Ve srovnání s radiálními motory s tokem mají axiální motory s tokem mnoho výhod v konstrukci elektrických vozidel. Například axiální motory s tokem mohou změnit konstrukci hnacího ústrojí přesunutím motoru z nápravy dovnitř kol.
1. Osa moci
Axiální motory s tokemse jim věnuje stále větší pozornost (získají trakci). Tento typ motoru se po mnoho let používá ve stacionárních aplikacích, jako jsou výtahy a zemědělské stroje, ale v posledním desetiletí mnoho vývojářů pracuje na vylepšení této technologie a jejím použití v elektrických motocyklech, letištních modulech, nákladních automobilech, elektromobilech a dokonce i v letadlech.
Tradiční radiální motory s magnetickým tokem používají permanentní magnety nebo indukční motory, které dosáhly významného pokroku v optimalizaci hmotnosti a nákladů. Jejich další vývoj však čelí mnoha obtížím. Dobrou alternativou může být axiální motor s magnetickým tokem, zcela odlišný typ motoru.
Ve srovnání s radiálními motory je efektivní magnetická plocha motorů s axiálním tokem a permanentními magnety tvořena povrchem rotoru motoru, nikoli vnějším průměrem. Proto mohou motory s axiálním tokem a permanentními magnety v určitém objemu motoru obvykle poskytovat větší točivý moment.
Axiální motory s tokemjsou kompaktnější; Ve srovnání s radiálními motory je axiální délka motoru mnohem kratší. U motorů s vnitřním pohonem kol je to často klíčový faktor. Kompaktní konstrukce axiálních motorů zajišťuje vyšší hustotu výkonu a točivého momentu než u podobných radiálních motorů, čímž eliminuje potřebu extrémně vysokých provozních otáček.
Účinnost axiálních motorů s tokem je také velmi vysoká, obvykle přesahuje 96 %. To je dáno kratší, jednorozměrnou cestou toku, která je srovnatelná nebo dokonce vyšší v účinnosti ve srovnání s nejlepšími 2D radiálními motory s tokem na trhu.
Délka motoru je kratší, obvykle 5 až 8krát, a hmotnost je také snížena 2 až 5krát. Tyto dva faktory změnily volbu konstruktérů platform elektromobilů.
2. Technologie axiálního toku
Existují dvě hlavní topologie proaxiální tokové motoryDvourotorové stroje s jedním statorem (někdy označované jako stroje torusového typu) a jednorotorové stroje s dvojitým statorem.
V současné době většina motorů s permanentními magnety používá radiální topologii magnetického toku. Obvod magnetického toku začíná permanentním magnetem na rotoru, prochází prvním zubem statoru a poté radiálně proudí podél statoru. Poté prochází druhým zubem a dosahuje druhé magnetické oceli na rotoru. V axiální topologii magnetického toku s dvojitým rotorem začíná smyčka magnetického toku od prvního magnetu, prochází axiálně zuby statoru a bezprostředně dosahuje druhého magnetu.
To znamená, že dráha magnetického toku je mnohem kratší než u motorů s radiálním magnetickým tokem, což má za následek menší objemy motoru, vyšší hustotu výkonu a účinnost při stejném výkonu.
Radiální motor, kde magnetický tok prochází prvním zubem a poté se vrací k dalšímu zubu přes stator, kde dosáhne magnetu. Magnetický tok sleduje dvourozměrnou dráhu.
Dráha magnetického toku axiálního magnetického stroje je jednorozměrná, takže lze použít elektrotechnickou ocel s orientovanými zrny. Tato ocel usnadňuje průchod magnetického toku, čímž se zvyšuje účinnost.
Radiální motory tradičně používají rozložené vinutí, přičemž až polovina konců vinutí je nefunkční. Převis cívky má za následek dodatečnou hmotnost, náklady, elektrický odpor a větší tepelné ztráty, což nutí konstruktéry vylepšit konstrukci vinutí.
Konce cívkyaxiální tokové motoryjsou mnohem menší a některé konstrukce používají koncentrovaná nebo segmentovaná vinutí, která jsou zcela účinná. U radiálních strojů se segmentovaným statorem může přerušení dráhy magnetického toku ve statoru přinést další ztráty, ale u motorů s axiálním tokem to není problém. Konstrukce vinutí cívky je klíčem k rozlišení úrovně dodavatelů.
3. Vývoj
Axiální motory s tokem čelí některým vážným výzvám v oblasti konstrukce a výroby. Navzdory svým technologickým výhodám jsou jejich náklady mnohem vyšší než u radiálních motorů. Lidé mají velmi důkladné znalosti o radiálních motorech a výrobní metody a mechanické vybavení jsou také snadno dostupné.
