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 tren motriu movent el motor de l'eix a l'interior de les rodes.
1.Eix de potència
Motors de flux axialestan rebent una atenció creixent (guany tracció). Durant molts anys, aquest tipus de motor s'ha utilitzat en aplicacions estacionàries com 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'aeroports, camions de càrrega, vehicles, i fins i tot avions.
Els motors de flux radial tradicionals utilitzen imants permanents o motors d'inducció, que han avançat significativament en l'optimització del pes i el cost. Tanmateix, s'enfronten a moltes dificultats per seguir 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 determinat volum de motor, els motors d'imants permanents de flux axial solen 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 rodes interns, aquest és sovint un factor crucial. L'estructura compacta dels motors axials garanteix una densitat de potència i una densitat de parell més alta 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, normalment superant el 96%. Això és gràcies al camí de flux unidimensional més curt, que és comparable o fins i tot més gran 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 permotors de flux axial: estator únic de doble rotor (de vegades es coneix com a màquines d'estil torus) i estator doble de rotor únic.
Actualment, la majoria dels motors d'imants permanents utilitzen 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. A continuació, passeu 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 a través de 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, donant lloc a volums de motor més petits, una densitat de potència més alta i una eficiència a la mateixa potència.
Un motor radial, on el flux magnètic passa per 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, de manera que es pot utilitzar acer elèctric orientat al gra. Aquest acer facilita el pas del flux, millorant així l'eficiència.
Els motors de flux radial utilitzen tradicionalment bobinatges distribuïts, amb fins a la meitat dels extrems del bobinat sense funcionar. El voladís de la bobina donarà lloc a un pes, un cost, una resistència elèctrica i una pèrdua de calor addicionals, obligant els dissenyadors a millorar el disseny de la bobina.
Els extrems de la bobinamotors de flux axialsón molt menys, i alguns dissenys utilitzen bobinatges 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 bobinatge de la bobina és la clau per distingir el nivell de proveïdors.
3. Desenvolupament
Els motors de flux axial s'enfronten a seriosos reptes de disseny i producció, malgrat els seus avantatges tecnològics, els seus costos són molt superiors als dels motors radials. La gent té una comprensió molt completa dels motors radials, i els mètodes de fabricació i els equips mecànics també estan disponibles.
Un dels principals reptes dels motors de flux axial és mantenir un espai d'aire uniforme entre el rotor i l'estator, ja que la força magnètica és molt més gran que la dels motors radials, dificultant el manteniment d'un espai d'aire uniforme. El motor de flux axial de doble rotor també té problemes de dissipació de calor, ja que el bobinatge es troba a les profunditats de l'estator i entre els dos discs del rotor, cosa que dificulta molt la dissipació de la 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 arreglar i col·locar les dents individuals sense una connexió mecànica del jou. La refrigeració també és un repte més gran.
També és difícil produir el rotor i mantenir l'entrefer, ja que el disc del rotor atreu el rotor. L'avantatge és que els discos del rotor estan connectats directament a través d'un anell d'eix, de manera que les forces s'anul·len mútuament. Això vol dir 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 d'un sol rotor de doble estator no s'enfronten als reptes dels motors circulars, però el disseny de l'estator és molt més complex i difícil d'aconseguir l'automatització, 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 només han sorgit recentment.
4. Aplicació de vehicles elèctrics
La fiabilitat és crucial en la indústria de l'automòbil, i demostra la fiabilitat i robustesa de diferentsmotors de flux axialconvèncer els fabricants que aquests motors són adequats per a la producció en massa ha estat sempre un repte. Això ha fet que els proveïdors de motors axials portin a terme amplis programes de validació pel seu compte, amb cada proveïdor demostrant que la fiabilitat del seu motor no és diferent 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, normalment dissenyada per ser lleugerament "sobredimensionada". Afortunadament, el motor de flux axial té una massa del 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 menor 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 des del motor a les rodes, millorant l'eficiència del motor. A causa de l'eliminació de transmissions, diferencials i eixos de transmissió, també s'ha reduït la complexitat del sistema.
Tanmateix, 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, el que significa que es poden utilitzar motors axials més petits. Això ofereix noves opcions de disseny per a plataformes de vehicles, com ara la col·locació de paquets de bateries.
