Ve srovnání s motory s radiálním tokem mají motory s axiálním tokem mnoho výhod v konstrukci elektrických vozidel. Motory s axiálním tokem mohou například změnit konstrukci hnacího ústrojí přesunem motoru z nápravy dovnitř kol.
1. Osa síly
Motory s axiálním tokemje jim věnována zvýšená pozornost (získat trakci). Po mnoho let se tento typ motoru používá ve stacionárních aplikacích, jako jsou výtahy a zemědělské stroje, ale v posledním desetiletí mnoho vývojářů pracovalo na vylepšení této technologie a její aplikaci na elektrické motocykly, letištní moduly, nákladní vozy, elektrické vozidel, a dokonce i letadel.
Tradiční motory s radiálním tokem využívají permanentní magnety nebo indukční motory, které výrazně pokročily v optimalizaci hmotnosti a nákladů. Při dalším vývoji se však potýkají s mnoha obtížemi. Axiální tok, zcela jiný typ motoru, může být dobrou alternativou.
Ve srovnání s radiálními motory je efektivní magnetický povrch motorů s axiálním tokem s permanentními magnety povrch rotoru motoru, nikoli vnější průměr. Proto v určitém objemu motoru mohou motory s axiálním permanentním magnetem obvykle poskytovat větší točivý moment.
Motory s axiálním tokemjsou kompaktnější; Ve srovnání s radiálními motory je axiální délka motoru mnohem kratší. U motorů s vnitřními koly je to často rozhodující faktor. Kompaktní konstrukce axiálních motorů zajišťuje vyšší hustotu výkonu a hustotu točivého momentu než podobné radiální motory, čímž eliminuje potřebu extrémně vysokých provozních rychlostí.
Účinnost motorů s axiálním tokem je také velmi vysoká, obvykle přesahuje 96 %. Je to díky kratší, jednorozměrné dráze toku, která je srovnatelná nebo dokonce vyšší v účinnosti ve srovnání s nejlepšími 2D motory s radiálním tokem na trhu.
Délka motoru je kratší, obvykle 5 až 8krát kratší a hmotnost je také snížena 2 až 5krát. Tyto dva faktory změnily výběr designérů platforem elektrických vozidel.
2. Technologie axiálního toku
Existují dvě hlavní topologie promotory s axiálním tokem: dvourotorový jednostator (někdy označovaný jako stroje torusového stylu) a jednorotorový duální stator.
V současné době většina motorů s permanentními magnety používá topologii radiálního toku. Obvod magnetického toku začíná permanentním magnetem na rotoru, prochází prvním zubem na statoru a poté proudí radiálně podél statoru. Poté projděte druhým zubem, abyste dosáhli druhé magnetické oceli na rotoru. V topologii axiálního toku se dvěma rotory začíná smyčka toku od prvního magnetu, prochází axiálně skrz zuby statoru a okamžitě dosáhne druhého magnetu.
To znamená, že dráha toku je mnohem kratší než u motorů s radiálním tokem, což má za následek menší objem 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 a dosahuje magnetu. Magnetický tok sleduje dvourozměrnou dráhu.
Dráha magnetického toku stroje s axiálním magnetickým tokem je jednorozměrná, takže lze použít elektrotechnickou ocel s orientovaným zrnem. Tato ocel usnadňuje průchod tavidla a tím zlepšuje účinnost.
Motory s radiálním tokem tradičně používají distribuovaná vinutí, přičemž až polovina konců vinutí nefunguje. Přesah cívky bude mít za následek další hmotnost, náklady, elektrický odpor a větší tepelné ztráty, což nutí konstruktéry zlepšit konstrukci vinutí.
Cívka končímotory s axiálním tokemjsou mnohem méně a některé konstrukce používají koncentrované nebo segmentované vinutí, které jsou zcela účinné. U segmentovaných statorových radiálních strojů může porušení 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 problémům v konstrukci a výrobě, navzdory jejich technologickým výhodám jsou jejich náklady mnohem vyšší než u radiálních motorů. Lidé velmi dobře rozumí radiálním motorům a jsou také snadno dostupné výrobní metody a mechanické vybavení.