Jednou z hlavních výzev axiálních motorů s tokem je udržování rovnoměrné vzduchové mezery mezi rotorem a statorem, protože magnetická síla je mnohem větší než u radiálních motorů, což ztěžuje udržování rovnoměrné vzduchové mezery. Dvourotorový axiální motor s tokem má také problémy s odvodem tepla, protože vinutí je umístěno hluboko ve statoru a mezi dvěma rotorovými kotouči, což odvod tepla velmi ztěžuje.
Axiální motory s tokem jsou také z mnoha důvodů obtížně vyrobitelné. Dvourotorový stroj s topologií jha (tj. odstranění železného jha ze statoru, ale zachování železných zubů) překonává některé z těchto problémů bez zvětšení průměru motoru a magnetu.
Odstranění jha však s sebou nese nové výzvy, například jak upevnit a umístit jednotlivé zuby bez mechanického spojení jha. Chlazení je také větší výzvou.
Je také obtížné vyrobit rotor a udržet vzduchovou mezeru, protože rotorový kotouč přitahuje rotor. Výhodou je, že rotorové kotouče jsou přímo spojeny hřídelovým kroužkem, takže síly se vzájemně ruší. To znamená, že vnitřní ložisko těmto silám neodolává a jeho jedinou funkcí je udržovat stator ve střední poloze mezi oběma rotorovými kotouči.
Dvoustatorové motory s jedním rotorem nečelí výzvám kruhových motorů, ale konstrukce statoru je mnohem složitější a obtížněji se automatizuje a související náklady jsou také vysoké. Na rozdíl od tradičních radiálních motorů se výrobní procesy a mechanická zařízení pro axiální motory objevily teprve nedávno.
4. Aplikace elektrických vozidel
Spolehlivost je v automobilovém průmyslu klíčová a prokázání spolehlivosti a robustnosti různýchaxiální tokové motoryPřesvědčit výrobce, že tyto motory jsou vhodné pro hromadnou výrobu, bylo vždy náročné. To vedlo dodavatele axiálních motorů k tomu, aby sami provedli rozsáhlé validační programy, přičemž každý dodavatel prokázal, že spolehlivost jeho motoru se neliší od tradičních radiálních motorů s tokem.
Jediná součástka, která se může opotřebovataxiální motor s tokemjsou ložiska. Délka axiálního magnetického toku je relativně krátká a poloha ložisek je bližší, obvykle navržená tak, aby byla mírně „naddimenzovaná“. Naštěstí má motor s axiálním tokem menší hmotnost rotoru a snese nižší dynamické zatížení hřídele rotoru. Skutečná síla působící na ložiska je proto mnohem menší než u motoru s radiálním tokem.
Elektronická náprava je jednou z prvních aplikací axiálních motorů. Menší šířka umožňuje zapouzdřit motor a převodovku v nápravě. V hybridních aplikacích kratší axiální délka motoru následně zkracuje celkovou délku převodového systému.
Dalším krokem je instalace axiálního motoru na kolo. Tímto způsobem lze výkon přenášet přímo z motoru na kola, což zlepšuje jeho účinnost. Díky eliminaci převodovek, diferenciálů a hnacích hřídelí se také snížila složitost systému.
Zdá se však, že standardní konfigurace se dosud neobjevily. Každý výrobce originálního vybavení zkoumá specifické konfigurace, protože různé velikosti a tvary axiálních motorů mohou změnit konstrukci elektromobilů. Ve srovnání s radiálními motory mají axiální motory vyšší hustotu výkonu, což znamená, že lze použít menší axiální motory. To poskytuje nové konstrukční možnosti pro platformy vozidel, například umístění bateriových bloků.
4.1 Segmentová kotva
Topologie motoru YASA (Yokeless and Segmented Armature) je příkladem topologie s dvojitým rotorem a jedním statorem, která snižuje složitost výroby a je vhodná pro automatizovanou hromadnou výrobu. Tyto motory mají hustotu výkonu až 10 kW/kg při otáčkách 2000 až 9000 ot/min.
Pomocí specializovaného regulátoru může motoru dodat proud 200 kVA. Regulátor má objem přibližně 5 litrů a váží 5,8 kilogramu, včetně tepelného managementu s dielektrickým olejovým chlazením, vhodný pro axiální motory s tokem, stejně jako pro asynchronní a radiální motory s tokem.
To umožňuje výrobcům originálního vybavení elektromobilů a vývojářům první úrovně flexibilně zvolit vhodný motor na základě aplikace a dostupného prostoru. Menší rozměry a hmotnost dělají vozidlo lehčím a mají více baterií, čímž se zvyšuje dojezd.
