Vergeleken met radiale fluxmotoren bieden axiale fluxmotoren veel voordelen bij het ontwerp van elektrische voertuigen. Zo kunnen axiale fluxmotoren het ontwerp van de aandrijflijn veranderen door de motor van de as naar de binnenkant van de wielen te verplaatsen.
1. Machtsas
Axiale fluxmotorenkrijgen steeds meer aandacht (aanhang). Dit type motor wordt al jaren gebruikt in stationaire toepassingen zoals liften en landbouwmachines, maar de afgelopen tien jaar hebben veel ontwikkelaars gewerkt aan het verbeteren van deze technologie en deze toegepast in elektrische motorfietsen, luchthavenvoertuigen, vrachtwagens, elektrische voertuigen en zelfs vliegtuigen.
Traditionele radiale fluxmotoren maken gebruik van permanente magneten of inductiemotoren, die aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt in gewichts- en kostenoptimalisatie. Ze stuiten echter op veel moeilijkheden bij de verdere ontwikkeling. Axiale flux, een compleet ander type motor, kan een goed alternatief zijn.
Vergeleken met radiale motoren is het effectieve magnetische oppervlak van axiale permanentmagneetmotoren het oppervlak van de motorrotor, niet de buitendiameter. Daarom kunnen axiale permanentmagneetmotoren bij een bepaald motorvolume doorgaans een groter koppel leveren.
Axiale fluxmotorenZijn compacter; Vergeleken met radiale motoren is de axiale lengte van de motor veel korter. Voor interne wielmotoren is dit vaak een cruciale factor. De compacte constructie van axiale motoren zorgt voor een hogere vermogensdichtheid en koppeldichtheid dan vergelijkbare radiale motoren, waardoor extreem hoge bedrijfssnelheden overbodig zijn.
Het rendement van axiale fluxmotoren is ook zeer hoog, meestal meer dan 96%. Dit is te danken aan het kortere, eendimensionale fluxpad, dat qua rendement vergelijkbaar of zelfs hoger is dan dat van de beste 2D radiale fluxmotoren op de markt.
De motor is korter, meestal 5 tot 8 keer korter, en ook het gewicht is 2 tot 5 keer lager. Deze twee factoren hebben de keuze van ontwerpers van elektrische voertuigplatforms veranderd.
2. Axiale fluxtechnologie
Er zijn twee hoofdtopologieën vooraxiale fluxmotoren: dubbele rotor, enkele stator (soms torusmachines genoemd) en enkele rotor, dubbele stator.
De meeste permanente magneetmotoren maken momenteel gebruik van een radiale fluxtopologie. Het magnetische fluxcircuit begint met een permanente magneet op de rotor, passeert de eerste tand op de stator en stroomt vervolgens radiaal langs de stator. Vervolgens passeert het de tweede tand om het tweede magnetische element op de rotor te bereiken. In een axiale fluxtopologie met dubbele rotor begint de fluxlus bij de eerste magneet, passeert axiaal de statortanden en bereikt direct de tweede magneet.
Dit betekent dat het fluxpad veel korter is dan bij radiale fluxmotoren, wat resulteert in kleinere motorvolumes, een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie bij hetzelfde vermogen.
Een radiale motor, waarbij de magnetische flux door de eerste tand gaat en vervolgens via de stator terugkeert naar de volgende tand, waar het de magneet bereikt. De magnetische flux volgt een tweedimensionaal pad.
Het magnetische fluxpad van een axiale magnetische fluxmachine is eendimensionaal, waardoor korrelgeoriënteerd elektrisch staal kan worden gebruikt. Dit staal vergemakkelijkt de doorgang van de flux, wat de efficiëntie verbetert.
Radiaalfluxmotoren gebruiken traditioneel verdeelde wikkelingen, waarbij tot de helft van de uiteinden van de wikkelingen niet functioneert. De overhang van de spoel resulteert in extra gewicht, kosten, elektrische weerstand en meer warmteverlies, waardoor ontwerpers het wikkelingsontwerp moeten verbeteren.
