En comparació amb els motors de flux radial, els motors de flux axial tenen molts avantatges en el disseny de vehicles elèctrics. Per exemple, els motors de flux axial poden canviar el disseny del sistema de propulsió movent el motor des de l'eix cap a l'interior de les rodes.
1. Eix de poder
Motors de flux axialestan rebent una atenció creixent (guanyen tracció). Durant molts anys, aquest tipus de motor s'ha utilitzat en aplicacions estacionàries com ara ascensors i maquinària agrícola, però durant l'última dècada, molts desenvolupadors han estat treballant per millorar aquesta tecnologia i aplicar-la a motocicletes elèctriques, càpsules d'aeroport, camions de càrrega, vehicles elèctrics i fins i tot avions.
Els motors de flux radial tradicionals utilitzen imants permanents o motors d'inducció, que han fet progressos significatius en l'optimització del pes i el cost. Tanmateix, s'enfronten a moltes dificultats per continuar desenvolupant-se. El flux axial, un tipus de motor completament diferent, pot ser una bona alternativa.
En comparació amb els motors radials, la superfície magnètica efectiva dels motors d'imants permanents de flux axial és la superfície del rotor del motor, no el diàmetre exterior. Per tant, en un cert volum de motor, els motors d'imants permanents de flux axial solen poder proporcionar un parell més gran.
Motors de flux axialsón més compactes; en comparació amb els motors radials, la longitud axial del motor és molt més curta. Per als motors de roda interna, això sovint és un factor crucial. L'estructura compacta dels motors axials garanteix una densitat de potència i una densitat de parell més elevades que els motors radials similars, eliminant així la necessitat de velocitats de funcionament extremadament altes.
L'eficiència dels motors de flux axial també és molt alta, generalment superior al 96%. Això és gràcies al camí de flux unidimensional més curt, que és comparable o fins i tot superior en eficiència en comparació amb els millors motors de flux radial 2D del mercat.
La longitud del motor és més curta, normalment de 5 a 8 vegades més curta, i el pes també es redueix de 2 a 5 vegades. Aquests dos factors han canviat l'elecció dels dissenyadors de plataformes de vehicles elèctrics.
2. Tecnologia de flux axial
Hi ha dues topologies principals per amotors de flux axial: estator simple de doble rotor (de vegades anomenades màquines d'estil torus) i estator simple de doble rotor.
Actualment, la majoria de motors d'imants permanents utilitzen una topologia de flux radial. El circuit de flux magnètic comença amb un imant permanent al rotor, passa per la primera dent de l'estator i després flueix radialment al llarg de l'estator. Després passa per la segona dent per arribar al segon acer magnètic del rotor. En una topologia de flux axial de doble rotor, el bucle de flux comença des del primer imant, passa axialment per les dents de l'estator i arriba immediatament al segon imant.
Això significa que el camí del flux és molt més curt que el dels motors de flux radial, la qual cosa resulta en volums de motor més petits, una major densitat de potència i eficiència a la mateixa potència.
Un motor radial, on el flux magnètic passa a través de la primera dent i després torna a la següent dent a través de l'estator, arribant a l'imant. El flux magnètic segueix un camí bidimensional.
El camí del flux magnètic d'una màquina de flux magnètic axial és unidimensional, per la qual cosa es pot utilitzar acer elèctric de gra orientat. Aquest acer facilita el pas del flux, millorant així l'eficiència.
Els motors de flux radial tradicionalment utilitzen debanaments distribuïts, amb fins a la meitat dels extrems de la bobina sense funcionar. El voladís de la bobina provocarà un pes addicional, un cost addicional, una resistència elèctrica addicional i més pèrdues de calor, cosa que obligarà els dissenyadors a millorar el disseny dels debanats.
Els extrems de la bobina demotors de flux axialsón molt menys, i alguns dissenys utilitzen debanaments concentrats o segmentats, que són completament efectius. Per a les màquines radials d'estator segmentat, la ruptura del camí del flux magnètic a l'estator pot comportar pèrdues addicionals, però per als motors de flux axial, això no és un problema. El disseny del debanament de la bobina és la clau per distingir el nivell dels proveïdors.
3. Desenvolupament
Els motors de flux axial s'enfronten a alguns reptes importants en el disseny i la producció, tot i els seus avantatges tecnològics, els seus costos són molt més alts que els dels motors radials. La gent té un coneixement molt complet dels motors radials, i els mètodes de fabricació i els equips mecànics també estan fàcilment disponibles.
