Vergeleken met radiale fluxmotoren hebben axiale fluxmotoren veel voordelen bij het ontwerp van elektrische voertuigen. Zo kan met axiale fluxmotoren het ontwerp van de aandrijflijn worden aangepast door de motor van de as naar de binnenkant van de wielen te verplaatsen.
1. Machtsas
Axiale fluxmotorenkrijgen steeds meer aandacht (winnen terrein). 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 het toepassen ervan in elektrische motorfietsen, landingsplatforms, vrachtwagens, elektrische voertuigen en zelfs vliegtuigen.
Traditionele radiale fluxmotoren maken gebruik van permanente magneten of inductiemotoren, die aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt in het optimaliseren van gewicht en kosten. De verdere ontwikkeling ervan kent echter nog veel uitdagingen. Axiale fluxmotoren, een compleet ander type motor, zouden een goed alternatief kunnen zijn.
In vergelijking met radiale motoren is het effectieve magnetische oppervlak van axiale permanentmagneetmotoren het oppervlak van de rotor, en niet de buitendiameter. Daarom kunnen axiale permanentmagneetmotoren bij een bepaald motorvolume doorgaans een groter koppel leveren.
Axiale fluxmotorenAxiale motoren zijn compacter; vergeleken met radiale motoren is de axiale lengte van de motor veel korter. Voor motoren met een intern wiel is dit vaak een cruciale factor. De compacte structuur van axiale motoren zorgt voor een hogere vermogensdichtheid en koppeldichtheid dan vergelijkbare radiale motoren, waardoor extreem hoge bedrijfssnelheden niet nodig 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 is met of zelfs hoger ligt dan dat van de beste 2D radiale fluxmotoren op de markt.
De lengte van de motor is korter, meestal 5 tot 8 keer korter, en het gewicht is ook 2 tot 5 keer lager. Deze twee factoren hebben de keuze van platformontwerpers voor elektrische voertuigen beïnvloed.
2. Axiale fluxtechnologie
Er zijn twee hoofdtopologieën vooraxiale fluxmotoren: machines met dubbele rotor en enkele stator (soms aangeduid als torusmachines) en machines met enkele rotor en dubbele stator.
De meeste permanentmagneetmotoren maken momenteel gebruik van een radiale fluxtopologie. Het magnetische fluxcircuit begint bij een permanente magneet op de rotor, loopt door de eerste tand op de stator en stroomt vervolgens radiaal langs de stator. Daarna gaat het door de tweede tand om de tweede magneet op de rotor te bereiken. Bij een axiale fluxtopologie met dubbele rotor begint de fluxlus bij de eerste magneet, loopt axiaal door 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 een hoger rendement 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 en de magneet bereikt. De magnetische flux volgt een tweedimensionaal pad.
Het magnetische fluxpad van een axiale magnetische fluxmachine is eendimensionaal, waardoor korrelgeoriënteerd elektrisch staal gebruikt kan worden. Dit staal vergemakkelijkt de doorgang van de flux, wat de efficiëntie verbetert.
Radiale fluxmotoren maken traditioneel gebruik van verdeelde wikkelingen, waarbij tot de helft van de wikkeluiteinden niet functioneert. Deze overhang van de wikkeling leidt tot extra gewicht, hogere kosten, een grotere elektrische weerstand en meer warmteverlies, waardoor ontwerpers gedwongen worden het wikkelontwerp te verbeteren.
De uiteinden van de spoelaxiale fluxmotorenzijn veel lager, en sommige ontwerpen maken gebruik van geconcentreerde of gesegmenteerde wikkelingen, die zeer effectief zijn. Bij radiale machines met een gesegmenteerde stator kan de onderbreking van 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 de kwaliteit van de leveranciers.
3. Ontwikkeling
Axiale fluxmotoren staan voor serieuze uitdagingen op het gebied van ontwerp en productie. Ondanks hun technologische voordelen zijn de kosten veel hoger dan die van radiale motoren. Radiale motoren zijn algemeen bekend en de productiemethoden en mechanische apparatuur zijn gemakkelijk verkrijgbaar.
