Jämfört med radialflödesmotorer har axialflödesmotorer många fördelar inom elfordonsdesign. Till exempel kan axialflödesmotorer ändra drivlinans design genom att flytta motorn från axeln till insidan av hjulen.
1. Maktens axel
Axialflödesmotorerfår allt större uppmärksamhet (förstärker dragkraft). I många år har denna typ av motor använts i stationära applikationer som hissar och jordbruksmaskiner, men under det senaste decenniet har många utvecklare arbetat med att förbättra denna teknik och tillämpa den på elmotorcyklar, flygplatspodar, lastbilar, elfordon och till och med flygplan.
Traditionella radialfluxmotorer använder permanentmagneter eller induktionsmotorer, vilka har gjort betydande framsteg när det gäller att optimera vikt och kostnad. De möter dock många svårigheter i fortsatt utveckling. Axialflux, en helt annan typ av motor, kan vara ett bra alternativ.
Jämfört med radialmotorer är den effektiva magnetiska ytan hos axialflödespermanentmagnetmotorer motorrotorns yta, inte ytterdiametern. Därför kan axialflödespermanentmagnetmotorer vanligtvis ge högre vridmoment i en viss motorvolym.
Axialflödesmotorerär mer kompakta; Jämfört med radialmotorer är motorns axiella längd mycket kortare. För motorer med invändig hjulupphängning är detta ofta en avgörande faktor. Den kompakta strukturen hos axialmotorer säkerställer högre effekttäthet och momenttäthet än liknande radialmotorer, vilket eliminerar behovet av extremt höga driftshastigheter.
Verkningsgraden hos axialflödesmotorer är också mycket hög, vanligtvis över 96 %. Detta beror på den kortare, endimensionella flödesvägen, som är jämförbar med eller till och med högre i verkningsgrad jämfört med de bästa 2D-radialflödesmotorerna på marknaden.
Motorns längd är kortare, vanligtvis 5 till 8 gånger kortare, och vikten minskar också med 2 till 5 gånger. Dessa två faktorer har förändrat valet av konstruktörer av elfordonsplattformar.
2. Axial fluxteknik
Det finns två huvudtopologier föraxiella flödesmotorer: dubbelrotor med enkel stator (ibland kallade torusmaskiner) och enkelrotor med dubbel stator.
För närvarande använder de flesta permanentmagnetmotorer radiell flödestopologi. Magnetflödeskretsen börjar med en permanentmagnet på rotorn, passerar genom den första tanden på statorn och flyter sedan radiellt längs statorn. Passerar sedan genom den andra tanden för att nå det andra magnetiska stålet på rotorn. I en axiell flödestopologi med dubbla rotorer börjar flödesslingan från den första magneten, passerar axiellt genom statortänderna och når omedelbart den andra magneten.
Detta innebär att flödesvägen är mycket kortare än för radiella flödesmotorer, vilket resulterar i mindre motorvolymer, högre effekttäthet och verkningsgrad vid samma effekt.
En radialmotor, där magnetflödet passerar genom den första tanden och sedan återvänder till nästa tand genom statorn och når magneten. Magnetflödet följer en tvådimensionell bana.
Den magnetiska flödesbanan för en axiell magnetisk flödesmaskin är endimensionell, så kornorienterat elektrostål kan användas. Detta stål gör det lättare för flödet att passera igenom, vilket förbättrar effektiviteten.
Radialflödesmotorer använder traditionellt distribuerade lindningar, där upp till hälften av lindningsändarna inte fungerar. Spolöverhänget kommer att resultera i extra vikt, kostnad, elektriskt motstånd och mer värmeförlust, vilket tvingar konstruktörer att förbättra lindningsdesignen.
Spolens ändaraxiella flödesmotorerär mycket färre, och vissa konstruktioner använder koncentrerade eller segmenterade lindningar, vilka är helt effektiva. För segmenterade statormotorer med radial stator kan brott i den magnetiska flödesbanan i statorn medföra ytterligare förluster, men för axialflödesmotorer är detta inte ett problem. Spollindningens design är nyckeln till att skilja på leverantörsnivån.
3. Utveckling
Axialflödesmotorer står inför allvarliga utmaningar i design och produktion, och trots sina tekniska fördelar är deras kostnader betydligt högre än radialmotorers. Människor har en mycket grundlig förståelse för radialmotorer, och tillverkningsmetoder och mekanisk utrustning är också lättillgängliga.
