En comparación cos motores de fluxo radial, os motores de fluxo axial teñen moitas vantaxes no deseño de vehículos eléctricos. Por exemplo, os motores de fluxo axial poden cambiar o deseño do sistema de propulsión movendo o motor do eixo ao interior das rodas.
1. Eixo de poder
Motores de fluxo axialestán a recibir unha atención crecente (gañan tracción). Durante moitos anos, este tipo de motor utilizouse en aplicacións estacionarias como ascensores e maquinaria agrícola, pero na última década, moitos desenvolvedores estiveron a traballar para mellorar esta tecnoloxía e aplicala a motocicletas eléctricas, cápsulas de aeroportos, camións de carga, vehículos eléctricos e mesmo avións.
Os motores de fluxo radial tradicionais empregan imáns permanentes ou motores de indución, que fixeron progresos significativos na optimización do peso e o custo. Non obstante, enfróntanse a moitas dificultades para continuar o seu desenvolvemento. O fluxo axial, un tipo de motor completamente diferente, pode ser unha boa alternativa.
En comparación cos motores radiais, a superficie magnética efectiva dos motores de imán permanente de fluxo axial é a superficie do rotor do motor, non o diámetro exterior. Polo tanto, nun certo volume de motor, os motores de imán permanente de fluxo axial adoitan proporcionar un maior par.
Motores de fluxo axialson máis compactos; en comparación cos motores radiais, a lonxitude axial do motor é moito máis curta. Para os motores de rodas internas, este adoita ser un factor crucial. A estrutura compacta dos motores axiais garante unha maior densidade de potencia e densidade de par que os motores radiais similares, eliminando así a necesidade de velocidades de funcionamento extremadamente altas.
A eficiencia dos motores de fluxo axial tamén é moi alta, normalmente superior ao 96 %. Isto débese á traxectoria de fluxo unidimensional máis curta, que é comparable ou incluso maior en eficiencia en comparación cos mellores motores de fluxo radial 2D do mercado.
A lonxitude do motor é máis curta, normalmente de 5 a 8 veces máis curta, e o peso tamén se reduce de 2 a 5 veces. Estes dous factores cambiaron a elección dos deseñadores de plataformas de vehículos eléctricos.
2. Tecnoloxía de fluxo axial
Hai dúas topoloxías principais paramotores de fluxo axial: máquinas de dobre rotor e estator único (ás veces denominadas máquinas de estilo toroide) e máquinas de dobre rotor único.
Actualmente, a maioría dos motores de imán permanente empregan unha topoloxía de fluxo radial. O circuíto de fluxo magnético comeza cun imán permanente no rotor, pasa polo primeiro dente do estator e, a continuación, flúe radialmente ao longo do estator. Despois, pasa polo segundo dente para chegar ao segundo aceiro magnético do rotor. Nunha topoloxía de fluxo axial de rotor dual, o bucle de fluxo comeza no primeiro imán, pasa axialmente polos dentes do estator e chega inmediatamente ao segundo imán.
Isto significa que a traxectoria do fluxo é moito máis curta que a dos motores de fluxo radial, o que resulta en volumes de motor máis pequenos, maior densidade de potencia e eficiencia coa mesma potencia.
Un motor radial, no que o fluxo magnético pasa polo primeiro dente e logo volve ao seguinte dente a través do estator, chegando ao imán. O fluxo magnético segue unha traxectoria bidimensional.
A traxectoria do fluxo magnético dunha máquina de fluxo magnético axial é unidimensional, polo que se pode empregar aceiro eléctrico de gran orientado. Este aceiro facilita o paso do fluxo, mellorando así a eficiencia.
Os motores de fluxo radial empregan tradicionalmente enrolamentos distribuídos, con ata a metade dos extremos dos enrolamentos sen funcionar. O voladizo da bobina resultará nun peso adicional, custo, resistencia eléctrica e unha maior perda de calor, o que obrigará aos deseñadores a mellorar o deseño dos enrolamentos.
Os extremos da bobinamotores de fluxo axialson moito menos, e algúns deseños empregan enrolamentos concentrados ou segmentados, que son completamente efectivos. Para as máquinas radiais de estator segmentado, a rotura da traxectoria do fluxo magnético no estator pode traer perdas adicionais, pero para os motores de fluxo axial, isto non é un problema. O deseño do enrolamento da bobina é a clave para distinguir o nivel dos provedores.
3. Desenvolvemento
Os motores de fluxo axial enfróntanse a serios desafíos no deseño e na produción, a pesar das súas vantaxes tecnolóxicas, os seus custos son moito maiores que os dos motores radiais. A xente ten un coñecemento moi profundo dos motores radiais, e os métodos de fabricación e os equipos mecánicos tamén están dispoñibles facilmente.