Un dels principals reptes dels motors de flux axial és mantenir un entreferro uniforme entre el rotor i l'estator, ja que la força magnètica és molt més gran que la dels motors radials, cosa que dificulta el manteniment d'un entreferro uniforme. El motor de flux axial de doble rotor també té problemes de dissipació de calor, ja que el debanament es troba a la part profunda de l'estator i entre els dos discs del rotor, cosa que dificulta molt la dissipació de calor.
Els motors de flux axial també són difícils de fabricar per moltes raons. La màquina de doble rotor que utilitza una màquina de doble rotor amb una topologia de jous (és a dir, eliminant el jou de ferro de l'estator però conservant les dents de ferro) supera alguns d'aquests problemes sense ampliar el diàmetre del motor i l'imant.
Tanmateix, l'eliminació del jou comporta nous reptes, com ara com fixar i posicionar les dents individuals sense una connexió mecànica del jou. El refredament també és un repte més gran.
També és difícil produir el rotor i mantenir l'entreferro, ja que el disc del rotor atrau el rotor. L'avantatge és que els discs del rotor estan connectats directament a través d'un anell d'eix, de manera que les forces es cancel·len entre si. Això significa que el coixinet intern no suporta aquestes forces i la seva única funció és mantenir l'estator a la posició mitjana entre els dos discs del rotor.
Els motors de doble rotor i rotor únic no s'enfronten als reptes dels motors circulars, però el disseny de l'estator és molt més complex i difícil d'automatitzar, i els costos relacionats també són elevats. A diferència de qualsevol motor de flux radial tradicional, els processos de fabricació de motors axials i els equips mecànics han aparegut recentment.
4. Aplicació de vehicles elèctrics
La fiabilitat és crucial en la indústria de l'automoció, i demostrar la fiabilitat i la robustesa de diferentsmotors de flux axialConvèncer els fabricants que aquests motors són adequats per a la producció en massa sempre ha estat un repte. Això ha impulsat els proveïdors de motors axials a dur a terme amplis programes de validació pel seu compte, i cada proveïdor ha demostrat que la fiabilitat del seu motor no és diferent de la dels motors de flux radial tradicionals.
L'únic component que es pot desgastar en unmotor de flux axialsón els coixinets. La longitud del flux magnètic axial és relativament curta i la posició dels coixinets és més propera, generalment dissenyada per estar lleugerament "sobredimensionada". Afortunadament, el motor de flux axial té una massa de rotor més petita i pot suportar càrregues dinàmiques de l'eix del rotor més baixes. Per tant, la força real aplicada als coixinets és molt més petita que la del motor de flux radial.
L'eix electrònic és una de les primeres aplicacions dels motors axials. L'amplada més fina pot encapsular el motor i la caixa de canvis a l'eix. En aplicacions híbrides, la longitud axial més curta del motor, al seu torn, escurça la longitud total del sistema de transmissió.
El següent pas és instal·lar el motor axial a la roda. D'aquesta manera, la potència es pot transmetre directament del motor a les rodes, millorant l'eficiència del motor. A causa de l'eliminació de transmissions, diferencials i arbres de transmissió, també s'ha reduït la complexitat del sistema.
No obstant això, sembla que encara no han aparegut configuracions estàndard. Cada fabricant d'equips originals està investigant configuracions específiques, ja que les diferents mides i formes dels motors axials poden alterar el disseny dels vehicles elèctrics. En comparació amb els motors radials, els motors axials tenen una densitat de potència més alta, cosa que significa que es poden utilitzar motors axials més petits. Això ofereix noves opcions de disseny per a les plataformes de vehicles, com ara la col·locació de paquets de bateries.
4.1 Armadura segmentada
La topologia de motor YASA (Yokeless and Segmented Armature) és un exemple d'una topologia de doble rotor i un sol estator, que redueix la complexitat de fabricació i és adequada per a la producció en massa automatitzada. Aquests motors tenen una densitat de potència de fins a 10 kW/kg a velocitats de 2000 a 9000 rpm.
Mitjançant un controlador dedicat, pot proporcionar un corrent de 200 kVA per al motor. El controlador té un volum d'aproximadament 5 litres i pesa 5,8 quilograms, incloent-hi la gestió tèrmica amb refrigeració per oli dielèctric, adequada tant per a motors de flux axial com per a motors d'inducció i de flux radial.
Això permet als fabricants d'equips originals de vehicles elèctrics i als desenvolupadors de primer nivell triar amb flexibilitat el motor adequat en funció de l'aplicació i l'espai disponible. La mida i el pes més reduïts fan que el vehicle sigui més lleuger i tingui més bateries, augmentant així l'autonomia.