Jedním z hlavních problémů motorů s axiálním tokem je udržení rovnoměrné vzduchové mezery mezi rotorem a statorem, protože magnetická síla je mnohem větší než u radiálních motorů, což ztěžuje udržení rovnoměrné vzduchové mezery. Motor s axiálním tokem se dvěma rotory má také problémy s odvodem tepla, protože vinutí je umístěno hluboko ve statoru a mezi dvěma kotouči rotoru, takže odvod tepla je velmi obtížný.
Axiální motory s tokem je také obtížné vyrobit z mnoha důvodů. Dvourotorový stroj využívající dvourotorový stroj s topologií třmenů (tj. odstranění železného třmenu ze statoru, ale zachování železných zubů) překonává některé z těchto problémů bez rozšíření průměru motoru a magnetu.
Sejmutí třmenu však přináší nové výzvy, například jak upevnit a umístit jednotlivé zuby bez mechanického spojení třmenu. Větší výzvou je také chlazení.
Je také obtížné vyrobit rotor a udržet vzduchovou mezeru, protože kotouč rotoru přitahuje rotor. Výhodou je, že rotorové kotouče jsou přímo spojeny přes hřídelový kroužek, takže síly se vzájemně ruší. To znamená, že vnitřní ložisko těmto silám neodolá a jeho jedinou funkcí je udržet stator ve střední poloze mezi dvěma rotorovými disky.
Dvoustatorové jednorotorové motory nečelí výzvám kruhových motorů, ale konstrukce statoru je mnohem složitější a obtížněji dosažitelná automatizace a související náklady jsou také vysoké. Na rozdíl od jakéhokoli tradičního motoru s radiálním tokem se výrobní procesy a mechanické vybavení axiálních motorů objevily teprve nedávno.
4. Aplikace elektrických vozidel
Spolehlivost je v automobilovém průmyslu klíčová a prokazuje spolehlivost a robustnost různýchmotory s axiálním tokemPřesvědčit výrobce, že tyto motory jsou vhodné pro sériovou výrobu, bylo vždy výzvou. To přimělo dodavatele axiálních motorů k tomu, aby sami provedli rozsáhlé ověřovací programy, přičemž každý dodavatel prokázal, že spolehlivost jejich motoru se neliší od tradičních motorů s radiálním tokem.
Jediný komponent, který se může opotřebovat vmotor s axiálním tokemjsou ložiska. Délka axiálního magnetického toku je relativně krátká a poloha ložisek je blíže, obvykle mírně „předimenzovaná“. Naštěstí má motor s axiálním tokem menší hmotnost rotoru a snese nižší dynamické zatížení hřídele rotoru. Proto je skutečná síla působící na ložiska mnohem menší než síla motoru s radiálním tokem.
Elektronická náprava je jednou z prvních aplikací axiálních motorů. Tenčí šířka může zapouzdřit motor a převodovku v nápravě. V hybridních aplikacích kratší axiální délka motoru zase zkracuje celkovou délku převodového systému.
Dalším krokem je instalace axiálního motoru na kolo. Tímto způsobem může být výkon přenášen přímo z motoru na kola, což zlepšuje účinnost motoru. Díky eliminaci převodovek, diferenciálů a hnacích hřídelí se také snížila složitost systému.
Zdá se však, že standardní konfigurace se zatím neobjevily. Každý výrobce originálního vybavení zkoumá specifické konfigurace, protože různé velikosti a tvary axiálních motorů mohou změnit design elektrických vozidel. 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, jako je umístění bateriových sad.
4.1 Segmentová armatura
Topologie motoru YASA (Yokeless and Segmented Armature) je příkladem dvourotorové jednostatorové topologie, 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 vyhrazeného regulátoru může poskytnout proud 200 kVA pro motor. Regulátor má objem přibližně 5 litrů a váží 5,8 kilogramů včetně tepelného managementu s chlazením dielektrického oleje, vhodný pro axiální motory s indukčním a radiálním tokem.
To umožňuje výrobcům originálního vybavení elektrických vozidel a vývojářům první úrovně flexibilně vybrat vhodný motor na základě aplikace a dostupného prostoru. Díky menší velikosti a hmotnosti je vozidlo lehčí a má více baterií, čímž se zvyšuje dojezd.
5. Aplikace elektrických motocyklů
Pro elektrické motocykly a čtyřkolky některé společnosti vyvinuly motory s axiálním tokem na střídavý proud. Běžně používanou konstrukcí pro tento typ vozidla jsou konstrukce s axiálním tokem na bázi stejnosměrného kartáče, zatímco novým produktem je AC, plně utěsněná bezkomutátorová konstrukce.