De spoel eindigt vanaxiale fluxmotorenzijn veel minder, en sommige ontwerpen gebruiken geconcentreerde of gesegmenteerde wikkelingen, die volledig effectief zijn. Bij radiale machines met gesegmenteerde stator kan een breuk in het magnetische fluxpad in de stator extra verliezen veroorzaken, maar bij axiale fluxmotoren is dit geen probleem. Het ontwerp van de spoelwikkeling is de sleutel tot het onderscheiden van leveranciers.
3. Ontwikkeling
Axiale fluxmotoren kennen een aantal serieuze uitdagingen qua ontwerp en productie. Ondanks hun technologische voordelen liggen de kosten aanzienlijk hoger dan die van radiale motoren. Men heeft een zeer grondige kennis van radiale motoren en de productiemethoden en mechanische apparatuur zijn eveneens ruim beschikbaar.
Een van de grootste uitdagingen van axiale fluxmotoren is het handhaven van een gelijkmatige luchtspleet tussen rotor en stator. De magnetische kracht is namelijk veel groter dan bij radiale motoren, waardoor het moeilijk is om een gelijkmatige luchtspleet te handhaven. De axiale fluxmotor met twee rotors heeft ook problemen met warmteafvoer, omdat de wikkeling zich diep in de stator en tussen de twee rotorschijven bevindt, waardoor de warmteafvoer zeer moeilijk is.
Axiale fluxmotoren zijn om vele redenen ook moeilijk te produceren. De dubbele rotormachine, die gebruikmaakt van een dubbele rotormachine met een juktopologie (d.w.z. het verwijderen van het ijzeren juk van de stator maar het behouden van de ijzeren tanden), overwint enkele van deze problemen zonder de motordiameter en magneet te vergroten.
Het verwijderen van het juk brengt echter nieuwe uitdagingen met zich mee, zoals het fixeren en positioneren van individuele tanden zonder mechanische verbinding. Ook het koelen is een grotere uitdaging.
Het is ook lastig om de rotor te produceren en de luchtspleet te behouden, omdat de rotorschijf de rotor aantrekt. Het voordeel is dat de rotorschijven rechtstreeks met elkaar verbonden zijn via een asring, waardoor de krachten elkaar opheffen. Dit betekent dat het binnenlager deze krachten niet kan weerstaan en alleen dient om de stator in de middenpositie tussen de twee rotorschijven te houden.
Dubbele stator-motoren met één rotor kennen niet dezelfde uitdagingen als cirkelmotoren, maar het statorontwerp is veel complexer en lastiger te automatiseren, en de bijbehorende kosten zijn ook hoog. In tegenstelling tot traditionele radiale fluxmotoren zijn de productieprocessen en mechanische apparatuur voor axiale motoren pas recentelijk ontwikkeld.
4. Toepassing van elektrische voertuigen
Betrouwbaarheid is cruciaal in de automobielindustrie en het bewijzen van de betrouwbaarheid en robuustheid van verschillendeaxiale fluxmotorenFabrikanten ervan overtuigen dat deze motoren geschikt zijn voor massaproductie is altijd een uitdaging geweest. Dit heeft leveranciers van axiale motoren ertoe aangezet om zelf uitgebreide validatieprogramma's uit te voeren, waarbij elke leverancier aantoont dat de betrouwbaarheid van hun motoren niet verschilt van die van traditionele radiale fluxmotoren.
Het enige onderdeel dat kan slijten in eenaxiale fluxmotorzijn de lagers. De lengte van de axiale magnetische flux is relatief kort en de lagers zitten dichter bij elkaar, meestal ontworpen om iets "overgedimensioneerd" te zijn. Gelukkig heeft de axiale fluxmotor een kleinere rotormassa en kan hij lagere dynamische rotorasbelastingen weerstaan. Daarom is de daadwerkelijke kracht die op de lagers wordt uitgeoefend veel kleiner dan die van de radiale fluxmotor.