5. Aplicació de motocicletes elèctriques
Per a motocicletes i vehicles tot terreny elèctrics, algunes empreses han desenvolupat motors de flux axial de corrent altern. El disseny més utilitzat per a aquest tipus de vehicle són els dissenys de flux axial basats en escombretes de corrent continu, mentre que el nou producte és un disseny de corrent altern sense escombretes completament segellat.
Les bobines dels motors de corrent continu i de corrent altern romanen estacionàries, però els rotors duals utilitzen imants permanents en lloc d'armadures giratòries. L'avantatge d'aquest mètode és que no requereix inversió mecànica.
El disseny axial de corrent altern també pot utilitzar controladors de motor de corrent altern trifàsic estàndard per a motors radials. Això ajuda a reduir costos, ja que el controlador controla el corrent de parell, no la velocitat. El controlador requereix una freqüència de 12 kHz o superior, que és la freqüència principal d'aquests dispositius.
La freqüència més alta prové de la inductància del bobinatge més baixa de 20 µH. La freqüència pot controlar el corrent per minimitzar l'ondulació del corrent i garantir un senyal sinusoidal el més suau possible. Des d'una perspectiva dinàmica, aquesta és una manera excel·lent d'aconseguir un control més suau del motor permetent canvis ràpids de parell.
Aquest disseny adopta un debanament de doble capa distribuït, de manera que el flux magnètic flueix del rotor a un altre rotor a través de l'estator, amb un recorregut molt curt i una major eficiència.
La clau d'aquest disseny és que pot funcionar a un voltatge màxim de 60 V i no és adequat per a sistemes de voltatge més alt. Per tant, es pot utilitzar per a motocicletes elèctriques i vehicles de quatre rodes de classe L7e com ara el Renault Twizy.
La tensió màxima de 60 V permet integrar el motor en sistemes elèctrics convencionals de 48 V i simplifica les tasques de manteniment.
Les especificacions de les motocicletes de quatre rodes L7e del Reglament marc europeu 2002/24/CE estipulen que el pes dels vehicles utilitzats per al transport de mercaderies no supera els 600 quilograms, excloent el pes de les bateries. Aquests vehicles no poden transportar més de 200 quilograms de passatgers, més de 1000 quilograms de càrrega i més de 15 quilowatts de potència del motor. El mètode de bobinatge distribuït pot proporcionar un parell de 75-100 Nm, amb una potència màxima de sortida de 20-25 kW i una potència contínua de 15 kW.
El repte del flux axial rau en com els debanaments de coure dissipen la calor, cosa que és difícil perquè la calor ha de passar a través del rotor. El debanament distribuït és la clau per resoldre aquest problema, ja que té un gran nombre de ranures polars. D'aquesta manera, hi ha una superfície més gran entre el coure i la carcassa, i la calor es pot transferir a l'exterior i descarregar mitjançant un sistema de refrigeració líquida estàndard.
Els múltiples pols magnètics són clau per utilitzar formes d'ona sinusoidals, que ajuden a reduir els harmònics. Aquests harmònics es manifesten com a escalfament dels imants i el nucli, mentre que els components de coure no poden transportar la calor. Quan la calor s'acumula als imants i als nuclis de ferro, l'eficiència disminueix, per la qual cosa l'optimització de la forma d'ona i la trajectòria tèrmica és crucial per al rendiment del motor.
El disseny del motor s'ha optimitzat per reduir costos i aconseguir una producció en massa automatitzada. Un anell de carcassa extruït no requereix un processament mecànic complex i pot reduir els costos de material. La bobina es pot enrotllar directament i s'utilitza un procés d'unió durant el procés d'enrotllament per mantenir la forma correcta del muntatge.
El punt clau és que la bobina està feta de filferro estàndard disponible comercialment, mentre que el nucli de ferro està laminat amb acer de transformador estàndard, que simplement cal tallar-lo per donar-li forma. Altres dissenys de motors requereixen l'ús de materials magnètics tous en la laminació del nucli, que pot ser més car.
L'ús de bobinatges distribuïts significa que l'acer magnètic no necessita ser segmentat; poden tenir formes més simples i fàcils de fabricar. Reduir la mida de l'acer magnètic i garantir la seva facilitat de fabricació té un impacte significatiu en la reducció de costos.
El disseny d'aquest motor de flux axial també es pot personalitzar segons els requisits del client. Els clients tenen versions personalitzades desenvolupades al voltant d'un disseny bàsic. Després es fabriquen en una línia de producció de prova per a una verificació inicial de la producció, que es pot replicar en altres fàbriques.
La personalització es deu principalment al fet que el rendiment del vehicle no només depèn del disseny del motor de flux magnètic axial, sinó també de la qualitat de l'estructura del vehicle, la bateria i el BMS.
Data de publicació: 28 de setembre de 2023
