Jämfört med radiella flödesmotorer har axialflödesmotorer många fördelar i design av elektriska fordon. Till exempel kan axialflödesmotorer ändra designen på drivlinan genom att flytta motorn från axeln till insidan av hjulen.
1. Kraftaxel
Axiella flödesmotorerfår allt större uppmärksamhet (få dragkraft). Under 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 elektriska motorcyklar, flygplatskapslar, lastbilar, elektriska fordon och till och med flygplan.
Traditionella radiella flödesmotorer använder permanentmagneter eller induktionsmotorer, som har gjort betydande framsteg när det gäller att optimera vikt och kostnad. De har dock många svårigheter att fortsätta utvecklas. Axialt flöde, en helt annan typ av motor, kan vara ett bra alternativ.
Jämfört med radiella motorer är den effektiva magnetiska ytarean för permanentmagnetmotorer med axiellt flöde ytan på motorrotorn, inte den yttre diametern. Därför, i en viss motorvolym, kan axialflödes permanentmagnetmotorer vanligtvis ge större vridmoment.
Axiella flödesmotorerär mer kompakta; Jämfört med radiella motorer är motorns axiella längd mycket kortare. För interna hjulmotorer är detta ofta en avgörande faktor. Den kompakta strukturen hos axialmotorer säkerställer högre effekttäthet och vridmomentdensitet än liknande radialmotorer, vilket eliminerar behovet av extremt höga driftshastigheter.
Verkningsgraden hos axialflödesmotorer är också mycket hög, vanligtvis över 96 %. Detta tack vare den kortare endimensionella flödesvägen, som är jämförbar eller till och med högre i verkningsgrad jämfört med de bästa 2D radiella flödesmotorerna på marknaden.
Längden på motorn är kortare, vanligtvis 5 till 8 gånger kortare, och vikten minskas också med 2 till 5 gånger. Dessa två faktorer har förändrat valet av plattformsdesigners för elfordon.
2. Axial flödesteknik
Det finns två huvudtopologier föraxialflödesmotorer: enkelstator med dubbla rotorer (ibland kallade maskiner av torustyp) och dubbla statorer med dubbla rotorer.
För närvarande använder de flesta permanentmagnetmotorer radiell flödestopologi. Den magnetiska flödeskretsen börjar med en permanentmagnet på rotorn, passerar genom den första tanden på statorn och flyter sedan radiellt längs statorn. Passera 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 effektivitet vid samma effekt.
En radiell motor, där det magnetiska flödet passerar genom den första tanden och sedan går tillbaka till nästa tand genom statorn och når magneten. Magnetiskt flöde följer en tvådimensionell bana.
Den magnetiska flödesvägen för en axiell magnetisk flödesmaskin är endimensionell, så kornorienterat elektriskt stål kan användas. Detta stål gör det lättare för flussmedlet att passera igenom, vilket förbättrar effektiviteten.
Radialflödesmotorer använder traditionellt fördelade lindningar, med upp till hälften av lindningsändarna som inte fungerar. Spolens överhäng kommer att resultera i extra vikt, kostnad, elektriskt motstånd och mer värmeförlust, vilket tvingar designers att förbättra lindningsdesignen.
Spolen ändarna avaxialflödesmotorerär mycket mindre, och vissa konstruktioner använder koncentrerade eller segmenterade lindningar, som är helt effektiva. För radiella maskiner med segmenterad stator kan brottet i den magnetiska flödesbanan i statorn ge ytterligare förluster, men för axialflödesmotorer är detta inget problem. Utformningen av spollindningen är nyckeln till att särskilja nivån på leverantörer.
3. Utveckling
Axiella flödesmotorer står inför några allvarliga utmaningar i design och produktion, trots deras tekniska fördelar är deras kostnader mycket högre än för radialmotorer. 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 enhetligt luftgap mellan rotorn och statorn, eftersom den magnetiska kraften är mycket större än den hos radiella motorer, vilket gör det svårt att upprätthålla ett enhetligt luftgap. Den axiella flödesmotorn med dubbla rotorer har också problem med värmeavledning, eftersom lindningen är placerad djupt inuti statorn och mellan de två rotorskivorna, vilket gör värmeavledning mycket svår.
Axiella flödesmotorer är också svåra att tillverka av många anledningar. Maskinen med dubbla rotorer som använder en maskin med dubbla rotorer med oktopologi (dvs. att ta bort järnoket från statorn men behålla järntänderna) övervinner några av dessa problem utan att utöka motordiametern och magneten.
Men att ta bort oket medför nya utmaningar, såsom hur man fixerar och placerar enskilda tänder utan en mekanisk okanslutning. Kylning är också en större utmaning.
Det är också svårt att tillverka rotorn och upprätthålla luftgapet, eftersom rotorskivan drar till sig rotorn. Fördelen är att rotorskivorna är direkt sammankopplade genom en axelring, så krafterna tar ut varandra. Detta gör att det inre lagret inte tål dessa krafter och dess enda funktion är att hålla statorn i mittläget mellan de två rotorskivorna.
Enkelrotormotorer med dubbla statorer möter inte utmaningarna med cirkulära motorer, men statorns design är mycket mer komplex och svår att automatisera, och de relaterade kostnaderna är också höga. Till skillnad från alla traditionella radiella flödesmotorer har tillverkningsprocesser för axialmotorer och mekanisk utrustning först nyligen dykt upp.
4. Tillämpning av elfordon
Tillförlitlighet är avgörande i bilindustrin, och bevisar tillförlitligheten och robustheten hos olikaaxialflödesmotoreratt övertyga tillverkarna om att dessa motorer är lämpliga för massproduktion har alltid varit en utmaning. Detta har fått axialmotorleverantörer att genomföra omfattande valideringsprogram på egen hand, där varje leverantör visar att deras motortillförlitlighet inte skiljer sig från traditionella radialflödesmotorer.