Een van de grootste uitdagingen bij axiale fluxmotoren is het handhaven van een uniforme luchtspleet tussen de rotor en de stator. De magnetische kracht is namelijk veel groter dan bij radiale motoren, waardoor het moeilijk is om een uniforme luchtspleet te behouden. De axiale fluxmotor met dubbele rotor heeft ook problemen met warmteafvoer, omdat de wikkeling zich diep in de stator en tussen de twee rotorschijven bevindt, waardoor warmteafvoer erg lastig is.
Axiale fluxmotoren zijn om diverse redenen lastig te produceren. De dubbele rotormachine, die gebruikmaakt van een dubbele rotor met een juktopologie (dat wil zeggen, het ijzeren juk wordt van de stator verwijderd, maar de ijzeren tanden blijven behouden), overwint een aantal van deze problemen zonder de diameter van de motor en de magneet te vergroten.
Het verwijderen van de jukconstructie brengt echter nieuwe uitdagingen met zich mee, zoals het bevestigen en positioneren van individuele tanden zonder mechanische jukverbinding. Ook de koeling 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 direct met elkaar verbonden zijn door een asring, waardoor de krachten elkaar opheffen. Dit betekent dat het interne lager deze krachten niet hoeft op te vangen en dat de enige functie ervan is om de stator in de middenpositie tussen de twee rotorschijven te houden.
Dubbele stator-enkelrotormotoren hebben niet te maken met de uitdagingen van cirkelvormige motoren, maar het ontwerp van de stator is veel complexer en moeilijker 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 auto-industrie, en het bewijzen van de betrouwbaarheid en robuustheid van verschillendeaxiale fluxmotorenHet is altijd een uitdaging geweest om fabrikanten ervan te overtuigen dat deze motoren geschikt zijn voor massaproductie. 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 motor niet verschilt van die van traditionele radiale fluxmotoren.
Het enige onderdeel dat kan slijten in eenaxiale fluxmotorHet probleem zit hem in de lagers. De lengte van de axiale magnetische flux is relatief kort en de lagers bevinden zich dichterbij, waardoor ze meestal iets "overgedimensioneerd" zijn. Gelukkig heeft de axiale fluxmotor een kleinere rotormassa en kan deze lagere dynamische asbelastingen van de rotor weerstaan. Daardoor is de werkelijke kracht die op de lagers wordt uitgeoefend veel kleiner dan bij een radiale fluxmotor.
De elektronische as is een van de eerste toepassingen van axiale motoren. De geringere breedte maakt het mogelijk om de motor en de versnellingsbak in de as te integreren. Bij hybride toepassingen zorgt de kortere axiale lengte van de motor er op zijn beurt voor dat de totale lengte van het transmissiesysteem wordt verkort.
De volgende stap is het monteren van de axiale motor op het wiel. Op deze manier kan de kracht direct van de motor naar de wielen worden overgebracht, waardoor het rendement van de motor wordt verbeterd. Doordat transmissies, differentiëlen en aandrijfassen zijn weggelaten, is de complexiteit van het systeem ook verminderd.
Het lijkt er echter op dat er nog geen standaardconfiguraties bestaan. Elke fabrikant onderzoekt specifieke configuraties, omdat de verschillende afmetingen en vormen van axiale motoren het ontwerp van elektrische voertuigen kunnen beïnvloeden. Axiale motoren hebben een hogere vermogensdichtheid dan radiale motoren, waardoor kleinere axiale motoren gebruikt kunnen worden. Dit biedt nieuwe ontwerpmogelijkheden voor voertuigplatformen, zoals de plaatsing van accupakketten.
4.1 Gesegmenteerd anker
De YASA-motortopologie (Yokeless and Segmented Armature) is een voorbeeld van een motortopologie met twee rotoren en één stator. Deze topologie vermindert de complexiteit van de productie en is geschikt voor geautomatiseerde massaproductie. Deze motoren hebben een vermogensdichtheid tot 10 kW/kg bij snelheden van 2000 tot 9000 tpm.
Met behulp van een speciale controller kan deze een stroom van 200 kVA aan de motor 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 axiale fluxmotoren, inductiemotoren en radiale fluxmotoren.
Dit stelt fabrikanten van elektrische voertuigen en ontwikkelaars 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 kunnen er meer accu's worden geplaatst, waardoor de actieradius toeneemt.
