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 tren motriz movendo o motor desde o eixe ata o interior das rodas.
1.Eixo de potencia
Motores de fluxo axialestán recibindo cada vez máis atención (ganan tracción).Durante moitos anos, este tipo de motor utilizouse en aplicacións estacionarias como ascensores e maquinaria agrícola, pero durante a última década, moitos desenvolvedores traballaron para mellorar esta tecnoloxía e aplicala a motocicletas eléctricas, vainas de aeroportos, camións de carga, vehículos, e mesmo avións.
Os motores tradicionais de fluxo radial usan imáns permanentes ou motores de indución, que lograron un avance significativo na optimización do peso e do custo.Non obstante, enfróntanse a moitas dificultades para seguir desenvolvendo.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 determinado 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 é a miúdo un factor crucial.A estrutura compacta dos motores axiais garante unha maior densidade de potencia e 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 superando o 96%.Isto é grazas ao camiño de fluxo unidimensional máis curto, que é comparable ou aínda 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: estator único de rotor dual (ás veces denominado máquinas de estilo toro) e estator dual de rotor único.
Actualmente, a maioría dos motores de imáns permanentes usan topoloxía de fluxo radial.O circuíto de fluxo magnético comeza cun imán permanente no rotor, pasa polo primeiro dente do estator e logo 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 dobre rotor, o bucle de fluxo comeza desde o primeiro imán, pasa axialmente polos dentes do estator e chega inmediatamente ao segundo imán.
Isto significa que o camiño do fluxo é moito máis curto que o dos motores de fluxo radial, o que resulta en menores volumes do motor, maior densidade de potencia e eficiencia á mesma potencia.
Un motor radial, onde o fluxo magnético pasa polo primeiro dente e despois volve ao seguinte a través do estator, chegando ao imán.O fluxo magnético segue un camiño bidimensional.
O camiño do fluxo magnético dunha máquina de fluxo magnético axial é unidimensional, polo que se pode usar aceiro eléctrico orientado a grans.Este aceiro facilita o paso do fluxo, mellorando así a eficiencia.
Os motores de fluxo radial utilizan tradicionalmente bobinados distribuídos, con ata a metade dos extremos dos devanados sen funcionar.O saliente da bobina producirá un peso adicional, custo, resistencia eléctrica e máis perda de calor, obrigando aos deseñadores a mellorar o deseño do enrolamento.
A bobina remata demotores de fluxo axialson moito menos, e algúns deseños usan enrolamentos concentrados ou segmentados, que son completamente eficaces.Para as máquinas radiais de estator segmentado, a ruptura do camiño do fluxo magnético no estator pode provocar 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 de provedores.
3. Desenvolvemento
Os motores de fluxo axial enfróntanse a serios retos no deseño e produción, a pesar das súas vantaxes tecnolóxicas, os seus custos son moi superiores aos dos motores radiais.A xente ten unha comprensión moi completa dos motores radiais, e tamén están dispoñibles métodos de fabricación e equipos mecánicos.
Un dos principais retos 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 de calor, xa que o enrolamento está situado no fondo 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 dobre rotor que utiliza unha máquina de dobre rotor cunha topoloxía de xugos (é dicir, eliminando o xugo de ferro do estator pero conservando os dentes de ferro) supera algúns destes problemas sen ampliar o diámetro do motor e o imán.
Non obstante, a eliminación do xugo trae novos retos, como como fixar e colocar os dentes individuais sen unha conexión mecánica do xugo.O arrefriamento tamén é un reto maior.
Tamén é difícil producir o rotor e manter o espazo de aire, xa que o disco do rotor atrae ao rotor.A vantaxe é que os discos do rotor están conectados directamente a través dun anel de 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 rotor único de dobre estator non afrontan os retos dos motores circulares, pero o deseño do estator é moito máis complexo e difícil de conseguir a automatización, 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 dos vehículos eléctricos
A fiabilidade é fundamental na industria do automóbil, e demostra a fiabilidade e robustez de diferentesmotores de fluxo axialconvencer aos fabricantes de que estes motores son axeitados para a produción en masa sempre foi un desafío.Isto levou aos provedores de motores axiais a levar a cabo amplos programas de validación por si mesmos, cada provedor demostrando que a fiabilidade do seu motor non é diferente dos motores tradicionais de fluxo radial.
O único compoñente que pode desgastarse nunmotor de fluxo axialson os rodamentos.A lonxitude do fluxo magnético axial é relativamente curta e a posición dos rodamentos é máis próxima, normalmente deseñada para ser lixeiramente "sobredimensionada".Afortunadamente, o motor de fluxo axial ten unha masa do rotor máis pequena e pode soportar cargas dinámicas do eixe do rotor máis baixas.Polo tanto, a forza real aplicada aos rodamentos é moito menor que a do motor de fluxo radial.
