавного керування двигуном завдяки швидкій зміні крутного моменту.
Ця конструкція використовує розподілену двошарову обмотку, тому магнітний потік тече від ротора до іншого ротора через статор з дуже коротким шляхом і вищою ефективністю.
Ключ до цієї конструкції полягає в тому, що вона може працювати при максимальній напрузі 60 В і не підходить для систем з високою напругою. Тому його можна використовувати для електричних мотоциклів і чотириколісних транспортних засобів класу L7e, таких як Renault Twizy.
Максимальна напруга 60 В дозволяє інтегрувати двигун в основні електричні системи 48 В і спрощує технічне обслуговування.
Специфікації чотириколісних мотоциклів L7e у Європейському рамковому регламенті 2002/24/EC передбачають, що вага транспортних засобів, які використовуються для транспортування вантажів, не перевищує 600 кілограмів, за винятком ваги акумуляторів. У цих транспортних засобах дозволено перевозити не більше 200 кілограмів пасажирів, не більше 1000 кілограмів вантажів і потужність двигуна не більше 15 кіловат. Спосіб розподіленої обмотки може забезпечити крутний момент 75-100 Нм, з піковою вихідною потужністю 20-25 кВт і постійною потужністю 15 кВт.
Проблема осьового потоку полягає в тому, як мідні обмотки розсіюють тепло, що важко, оскільки тепло має проходити через ротор. Розподілена обмотка є ключем до вирішення цієї проблеми, оскільки має велику кількість полюсних пазів. Таким чином, між міддю та оболонкою з’являється більша площа поверхні, і тепло може передаватися назовні та відводитися за допомогою стандартної рідинної системи охолодження.
Кілька магнітних полюсів є ключовими для використання синусоїдальних форм хвиль, які допомагають зменшити гармоніки. Ці гармоніки проявляються в нагріванні магнітів і сердечника, а мідні компоненти не можуть відводити тепло. Коли тепло накопичується в магнітах і залізних сердечниках, ефективність знижується, тому оптимізація форми хвилі та теплового шляху має вирішальне значення для роботи двигуна.
Конструкцію двигуна було оптимізовано для зниження витрат і досягнення автоматизованого масового виробництва. Екструдоване корпусне кільце не вимагає складної механічної обробки і дозволяє знизити витрати на матеріал. Котушку можна намотувати безпосередньо, а під час намотування використовується процес склеювання для підтримки правильної форми збірки.
Ключовим моментом є те, що котушка виготовлена зі стандартного комерційно доступного дроту, тоді як залізний сердечник ламінований стандартною трансформаторною сталлю, яку потрібно просто нарізати. 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; Вони можуть мати простішу форму і легші у виготовленні. Зменшення розміру магнітної сталі та забезпечення простоти її виготовлення значно впливає на зниження витрат.
Конструкцію цього двигуна з осьовим потоком також можна налаштувати відповідно до вимог замовника. Клієнти мають індивідуальні версії, розроблені на основі базового дизайну. Потім виготовляється на пробній виробничій лінії для ранньої перевірки виробництва, яку можна відтворити на інших фабриках.
Налаштування відбувається головним чином тому, що продуктивність транспортного засобу залежить не лише від конструкції двигуна осьового магнітного потоку, а й від якості конструкції автомобіля, акумуляторної батареї та BMS.
Час публікації: 28 вересня 2023 р
