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 adecuado 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 nos imáns e os 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 do 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