5. Použití elektrických motocyklů
Pro elektrické motocykly a čtyřkolky některé společnosti vyvinuly střídavé axiální motory s tokem. Běžně používanou konstrukcí pro tento typ vozidel jsou stejnosměrné kartáčové motory s axiálním tokem, zatímco novým produktem je střídavý, plně utěsněný bezkartáčový motor.
Cívky stejnosměrných i střídavých motorů zůstávají nehybné, ale dvojité rotory používají permanentní magnety místo rotujících kotev. Výhodou této metody je, že nevyžaduje mechanické reverzování.
Axiální provedení střídavého proudu umožňuje také použití standardních třífázových regulátorů střídavého motoru pro radiální motory. To pomáhá snižovat náklady, protože regulátor řídí proud krouticího momentu, nikoli otáčky. Regulátor vyžaduje frekvenci 12 kHz nebo vyšší, což je běžná frekvence takových zařízení.
Vyšší frekvence je dána nižší indukčností vinutí 20 µH. Tato frekvence dokáže řídit proud tak, aby se minimalizovalo jeho zvlnění a zajistil se co nejplynulejší sinusový signál. Z dynamického hlediska je to skvělý způsob, jak dosáhnout plynulejšího řízení motoru tím, že umožňuje rychlé změny točivého momentu.
Tato konstrukce využívá distribuované dvouvrstvé vinutí, takže magnetický tok proudí z rotoru do jiného rotoru přes stator s velmi krátkou cestou a vyšší účinností.
Klíčem k této konstrukci je, že může pracovat s maximálním napětím 60 V a není vhodná pro systémy s vyšším napětím. Proto ji lze použít pro elektrické motocykly a čtyřkolová vozidla třídy L7e, jako je Renault Twizy.
Maximální napětí 60 V umožňuje integraci motoru do běžných 48V elektrických systémů a zjednodušuje údržbu.
Specifikace čtyřkolových motocyklů L7e v evropském rámcovém nařízení 2002/24/ES stanoví, že hmotnost vozidel používaných k přepravě zboží nesmí překročit 600 kilogramů, bez započítání hmotnosti baterií. Tato vozidla mohou přepravovat maximálně 200 kilogramů cestujících, maximálně 1000 kilogramů nákladu a maximálně 15 kilowattů výkonu motoru. Metoda rozloženého vinutí může poskytnout točivý moment 75–100 Nm s maximálním výstupním výkonem 20–25 kW a trvalým výkonem 15 kW.
Problém s axiálním magnetickým tokem spočívá v tom, jak měděná vinutí odvádějí teplo, což je obtížné, protože teplo musí procházet rotorem. Rozložené vinutí je klíčem k řešení tohoto problému, protože má velký počet pólových drážek. Tímto způsobem je mezi mědí a pláštěm větší povrch a teplo může být přenášeno ven a odváděno standardním kapalinovým chladicím systémem.
Vícenásobné magnetické póly jsou klíčem k využití sinusových tvarů vln, které pomáhají snižovat harmonické. Tyto harmonické se projevují jako zahřívání magnetů a jádra, zatímco měděné součástky nemohou teplo odvádět. Když se teplo hromadí v magnetech a železných jádrech, snižuje se účinnost, a proto je optimalizace tvaru vlny a tepelné dráhy zásadní pro výkon motoru.
Konstrukce motoru byla optimalizována pro snížení nákladů a dosažení automatizované hromadné výroby. Extrudovaný kroužek pouzdra nevyžaduje složité mechanické zpracování a může snížit náklady na materiál. Cívku lze navíjet přímo a během procesu navíjení se používá proces lepení pro zachování správného tvaru sestavy.
Klíčovým bodem je, že cívka je vyrobena ze standardního komerčně dostupného drátu, zatímco železné jádro je laminováno standardní transformátorovou ocelí, kterou je třeba pouze nařezat do požadovaného tvaru. Jiné konstrukce motorů vyžadují použití magneticky měkkých materiálů při laminování jádra, což může být dražší.
Použití distribuovaných vinutí znamená, že magnetická ocel nemusí být segmentována; může mít jednodušší tvary a snáze se vyrábí. Zmenšení velikosti magnetické oceli a zajištění snadné výroby má významný vliv na snížení nákladů.
Konstrukci tohoto axiálního motoru s tokem lze také upravit podle požadavků zákazníka. Zákazníci si nechávají vyvinout upravené verze na základě základního designu. Poté se vyrábějí na zkušební výrobní lince pro včasné ověření výroby, které lze replikovat v jiných továrnách.
Přizpůsobení je dáno především tím, že výkon vozidla nezávisí pouze na konstrukci axiálního magnetického motoru, ale také na kvalitě konstrukce vozidla, bateriového bloku a systému BMS.
Čas zveřejnění: 28. září 2023