5. Toepassing van elektrische motorfietsen
Voor elektrische motorfietsen en ATV's hebben sommige bedrijven AC-axiale fluxmotoren ontwikkeld. Het meest gebruikte ontwerp voor dit type voertuig is de DC-axiale fluxmotor met borstels, terwijl het nieuwe product een volledig afgedichte, borstelloze AC-motor 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 mechanische omkering niet nodig is.
Het AC-axiale ontwerp kan ook gebruikmaken van standaard driefasige AC-motorcontrollers voor radiale motoren. Dit helpt de kosten te verlagen, omdat de controller de koppelstroom regelt en niet de snelheid. De controller vereist een frequentie van 12 kHz of hoger, wat de gangbare frequentie is voor dergelijke apparaten.
De hogere frequentie is het gevolg van de lagere wikkelinductantie van 20 µH. De frequentie kan de stroom regelen om stroomrimpel te minimaliseren en een zo vloeiend mogelijk sinusvormig signaal te garanderen. Vanuit dynamisch oogpunt is dit een uitstekende manier om een soepelere motorbesturing te bereiken door snelle koppelveranderingen mogelijk te maken.
Dit ontwerp maakt gebruik van een verdeelde dubbellaagse wikkeling, waardoor de magnetische flux via de stator van de ene rotor naar de andere rotor stroomt, met een zeer korte weg en een hoger rendement.
Het belangrijkste kenmerk van dit ontwerp is dat het kan werken met 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 vierwielige voertuigen van de L7e-klasse, zoals de Renault Twizy.
De maximale spanning van 60 V maakt integratie van de motor in gangbare 48 V-elektriciteitssystemen mogelijk en vereenvoudigt het onderhoud.
De specificaties voor de L7e vierwielige motorfiets in de Europese Kaderverordening 2002/24/EC schrijven voor dat het gewicht van voertuigen die voor goederenvervoer worden gebruikt, niet meer dan 600 kilogram mag bedragen, exclusief het gewicht van de accu's. Deze voertuigen mogen niet meer dan 200 kilogram aan passagiers, niet meer dan 1000 kilogram aan vracht en niet meer dan 15 kilowatt aan motorvermogen vervoeren. De verdeelde 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 bij axiale flux ligt in de manier waarop koperen wikkelingen warmte afvoeren, wat lastig is omdat de warmte door de rotor moet worden afgevoerd. De verdeelde wikkeling is de sleutel tot het oplossen van dit probleem, omdat deze een groot aantal poolgroeven heeft. Op deze manier ontstaat er een groter contactoppervlak tussen het koper en de behuizing, waardoor warmte naar buiten kan worden afgevoerd en door een standaard vloeistofkoelsysteem kan worden afgevoerd.
Meerdere magnetische polen zijn essentieel voor het gebruik van sinusvormige golfvormen, die helpen bij het verminderen van harmonischen. Deze harmonischen manifesteren zich als 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 het rendement af. Daarom is het optimaliseren van de golfvorm en het warmtepad cruciaal voor de prestaties van de motor.
Het ontwerp van de motor is geoptimaliseerd om de kosten te verlagen en geautomatiseerde massaproductie mogelijk te maken. Een geëxtrudeerde behuizingsring vereist geen complexe mechanische bewerkingen en kan de materiaalkosten verlagen. De spoel kan direct worden gewikkeld en tijdens het wikkelproces 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 verkrijgbare draad, terwijl de ijzeren kern is gelamineerd met standaard, kant-en-klaar transformatorstaal dat alleen nog maar op maat gesneden hoeft te worden. Andere motorontwerpen vereisen het gebruik van zachte magnetische materialen in de kernlaminering, wat duurder kan zijn.
Door het gebruik van verdeelde wikkelingen hoeft het magneetstaal niet in segmenten te worden verdeeld; het kan eenvoudigere vormen aannemen en is gemakkelijker te produceren. Het verkleinen van het magneetstaal en het garanderen van een eenvoudige productie heeft een aanzienlijke impact op de kostenbesparing.
Het ontwerp van deze axiale fluxmotor kan ook worden aangepast aan de wensen van de klant. Klanten krijgen aangepaste versies ontwikkeld op basis van een basisontwerp. Deze worden vervolgens geproduceerd op een proefproductielijn voor vroege productieverificatie, waarna ze in andere fabrieken kunnen worden gerepliceerd.
Aanpassingen zijn vooral nodig 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 batterijbeheersysteem (BMS).
Geplaatst op: 28 september 2023