Den enda komponenten som kan slitas ut i enaxialflödesmotorär lagren. Längden på det axiella magnetiska flödet är relativt kort, och lagrets läge är närmare, vanligtvis utformade för att vara något "överdimensionerade". Lyckligtvis har axialflödesmotorn en mindre rotormassa och tål lägre rotordynamiska axelbelastningar. Därför är den faktiska kraften som appliceras på lagren mycket mindre än den för radialflödesmotorn.
Elektronisk axel är en av de första tillämpningarna av axialmotorer. Den tunnare bredden kan kapsla in motor och växellåda i axeln. I hybridtillämpningar förkortar den kortare axiella längden på motorn i sin tur transmissionssystemets totala längd.
Nästa steg är att installera axialmotorn på hjulet. På detta sätt kan kraft överföras direkt från motorn till hjulen, vilket förbättrar motorns effektivitet. På grund av elimineringen av transmissioner, differentialer och drivaxlar har komplexiteten i systemet också minskat.
Det verkar dock som om standardkonfigurationer ännu inte har dykt upp. Varje tillverkare av originalutrustning 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 enkelstatortopologi med dubbla rotorer, som 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 för motorn. Regulatorn har en volym på cirka 5 liter och väger 5,8 kg, inklusive termisk styrning med dielektrisk oljekylning, lämplig för axialflödesmotorer samt induktions- och radialflödesmotorer.
Detta gör det möjligt för tillverkare av originalutrustning för elfordon och utvecklare på första nivån att flexibelt välja lämplig motor baserat på applikationen och tillgängligt utrymme. Den mindre storleken och vikten gör fordonet lättare och har fler batterier, vilket ökar räckvidden.
5. Användning av elektriska motorcyklar
För elektriska motorcyklar och terränghjulingar har vissa företag utvecklat AC-axialflödesmotorer. Den vanliga designen för denna typ av fordon är DC-borstbaserade axialflödesdesigner, medan den nya produkten är en AC, helt förseglad borstlös design.
Spolarna för både DC- och AC-motorer förblir stationära, men de dubbla rotorerna använder permanentmagneter istället för roterande armaturer. Fördelen med denna metod är att den inte kräver mekanisk backning.
Den axiella växelströmskonstruktionen kan också använda standard trefasiga växelströmsmotorregulatorer för radialmotorer. Detta hjälper till att minska kostnaderna, eftersom regulatorn styr vridmomentströmmen, inte hastigheten. Styrenheten kräver en frekvens på 12 kHz eller högre, vilket är huvudfrekvensen 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 sinusformad signal så jämn som möjligt. Ur ett dynamiskt perspektiv är detta ett utmärkt sätt att uppnå jämnare motorkontroll genom att tillåta snabba vridmomentändringar.
Denna design antar en distribuerad dubbelskiktslindning, så det magnetiska flödet strömmar 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 L7e-klass fyrhjuliga fordon som Renault Twizy.
Den maximala spänningen på 60 V gör att motorn kan integreras i vanliga 48 V elsystem och förenklar underhållsarbetet.
L7e fyrhjuliga motorcykelspecifikationer i den europeiska ramförordningen 2002/24/EC föreskriver att vikten på fordon som används för att transportera gods inte överstiger 600 kg, exklusive batteriernas vikt. Dessa fordon får inte transportera mer än 200 kg passagerare, högst 1 000 kg last och högst 15 kilowatt motoreffekt. Den distribuerade lindningsmetoden kan ge ett vridmoment på 75-100 Nm, med en toppeffekt 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 fördelade lindningen är nyckeln till att lösa detta problem, eftersom den har ett stort antal polslitsar. På så sätt blir det en större yta mellan kopparn och skalet och värme kan överföras till utsidan och släppas ut av ett vanligt vätskekylsystem.
Flera magnetiska poler är nyckeln till att använda sinusformade vågformer, som hjälper till att minska övertoner. Dessa övertoner manifesteras som uppvärmning av magneterna och kärnan, medan kopparkomponenter inte kan föra bort värmen. När värme samlas i magneter och järnkärnor minskar effektiviteten, varför optimering av vågformen och värmevägen är avgörande för motorns prestanda.
Utformningen av motorn har optimerats för att minska kostnaderna och uppnå automatiserad massproduktion. En extruderad husring kräver ingen komplicerad mekanisk bearbetning och kan minska materialkostnaderna. Spolen kan lindas direkt och en bindningsprocess används under lindningsprocessen för att bibehålla den korrekta monteringsformen.
Nyckelpunkten är att spolen är gjord av vanlig kommersiellt tillgänglig tråd, medan järnkärnan är laminerad med standardavlagt transformatorstål, som helt enkelt behöver skäras i form. Andra motorkonstruktioner kräver användning av mjuka magnetiska material i kärnlaminering, vilket kan vara dyrare.
Användningen av fördelade lindningar gör att det magnetiska stålet inte behöver segmenteras; De kan ha enklare former och lättare att tillverka. Att minska storleken på magnetiskt stål och säkerställa att det är lätt att tillverka har en betydande inverkan på att minska kostnaderna.
Utformningen av denna axialflödesmotor kan också anpassas efter kundens krav. Kunderna har skräddarsydda versioner utvecklade kring grundläggande design. Tillverkas sedan på en provproduktionslinje för tidig produktionsverifiering, som kan replikeras i andra fabriker.
Anpassning beror främst på att fordonets prestanda inte bara beror på utformningen av den axiella magnetiska flödesmotorn, utan också på kvaliteten på fordonets struktur, batteripaket och BMS.
Posttid: 2023-09-28