4.1 Armadura segmentada
La topologia del motor YASA (Yokeless and Segmented Armature) és un exemple de topologia d'un estator de doble rotor, que redueix la complexitat de la 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 una corrent de 200 kVA per al motor. El controlador té un volum aproximat de 5 litres i un pes de 5,8 quilograms, inclosa la gestió tèrmica amb refrigeració d'oli dielèctric, adequat per a motors de flux axial, així com motors d'inducció i de flux radial.
Això permet als fabricants d'equips originals de vehicles elèctrics i als desenvolupadors de primer nivell triar de manera flexible el motor adequat en funció de l'aplicació i l'espai disponible. La mida i el pes més petits fan que el vehicle sigui més lleuger i tingui més bateries, augmentant així l'autonomia.
5. Aplicació de les motos elèctriques
Per a motocicletes elèctriques i vehicles tot terreny, algunes empreses han desenvolupat motors de flux axial de CA. El disseny que s'utilitza habitualment per a aquest tipus de vehicles són els dissenys de flux axial basats en raspalls de CC, mentre que el nou producte és un disseny sense escombretes totalment segellat de CA.
Les bobines dels motors de corrent continu i de CA es mantenen estacionàries, però els rotors duals utilitzen imants permanents en lloc d'armadures giratòries. L'avantatge d'aquest mètode és que no requereix cap marxa enrere mecànica.
El disseny axial de CA també pot utilitzar controladors de motor de CA trifàsics estàndard per a motors radials. Això ajuda a reduir els 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 menor inductància del bobinat de 20 µ H. La freqüència pot controlar el corrent per minimitzar l'ondulació actual i assegurar un senyal sinusoïdal el més suau possible. Des d'una perspectiva dinàmica, aquesta és una manera fantàstica d'aconseguir un control més suau del motor permetent canvis ràpids de parell.
Aquest disseny adopta un bobinatge de doble capa distribuït, de manera que el flux magnètic flueix des del rotor a un altre rotor a través de l'estator, amb un recorregut molt curt i una eficiència més alta.
La clau d'aquest disseny és que pot funcionar a una tensió màxima de 60 V i no és adequat per a sistemes de tensió més alta. Per tant, es pot utilitzar per a motocicletes elèctriques i vehicles de quatre rodes de classe L7e com Renault Twizy.
La tensió màxima de 60 V permet integrar el motor als sistemes elèctrics principals de 48 V i simplifica els treballs de manteniment.
Les especificacions de les motocicletes de quatre rodes L7e del Reglament marc europeu 2002/24/CE estableixen 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, no més de 1.000 quilograms de càrrega i no més de 15 quilowatts de potència del motor. El mètode de bobinat distribuït pot proporcionar un parell de 75-100 Nm, amb una potència de sortida màxima de 20-25 kW i una potència contínua de 15 kW.
El repte del flux axial rau en com els bobinatges de coure dissipen la calor, cosa que és difícil perquè la calor ha de passar pel rotor. El bobinatge distribuït és la clau per resoldre aquest problema, ja que té un gran nombre de ranures de pols. 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-se mitjançant un sistema de refrigeració líquid estàndard.
Múltiples pols magnètics són clau per utilitzar formes d'ona sinusoïdals, que ajuden a reduir els harmònics. Aquests harmònics es manifesten com l'escalfament dels imants i del nucli, mentre que els components de coure no poden endur-se la calor. Quan la calor s'acumula als imants i als nuclis de ferro, l'eficiència disminueix, per això l'optimització de la forma d'ona i el camí de la calor és crucial per al rendiment del motor.
El disseny del motor s'ha optimitzat per reduir costos i aconseguir una producció massiva automatitzada. Un anell de carcassa extruït no requereix un processament mecànic complex i pot reduir els costos del material. La bobina es pot enrotllar directament i s'utilitza un procés d'unió durant el procés de bobinat 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 del transformador de prestatge estàndard, que simplement s'ha de tallar en forma. Altres dissenys de motor requereixen l'ús de materials magnètics suaus a la laminació del nucli, que pot ser més car.
L'ús de bobinatges distribuïts fa que l'acer magnètic no hagi de ser segmentat; Poden ser de formes més senzilles i més 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 del disseny bàsic. Després es fabriquen en una línia de producció de prova per a la verificació primerenca de la producció, que es pot replicar en altres fàbriques.
La personalització es deu principalment perquè el rendiment del vehicle depèn no només del disseny del motor de flux magnètic axial, sinó també de la qualitat de l'estructura del vehicle, la bateria i el BMS.
Hora de publicació: 28-set-2023