Un dos principais desafíos dos motores de fluxo axial é manter un espazo de aire uniforme entre o rotor e o estator, xa que a forza magnética é moito maior que a dos motores radiais, o que dificulta o mantemento dun espazo de aire uniforme. O motor de fluxo axial de dobre rotor tamén ten problemas de disipación da calor, xa que o enrolamento está situado no interior do estator e entre os dous discos do rotor, o que dificulta moito a disipación da calor.
Os motores de fluxo axial tamén son difíciles de fabricar por moitas razóns. A máquina de rotor dual que usa unha máquina de rotor dual cunha topoloxía de xugos (é dicir, retirando o xugo de ferro do estator pero conservando os dentes de ferro) supera algúns destes problemas sen expandir o diámetro do motor e o imán.
Non obstante, a eliminación do xugo supón novos retos, como a fixación e colocación de dentes individuais sen unha conexión mecánica do xugo. O arrefriamento tamén supón un reto maior.
Tamén é difícil producir o rotor e manter o espazo de aire, xa que o disco do rotor atrae o rotor. A vantaxe é que os discos do rotor están conectados directamente a través dun anel do eixe, polo que as forzas se anulan entre si. Isto significa que o rodamento interno non soporta estas forzas e a súa única función é manter o estator na posición media entre os dous discos do rotor.
Os motores de dobre estator e rotor único non se enfrontan aos desafíos dos motores circulares, pero o deseño do estator é moito máis complexo e difícil de automatizar, e os custos relacionados tamén son elevados. A diferenza de calquera motor de fluxo radial tradicional, os procesos de fabricación de motores axiais e os equipos mecánicos xurdiron recentemente.
4. Aplicación de vehículos eléctricos
A fiabilidade é crucial na industria do automóbil, e demostrar a fiabilidade e a robustez de diferentesmotores de fluxo axialConvencer aos fabricantes de que estes motores son axeitados para a produción en masa sempre foi un reto. Isto levou aos provedores de motores axiais a levar a cabo amplos programas de validación pola súa conta, e cada provedor demostrou que a fiabilidade do seu motor non é diferente da dos motores de fluxo radial tradicionais.
O único compoñente que se pode desgastar nunmotor de fluxo axialson os rolamentos. A lonxitude do fluxo magnético axial é relativamente curta e a posición dos rolamentos é máis próxima, xeralmente deseñados para estar lixeiramente "sobredimensionados". Afortunadamente, o motor de fluxo axial ten unha masa de rotor menor e pode soportar cargas dinámicas do eixe do rotor máis baixas. Polo tanto, a forza real aplicada aos rolamentos é moito menor que a do motor de fluxo radial.
O eixo electrónico é unha das primeiras aplicacións dos motores axiais. A súa menor anchura pode encapsular o motor e a caixa de cambios no eixo. Nas aplicacións híbridas, a menor lonxitude axial do motor, á súa vez, acurta a lonxitude total do sistema de transmisión.
O seguinte paso é instalar o motor axial na roda. Deste xeito, a potencia pódese transmitir directamente do motor ás rodas, mellorando a eficiencia do motor. Debido á eliminación de transmisións, diferenciais e eixes de transmisión, tamén se reduciu a complexidade do sistema.
Non obstante, parece que aínda non apareceron configuracións estándar. Cada fabricante de equipos orixinais está a investigar configuracións específicas, xa que os diferentes tamaños e formas dos motores axiais poden alterar o deseño dos vehículos eléctricos. En comparación cos motores radiais, os motores axiais teñen unha maior densidade de potencia, o que significa que se poden usar motores axiais máis pequenos. Isto ofrece novas opcións de deseño para as plataformas dos vehículos, como a colocación de paquetes de baterías.
4.1 Armadura segmentada
A topoloxía de motor YASA (Yokeless and Segmented Armature, armadura segmentada e sen xugo) é un exemplo dunha topoloxía de rotor único e estator dual, que reduce a complexidade da fabricación e é axeitada para a produción en masa automatizada. Estes motores teñen unha densidade de potencia de ata 10 kW/kg a velocidades de 2000 a 9000 rpm.
Usando un controlador dedicado, pode fornecer unha corrente de 200 kVA para o motor. O controlador ten un volume de aproximadamente 5 litros e pesa 5,8 quilogramos, incluíndo a xestión térmica con refrixeración por aceite dieléctrico, axeitado tanto para motores de fluxo axial como para motores de indución e fluxo radial.
Isto permite aos fabricantes de equipos orixinais de vehículos eléctricos e aos desenvolvedores de primeiro nivel elixir con flexibilidade o motor axeitado en función da aplicación e do espazo dispoñible. O menor tamaño e peso fan que o vehículo sexa máis lixeiro e teña máis baterías, o que aumenta a autonomía.