En av de största utmaningarna med axialflödesmotorer är att upprätthålla ett jämnt luftgap mellan rotorn och statorn, eftersom den magnetiska kraften är mycket större än den för radialmotorer, vilket gör det svårt att upprätthålla ett jämnt luftgap. Axialflödesmotorn med dubbla rotorer har också problem med värmeavledning, eftersom lindningen är placerad djupt inne i statorn och mellan de två rotorskivorna, vilket gör värmeavledningen mycket svår.
Axialflödesmotorer är också svåra att tillverka av många anledningar. En dubbelrotormaskin som använder en dubbelrotormaskin med en oktopologi (dvs. att ta bort järnoket från statorn men behålla järntänderna) övervinner några av dessa problem utan att expandera motordiametern och magneten.
Att ta bort oket medför dock nya utmaningar, såsom hur man fixerar och positionerar enskilda tänder utan en mekanisk oketkoppling. Kylning är också en större utmaning.
Det är också svårt att tillverka rotorn och bibehålla luftgapet, eftersom rotorskivan attraherar rotorn. Fördelen är att rotorskivorna är direkt sammankopplade via en axelring, så krafterna tar ut varandra. Det innebär att det inre lagret inte motstår dessa krafter, och dess enda funktion är att hålla statorn i mittläget mellan de två rotorskivorna.
Dubbelstatormotorer med enkel rotor möter inte utmaningarna med cirkulära motorer, men statorns design är mycket mer komplex och svårare att uppnå automatisering, och de relaterade kostnaderna är också höga. Till skillnad från traditionella radialflödesmotorer har tillverkningsprocesser och mekanisk utrustning för axialmotorer först nyligen uppstått.
4. Användning av elfordon
Tillförlitlighet är avgörande inom bilindustrin, och att bevisa tillförlitligheten och robustheten hos olikaaxiella flödesmotorerAtt övertyga tillverkare om att dessa motorer är lämpliga för massproduktion har alltid varit en utmaning. Detta har lett till att leverantörer av axialmotorer har genomfört omfattande valideringsprogram på egen hand, där varje leverantör visar att deras motortillförlitlighet inte skiljer sig från traditionella radialfluxmotorer.
Den enda komponenten som kan slitas ut i enaxialflödesmotorär lagren. Längden på det axiella magnetiska flödet är relativt kort, och lagrens position är närmare varandra, vanligtvis konstruerad för att vara något "överdimensionerad". Lyckligtvis har axialflödesmotorn en mindre rotormassa och kan motstå lägre dynamiska axelbelastningar från rotorn. Därför är den faktiska kraften som appliceras på lagren mycket mindre än den för radialflödesmotorn.
Elektroniska axlar är en av de första tillämpningarna av axialmotorer. Den tunnare bredden kan inkapsla motorn och växellådan i axeln. I hybridapplikationer förkortar motorns kortare axiella längd i sin tur transmissionssystemets totala längd.
Nästa steg är att installera axialmotorn på hjulet. På så sätt kan kraft överföras direkt från motorn till hjulen, vilket förbättrar motorns effektivitet. Genom att eliminera transmissioner, differentialer och drivaxlar har systemets komplexitet också minskats.
Det verkar dock som att standardkonfigurationer ännu inte har dykt upp. Varje originalutrustningstillverkare undersöker specifika konfigurationer, eftersom de olika storlekarna och formerna på axialmotorer kan förändra designen av elfordon. Jämfört med radialmotorer har axialmotorer en högre effekttäthet, vilket innebär att mindre axialmotorer kan användas. Detta ger nya designalternativ för fordonsplattformar, såsom placering av batteripaket.
4.1 Segmenterad armatur
YASA-motortopologin (Yokeless and Segmented Armature) är ett exempel på en dubbelrotor- och enstatortopologi, vilket minskar tillverkningskomplexiteten och är lämplig för automatiserad massproduktion. Dessa motorer har en effekttäthet på upp till 10 kW/kg vid hastigheter på 2000 till 9000 rpm.
Med hjälp av en dedikerad styrenhet kan den ge en ström på 200 kVA till motorn. Styrenheten har en volym på cirka 5 liter och väger 5,8 kilogram, inklusive termisk styrning med dielektrisk oljekylning, lämplig för axialflödesmotorer såväl som induktions- och radialflödesmotorer.
Detta gör det möjligt för tillverkare av originalutrustning för elfordon och utvecklare av hög kvalitet att flexibelt välja lämplig motor baserat på tillämpning och tillgängligt utrymme. Den mindre storleken och vikten gör fordonet lättare och har fler batterier, vilket ökar räckvidden.