O eixe electrónico é unha das primeiras aplicacións dos motores axiais.O ancho máis fino pode encapsular o motor e a caixa de cambios no eixe.Nas aplicacións híbridas, a lonxitude axial máis curta do motor acurta á súa vez 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 as 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 proporciona novas opcións de deseño para plataformas de vehículos, como a colocación de paquetes de baterías.
4.1 Armadura segmentada
A topoloxía do motor YASA (Yokeless and Segmented Armature) é un exemplo de topoloxía de estator único de rotor dual, que reduce a complexidade de fabricación e é adecuada 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 proporcionar unha corrente de 200 kVA para o motor.O controlador ten un volume aproximado de 5 litros e un peso de 5,8 quilogramos, incluíndo a xestión térmica con refrixeración por aceite dieléctrico, adecuado para motores de fluxo axial, así como de indución e de fluxo radial.
Isto permite aos fabricantes de equipos orixinais de vehículos eléctricos e aos desenvolvedores de primeiro nivel elixir de forma flexible 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, aumentando así o aumento da autonomía.
5. Aplicación das motocicletas eléctricas
Para motocicletas eléctricas e ATV, algunhas empresas desenvolveron motores de fluxo axial de CA.O deseño que se usa habitualmente para este tipo de vehículos son os deseños de fluxo axial baseados en cepillo de CC, mentres que o novo produto é un deseño sen escobillas totalmente selado de CA.
As bobinas dos motores DC e AC permanecen estacionarias, pero os rotores dobres usan imáns permanentes en lugar de armaduras rotativas.A vantaxe deste método é que non require inversión mecánica.
O deseño axial de CA tamén pode usar controladores de motores CA trifásicos estándar para motores radiais.Isto axuda a reducir os 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 frecuencia máis alta provén da inductancia do enrolamento máis baixa de 20 µ H. 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 boa forma de conseguir un control do motor máis suave ao permitir cambios rápidos de par.
Este deseño adopta un enrolamento de dobre capa distribuído, polo que o fluxo magnético flúe desde o rotor a outro rotor a través do estator, cun camiño moi curto e maior eficiencia.
A clave deste deseño é que pode funcionar cunha tensión máxima de 60 V e non é apta para sistemas de maior tensión.Polo tanto, pódese utilizar para motocicletas eléctricas e vehículos de catro rodas clase L7e como Renault Twizy.
A tensión máxima de 60 V permite que o motor se integre nos sistemas eléctricos principais de 48 V e simplifica os traballos de mantemento.
As especificacións das motocicletas de catro rodas L7e do Regulamento Marco Europeo 2002/24/CE establecen que o peso dos vehículos utilizados para o transporte de mercadorías non supera os 600 quilogramos, excluíndo o peso das baterías.Estes vehículos non poden transportar máis de 200 quilogramos de pasaxeiros, non máis de 1000 quilogramos de carga e non máis de 15 quilovatios de potencia do motor.O método de enrolamento 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 que é difícil porque a calor debe pasar polo rotor.O enrolamento distribuído é a clave para solucionar este problema, xa que conta cunha gran cantidade de ranuras para postes.Deste xeito, hai unha maior superficie entre o cobre e a casca, e a calor pode ser transferida ao exterior e descargada por un sistema de refrixeración líquida estándar.
Múltiples polos magnéticos son fundamentais para utilizar formas de onda sinusoidais, que axudan a reducir os harmónicos.Estes harmónicos maniféstanse como quecemento dos imáns e do núcleo, mentres que os compoñentes de cobre non poden levar a calor.Cando a calor se acumula en imáns e núcleos de ferro, a eficiencia diminúe, polo que optimizar a forma de onda e o camiño da calor é fundamental para o rendemento do motor.
O deseño do motor foi optimizado para reducir custos e conseguir unha produción en masa automatizada.Un anel de carcasa extruída non require un procesamento mecánico complexo e pode reducir os custos do material.A bobina pódese enrolar directamente e úsase un proceso de unión durante o proceso de enrolamento para manter a forma correcta da montaxe.
O punto clave é que a bobina está feita de fío estándar dispoñible comercialmente, mentres que o núcleo de ferro está laminado con aceiro transformador estándar colocado no estante, que simplemente debe ser cortado en 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 fai que o aceiro magnético non teña que ser segmentado;Poden ser formas máis sinxelas e máis 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 teñen versións personalizadas desenvolvidas en torno ao deseño básico.A continuación, fabricado nunha liña de produción de proba para a verificación da produción precoz, que pode ser replicado 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.
Hora de publicación: 28-09-2023