5. Aplicación de motocicletas eléctricas
Para motocicletas e vehículos todo terreo eléctricos, algunhas empresas desenvolveron motores de fluxo axial de CA. O deseño máis empregado para este tipo de vehículo son os deseños de fluxo axial de CC baseados en escobillas, mentres que o novo produto é un deseño de CA sen escobillas totalmente selado.
As bobinas dos motores de corrente continua e corrente alterna permanecen estacionarias, pero os rotores duplos usan imáns permanentes en lugar de armaduras rotatorias. A vantaxe deste método é que non require inversión mecánica.
O deseño axial de CA tamén pode usar controladores de motor de CA trifásicos estándar para motores radiais. Isto axuda a reducir custos, xa que o controlador controla a corrente de par, non a velocidade. O controlador require unha frecuencia de 12 kHz ou superior, que é a frecuencia principal destes dispositivos.
A maior frecuencia provén da menor inductancia do enrolamento de 20 µH. A frecuencia pode controlar a corrente para minimizar a ondulación da corrente e garantir un sinal sinusoidal o máis suave posible. Desde unha perspectiva dinámica, esta é unha excelente maneira de conseguir un control do motor máis suave ao permitir cambios rápidos de par.
Este deseño adopta un enrolamento de dobre capa distribuído, de xeito que o fluxo magnético flúe do rotor a outro rotor a través do estator, cun percorrido moi curto e unha maior eficiencia.
A clave deste deseño é que pode funcionar a unha tensión máxima de 60 V e non é axeitado para sistemas de tensión máis alta. Polo tanto, pódese usar para motocicletas eléctricas e vehículos de catro rodas de clase L7e como o Renault Twizy.
A tensión máxima de 60 V permite integrar o motor nos sistemas eléctricos convencionais de 48 V e simplifica os traballos de mantemento.
As especificacións para motocicletas de catro rodas L7e do Regulamento Marco Europeo 2002/24/CE estipulan que o peso dos vehículos utilizados para o transporte de mercadorías non debe superar os 600 quilogramos, excluíndo o peso das baterías. Estes vehículos non poden transportar máis de 200 quilogramos de pasaxeiros, máis de 1000 quilogramos de carga e unha potencia do motor superior a 15 quilovatios. O método de bobinado distribuído pode proporcionar un par de 75-100 Nm, cunha potencia de saída máxima de 20-25 kW e unha potencia continua de 15 kW.
O desafío do fluxo axial reside en como os enrolamentos de cobre disipan a calor, o cal é difícil porque a calor debe pasar a través do rotor. O enrolamento distribuído é a clave para resolver este problema, xa que ten un gran número de ranuras polos. Deste xeito, hai unha maior superficie entre o cobre e a carcasa, e a calor pode transferirse ao exterior e descargarse mediante un sistema de refrixeración líquida estándar.
A presenza de varios polos magnéticos é fundamental para utilizar formas de onda sinusoidais, que axudan a reducir os harmónicos. Estes harmónicos maniféstanse como o quecemento dos imáns e do núcleo, mentres que os compoñentes de cobre non poden transportar a calor. Cando a calor se acumula nos imáns e nos núcleos de ferro, a eficiencia diminúe, polo que a optimización da forma de onda e da traxectoria térmica é crucial para o rendemento do motor.
O deseño do motor foi optimizado para reducir custos e lograr unha produción en masa automatizada. Un anel de carcasa extruído non require un procesamento mecánico complexo e pode reducir os custos dos materiais. A bobina pódese enrolar directamente e utilízase un proceso de unión durante o proceso de enrolamento para manter a forma correcta do ensamblado.
O punto clave é que a bobina está feita de arame estándar dispoñible comercialmente, mentres que o núcleo de ferro está laminado con aceiro de transformador estándar destilado, que simplemente precisa ser cortado para darlle forma. Outros deseños de motores requiren o uso de materiais magnéticos brandos na laminación do núcleo, o que pode ser máis caro.
O uso de enrolamentos distribuídos significa que o aceiro magnético non precisa ser segmentado; poden ter formas máis sinxelas e fáciles de fabricar. Reducir o tamaño do aceiro magnético e garantir a súa facilidade de fabricación ten un impacto significativo na redución de custos.
O deseño deste motor de fluxo axial tamén se pode personalizar segundo os requisitos do cliente. Os clientes dispoñen de versións personalizadas desenvolvidas arredor dun deseño básico. Despois fabrícanse nunha liña de produción de proba para a verificación temperá da produción, que se pode replicar noutras fábricas.
A personalización débese principalmente a que o rendemento do vehículo depende non só do deseño do motor de fluxo magnético axial, senón tamén da calidade da estrutura do vehículo, da batería e do BMS.
Data de publicación: 28 de setembro de 2023