5. Användning av elmotorcyklar
För elektriska motorcyklar och fyrhjulingar har vissa företag utvecklat AC-axialflödesmotorer. Den vanligaste designen för denna typ av fordon är DC-borstbaserade axialflödesmotorer, medan den nya produkten är en heltätad borstlös AC-design.
Spolarna på både likströms- och växelströmsmotorer förblir stationära, men de dubbla rotorerna använder permanentmagneter istället för roterande ankare. Fördelen med denna metod är att den inte kräver mekanisk reversering.
AC-axialdesignen kan också använda vanliga trefas-AC-motorstyrenheter för radialmotorer. Detta bidrar till att minska kostnaderna, eftersom styrenheten styr strömmen eller vridmomentet, inte hastigheten. Styrenheten kräver en frekvens på 12 kHz eller högre, vilket är den vanliga frekvensen för sådana enheter.
Den högre frekvensen kommer från den lägre lindningsinduktansen på 20 µH. Frekvensen kan styra strömmen för att minimera strömrippel och säkerställa en så jämn sinusformad signal som möjligt. Ur ett dynamiskt perspektiv är detta ett utmärkt sätt att uppnå jämnare motorstyrning genom att möjliggöra snabba momentförändringar.
Denna design använder en distribuerad dubbelskiktslindning, så att magnetflödet flyter från rotorn till en annan rotor genom statorn, med en mycket kort väg och högre effektivitet.
Nyckeln till denna design är att den kan arbeta med en maximal spänning på 60 V och är inte lämplig för system med högre spänning. Därför kan den användas för elmotorcyklar och fyrhjuliga fordon i klass L7e, såsom Renault Twizy.
Den maximala spänningen på 60 V gör att motorn kan integreras i vanliga 48 V-elsystem och förenklar underhållsarbetet.
Specifikationerna för fyrhjuliga motorcyklar av typen L7e i den europeiska ramförordningen 2002/24/EG anger att vikten på fordon som används för godstransport inte överstiger 600 kilogram, exklusive batteriernas vikt. Dessa fordon får transportera högst 200 kilogram passagerare, högst 1000 kilogram last och högst 15 kilowatt motoreffekt. Den distribuerade lindningsmetoden kan ge ett vridmoment på 75–100 Nm, med en maximal uteffekt på 20–25 kW och en kontinuerlig effekt på 15 kW.
Utmaningen med axiellt flöde ligger i hur kopparlindningar avleder värme, vilket är svårt eftersom värme måste passera genom rotorn. Den distribuerade lindningen är nyckeln till att lösa detta problem, eftersom den har ett stort antal polspår. På så sätt blir det en större yta mellan kopparn och skalet, och värme kan överföras till utsidan och avledas av ett vanligt vätskekylsystem.
Flera magnetiska poler är nyckeln till att utnyttja sinusformade vågformer, vilket hjälper till att minska övertoner. Dessa övertoner manifesteras som uppvärmning av magneterna och kärnan, medan kopparkomponenter inte kan leda bort värmen. När värme ackumuleras i magneter och järnkärnor minskar effektiviteten, vilket är anledningen till att optimering av vågformen och värmevägen är avgörande för motorns prestanda.
Motorns design har optimerats för att minska kostnaderna och uppnå automatiserad massproduktion. En extruderad husring kräver inte komplex mekanisk bearbetning och kan minska materialkostnaderna. Spolen kan lindas direkt och en bindningsprocess används under lindningsprocessen för att bibehålla rätt monteringsform.
Det viktiga är att spolen är tillverkad av vanlig kommersiellt tillgänglig tråd, medan järnkärnan är laminerad med standardiserat transformatorstål, som bara behöver skäras till i form. Andra motorkonstruktioner kräver användning av mjuka magnetiska material vid kärnlaminering, vilket kan vara dyrare.
Användningen av distribuerade lindningar innebär att magnetstålet inte behöver segmenteras; de kan ha enklare former och vara lättare att tillverka. Att minska storleken på magnetstålet och säkerställa att det är enkelt att tillverka har en betydande inverkan på kostnaderna.
Designen av denna axialflödesmotor kan också anpassas efter kundens krav. Kunderna får anpassade versioner utvecklade kring grunddesignen. Dessa tillverkas sedan på en testproduktionslinje för tidig produktionsverifiering, vilket kan replikeras i andra fabriker.
Anpassning beror främst på att fordonets prestanda inte bara beror på designen av den axiella magnetiska flödesmotorn, utan även på kvaliteten på fordonsstrukturen, batteripaketet och BMS.
Publiceringstid: 28 sep-2023