Elektronische assen zijn een van de eerste toepassingen van axiaalmotoren. Door de kleinere breedte kunnen de motor en de versnellingsbak in de as worden ingekapseld. In hybride toepassingen verkort de kortere axiale lengte van de motor op zijn beurt de totale lengte van het transmissiesysteem.
De volgende stap is het installeren van de axiale motor op het wiel. Op deze manier kan het vermogen rechtstreeks van de motor naar de wielen worden overgebracht, wat de efficiëntie van de motor verbetert. Door het weglaten van transmissies, differentiëlen en aandrijfassen is ook de complexiteit van het systeem verminderd.
Standaardconfiguraties lijken echter nog niet beschikbaar te zijn. Elke OEM-fabrikant onderzoekt specifieke configuraties, omdat de verschillende afmetingen en vormen van axiale motoren het ontwerp van elektrische voertuigen kunnen veranderen. Vergeleken met radiale motoren hebben axiale motoren een hogere vermogensdichtheid, waardoor kleinere axiale motoren kunnen worden gebruikt. Dit biedt nieuwe ontwerpmogelijkheden voor voertuigplatforms, zoals de plaatsing van accupakketten.
4.1 Gesegmenteerde anker
De YASA (Yokeless and Segmented Armature) motortopologie is een voorbeeld van een topologie met twee rotoren en één stator. Deze topologie vermindert de productiecomplexiteit en is geschikt voor geautomatiseerde massaproductie. Deze motoren hebben een vermogensdichtheid tot 10 kW/kg bij toerentallen van 2000 tot 9000 tpm.
Met behulp van een speciale controller kan de motor een stroom van 200 kVA leveren. De controller heeft een volume van circa 5 liter en weegt 5,8 kilogram, inclusief thermisch beheer met diëlektrische oliekoeling, en is geschikt voor zowel axiale als inductie- en radiale motoren.
Dit stelt OEM-fabrikanten en eerstelijnsontwikkelaars van elektrische voertuigen in staat om flexibel de juiste motor te kiezen op basis van de toepassing en de beschikbare ruimte. Door het kleinere formaat en gewicht is het voertuig lichter en heeft het meer accu's, wat de actieradius vergroot.
5. Toepassing van elektrische motorfietsen
Voor elektrische motoren en ATV's hebben sommige bedrijven AC-motoren met axiale flux ontwikkeld. Het meest gebruikte ontwerp voor dit type voertuig is een DC-borstelmotor met axiale flux, terwijl het nieuwe product een volledig gesloten, borstelloos AC-ontwerp is.
De spoelen van zowel gelijkstroom- als wisselstroommotoren blijven stationair, maar de dubbele rotoren gebruiken permanente magneten in plaats van roterende ankers. Het voordeel van deze methode is dat er geen mechanische omkering nodig is.
Het axiale AC-ontwerp kan ook gebruikmaken van standaard driefase AC-motorregelaars voor radiale motoren. Dit helpt kosten te besparen, omdat de regelaar de stroomsterkte of het koppel regelt, niet de snelheid. De regelaar vereist een frequentie van 12 kHz of hoger, wat de gangbare frequentie van dergelijke apparaten is.
De hogere frequentie is afkomstig van de lagere wikkelinductantie van 20 µH. De frequentie kan de stroom regelen om de rimpel te minimaliseren en een zo vloeiend mogelijk sinusvormig signaal te garanderen. Vanuit dynamisch perspectief is dit een uitstekende manier om een vloeiendere motorregeling te bereiken door snelle koppelveranderingen mogelijk te maken.
Bij dit ontwerp wordt gebruikgemaakt van een verdeelde dubbellaagse wikkeling, waardoor de magnetische flux via de stator van de rotor naar een andere rotor stroomt, met een zeer kort pad en een hogere efficiëntie.