Cívky stejnosměrných i střídavých motorů zůstávají stacionární, ale duální rotory používají místo rotujících kotv permanentní magnety. Výhodou této metody je, že nevyžaduje mechanické couvání.
Střídavé axiální provedení může také používat standardní třífázové regulátory střídavých motorů pro radiální motory. To pomáhá snižovat náklady, protože regulátor řídí proud točivého momentu, nikoli rychlost. Ovladač vyžaduje frekvenci 12 kHz nebo vyšší, což je hlavní frekvence takových zařízení.
Vyšší frekvence pochází z nižší indukčnosti vinutí 20 µH. Frekvence může řídit proud, aby se minimalizovalo zvlnění proudu a zajistil se co nejhladší sinusový signál. Z dynamického hlediska je to skvělý způsob, jak dosáhnout hladšího řízení motoru tím, že umožňuje rychlé změny točivého momentu.
Tato konstrukce využívá distribuované dvouvrstvé vinutí, takže magnetický tok proudí z rotoru na jiný rotor přes stator s velmi krátkou dráhou a vyšší účinností.
Klíčem k této konstrukci je, že může pracovat při maximálním napětí 60 V a není vhodný pro systémy s vyšším napětím. Proto jej lze použít pro elektrické motocykly a čtyřkolová vozidla třídy L7e, jako je Renault Twizy.
Maximální napětí 60 V umožňuje integraci motoru do běžných 48 V elektrických systémů a zjednodušuje údržbu.
Specifikace čtyřkolových motocyklů L7e v evropském rámcovém nařízení 2002/24/ES stanoví, že hmotnost vozidel používaných pro přepravu zboží nepřesahuje 600 kilogramů, s výjimkou hmotnosti baterií. Tato vozidla nesmějí přepravovat více než 200 kilogramů cestujících, maximálně 1000 kilogramů nákladu a maximálně 15 kilowattů výkonu motoru. Metoda distribuovaného vinutí může poskytnout točivý moment 75-100 Nm se špičkovým výstupním výkonem 20-25 kW a trvalým výkonem 15 kW.
Problém axiálního toku spočívá v tom, jak měděná vinutí odvádějí teplo, což je obtížné, protože teplo musí procházet rotorem. Distribuované vinutí je klíčem k vyřešení tohoto problému, protože má velký počet pólových slotů. Tímto způsobem je mezi mědí a pláštěm větší plocha a teplo může být přenášeno ven a odváděno standardním kapalinovým chladicím systémem.
Více magnetických pólů je klíčem k využití sinusových vln, které pomáhají snižovat harmonické. Tyto harmonické se projevují jako zahřívání magnetů a jádra, zatímco měděné komponenty nemohou teplo odvádět. Když se teplo akumuluje v magnetech a železných jádrech, účinnost klesá, 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. Vytlačovaný prstenec pouzdra nevyžaduje složité mechanické zpracování a může snížit náklady na materiál. Cívku lze přímo navinout a během procesu navíjení se používá proces spojování, aby se zachoval správný tvar sestavy.
Klíčovým bodem je, že cívka je vyrobena ze standardního komerčně dostupného drátu, zatímco železné jádro je laminováno standardní vyloženou transformátorovou ocelí, kterou je třeba jednoduše nařezat do tvaru. Jiné konstrukce motorů vyžadují použití měkkých magnetických materiálů při laminaci jádra, což může být dražší.
Použití distribuovaných vinutí znamená, že magnetická ocel nemusí být segmentována; Mohou mít jednodušší tvary a snáze se vyrábějí. Zmenšení velikosti magnetické oceli a zajištění její snadné výroby má významný dopad na snížení nákladů.
Konstrukce tohoto axiálního motoru může být také přizpůsobena podle požadavků zákazníka. Zákazníci mají přizpůsobené verze vyvinuté kolem základního designu. Poté se vyrábí na zkušební výrobní lince pro včasné ověření výroby, které lze replikovat v jiných továrnách.
Přizpůsobení je především proto, že výkon vozidla závisí nejen na konstrukci motoru s axiálním magnetickým tokem, ale také na kvalitě konstrukce vozidla, akumulátoru a BMS.
Čas odeslání: 28. září 2023