De sleutel tot dit ontwerp is dat het kan werken op een maximale spanning van 60 V en niet geschikt is voor systemen met een hogere spanning. Daarom kan het worden gebruikt voor elektrische motorfietsen en L7e-klasse vierwielers zoals de Renault Twizy.
Dankzij de maximale spanning van 60 V kan de motor worden geïntegreerd in gangbare 48 V-elektrische systemen, wat onderhoudswerkzaamheden vereenvoudigt.
De specificaties voor L7e vierwielige motorfietsen in de Europese Kaderverordening 2002/24/EG bepalen dat het gewicht van voertuigen die worden gebruikt voor het vervoer van goederen niet meer dan 600 kilogram mag bedragen, exclusief het gewicht van de accu's. Deze voertuigen mogen maximaal 200 kilogram passagiers, maximaal 1000 kilogram vracht en maximaal 15 kilowatt motorvermogen vervoeren. De gedistribueerde wikkelmethode kan een koppel van 75-100 Nm leveren, met een piekvermogen van 20-25 kW en een continu vermogen van 15 kW.
De uitdaging van axiale flux ligt in de manier waarop koperen wikkelingen warmte afvoeren, wat lastig is omdat de warmte door de rotor moet stromen. De verspreide wikkeling is de sleutel tot de oplossing van dit probleem, omdat deze een groot aantal poolsleuven heeft. Op deze manier is er een groter oppervlak tussen het koper en de behuizing, waardoor warmte naar buiten kan worden overgedragen en via een standaard vloeistofkoelsysteem kan worden afgevoerd.
Meerdere magnetische polen zijn essentieel voor het benutten van sinusvormige golfvormen, die helpen bij het verminderen van harmonischen. Deze harmonischen manifesteren zich in de opwarming van de magneten en de kern, terwijl koperen componenten de warmte niet kunnen afvoeren. Wanneer warmte zich ophoopt in magneten en ijzeren kernen, neemt de efficiëntie af. Daarom is het optimaliseren van de golfvorm en het warmtepad cruciaal voor de motorprestaties.
Het ontwerp van de motor is geoptimaliseerd om kosten te verlagen en geautomatiseerde massaproductie mogelijk te maken. Een geëxtrudeerde behuizingsring vereist geen complexe mechanische bewerking en kan de materiaalkosten verlagen. De spoel kan direct worden gewikkeld en tijdens het wikkelen wordt een verbindingsproces gebruikt om de juiste vorm van de assemblage te behouden.
Het belangrijkste punt is dat de spoel is gemaakt van standaard, commercieel verkrijgbaar draad, terwijl de ijzeren kern is gelamineerd met standaard, kant-en-klaar transformatorstaal, dat alleen nog maar in vorm hoeft te worden gesneden. Andere motorontwerpen vereisen het gebruik van zachtmagnetische materialen bij het lamineren van de kern, wat duurder kan zijn.
Door het gebruik van gedistribueerde wikkelingen hoeft het magnetische staal niet gesegmenteerd te worden; de vormen zijn eenvoudiger en gemakkelijker te produceren. Het verkleinen van het magnetische staal en het garanderen van de eenvoudige productie ervan, heeft een aanzienlijke impact op de kostenbesparing.
Het ontwerp van deze axiale fluxmotor kan ook worden aangepast aan de wensen van de klant. Klanten laten aangepaste versies ontwikkelen op basis van het basisontwerp. Deze worden vervolgens geproduceerd op een proefproductielijn voor een vroege verificatie van de productie, waarna ze in andere fabrieken kunnen worden gerepliceerd.
Maatwerk is vooral belangrijk omdat de prestaties van het voertuig niet alleen afhangen van het ontwerp van de axiale magnetische fluxmotor, maar ook van de kwaliteit van de voertuigstructuur, het accupakket en het BMS.
Plaatsingstijd: 28-09-2023
