Vergeleken met radiale fluxmotoren hebben axiale fluxmotoren veel voordelen bij het ontwerpen van elektrische voertuigen. Axiale fluxmotoren kunnen bijvoorbeeld het ontwerp van de aandrijflijn veranderen door de motor van de as naar de binnenkant van de wielen te verplaatsen.
1. As van de macht
Axiale fluxmotorenkrijgen steeds meer aandacht (krijgen grip). 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 toepassen op elektrische motorfietsen, luchthavenpods, vrachtauto's, elektrische voertuigen en zelfs vliegtuigen.
Traditionele radiale fluxmotoren maken gebruik van permanente magneten of inductiemotoren, die aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt bij het optimaliseren van gewicht en kosten. Ze worden echter geconfronteerd met veel moeilijkheden om zich verder te ontwikkelen. Axiale flux, een heel ander type motor, kan een goed alternatief zijn.
Vergeleken met radiale motoren is het effectieve magnetische oppervlak van permanente magneetmotoren met axiale flux het oppervlak van de motorrotor, niet de buitendiameter. Daarom kunnen permanente magneetmotoren met axiale flux bij een bepaald motorvolume gewoonlijk een groter koppel leveren.
Axiale fluxmotorenzijn compacter; Vergeleken met radiale motoren is de axiale lengte van de motor veel korter. Bij interne wielmotoren is dit vaak een cruciale factor. De compacte structuur van axiale motoren zorgt voor een hogere vermogensdichtheid en koppeldichtheid dan vergelijkbare radiale motoren, waardoor de noodzaak voor extreem hoge bedrijfssnelheden wordt geëlimineerd.
Het rendement van axiale fluxmotoren is ook zeer hoog en bedraagt doorgaans meer dan 96%. Dit is te danken aan het kortere, eendimensionale fluxpad, dat qua efficiëntie vergelijkbaar of zelfs hoger is in vergelijking met de beste 2D radiale fluxmotoren op de markt.
De lengte van de motor is korter, meestal 5 tot 8 keer korter, en ook het gewicht wordt 2 tot 5 keer verminderd. Deze twee factoren hebben de keuze van platformontwerpers voor elektrische voertuigen veranderd.
2. Axiale fluxtechnologie
Er zijn twee hoofdtopologieën vooraxiale fluxmotoren: enkele stator met dubbele rotor (ook wel torusstijlmachines genoemd) en dubbele stator met enkele rotor.
Momenteel gebruiken de meeste permanentmagneetmotoren een radiale fluxtopologie. Het magnetische fluxcircuit begint met een permanente magneet op de rotor, gaat door de eerste tand van de stator en stroomt vervolgens radiaal langs de stator. Ga vervolgens door de tweede tand om het tweede magnetische staal op de rotor te bereiken. In een axiale fluxtopologie met dubbele rotor begint de fluxlus bij de eerste magneet, loopt axiaal door de statortanden en bereikt onmiddellijk de tweede magneet.
Dit betekent dat het fluxpad veel korter is dan dat van radiale fluxmotoren, wat resulteert in kleinere motorvolumes, 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 en de magneet bereikt. Magnetische flux volgt een tweedimensionaal pad.
Het magnetische fluxpad van een axiale magnetische fluxmachine is eendimensionaal, dus korrelgericht elektrisch staal kan worden gebruikt. Dit staal maakt het gemakkelijker voor de flux om erdoorheen te gaan, waardoor de efficiëntie wordt verbeterd.
Radiale fluxmotoren gebruiken traditioneel verdeelde wikkelingen, waarbij tot de helft van de wikkeluiteinden niet functioneert. De overhang van de spoel zal resulteren in extra gewicht, kosten, elektrische weerstand en meer warmteverlies, waardoor ontwerpers gedwongen worden het ontwerp van de wikkeling te verbeteren.
De spoel eindigtaxiale fluxmotorenzijn veel minder, en sommige ontwerpen gebruiken geconcentreerde of gesegmenteerde wikkelingen, die volledig effectief zijn. Voor radiale machines met gesegmenteerde stator kan de breuk van het magnetische fluxpad in de stator extra verliezen met zich meebrengen, maar voor axiale fluxmotoren is dit geen probleem. Het ontwerp van de spoelwikkeling is de sleutel om het niveau van leveranciers te onderscheiden.
3. Ontwikkeling
Axiale fluxmotoren worden geconfronteerd met een aantal ernstige uitdagingen op het gebied van ontwerp en productie. Ondanks hun technologische voordelen zijn hun kosten veel hoger dan die van radiale motoren. Mensen hebben een zeer grondige kennis van radiale motoren, en productiemethoden en mechanische apparatuur zijn ook direct beschikbaar.
Een van de belangrijkste uitdagingen van axiale fluxmotoren is het handhaven van een uniforme luchtspleet tussen de rotor en de stator, aangezien de magnetische kracht veel groter is dan die van radiale motoren, waardoor het moeilijk wordt om een uniforme luchtspleet te handhaven. De axiale fluxmotor met dubbele rotor heeft ook problemen met de warmteafvoer, omdat de wikkeling zich diep in de stator en tussen de twee rotorschijven bevindt, waardoor warmteafvoer erg moeilijk wordt.
Axiale fluxmotoren zijn om vele redenen ook moeilijk te vervaardigen. De machine met dubbele rotor die een machine met dubbele rotor en een juktopologie gebruikt (dwz het ijzeren juk van de stator verwijdert maar de ijzeren tanden vasthoudt) overwint een aantal van deze problemen zonder de motordiameter en de magneet uit te breiden.
Het verwijderen van het juk brengt echter nieuwe uitdagingen met zich mee, zoals het fixeren en positioneren van individuele tanden zonder mechanische jukverbinding. Ook koeling is een grotere uitdaging.
Het is ook moeilijk om de rotor te produceren en de luchtspleet te behouden, omdat de rotorschijf de rotor aantrekt. Het voordeel is dat de rotorschijven via een asring rechtstreeks met elkaar verbonden zijn, waardoor de krachten elkaar opheffen. Dit betekent dat het interne lager deze krachten niet kan weerstaan en dat de enige functie ervan is om de stator in de middenpositie tussen de twee rotorschijven te houden.
Motoren met enkele rotor met dubbele stator worden niet geconfronteerd met de uitdagingen van cirkelmotoren, maar het ontwerp van de stator is veel complexer en moeilijker te automatiseren, en de daarmee samenhangende kosten zijn ook hoog. In tegenstelling tot welke traditionele radiale fluxmotor dan ook, zijn productieprocessen voor axiale motoren en mechanische apparatuur pas onlangs opgekomen.
4. Toepassing van elektrische voertuigen
Betrouwbaarheid is cruciaal in de auto-industrie en bewijst 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 hun motorbetrouwbaarheid niet verschilt van die van traditionele radiale fluxmotoren.
Het enige onderdeel dat kan verslijten in eenaxiale fluxmotorzijn de lagers. De lengte van de axiale magnetische flux is relatief kort en de positie van de lagers is dichterbij, meestal ontworpen om enigszins “overgedimensioneerd” te zijn. Gelukkig heeft de axiale fluxmotor een kleinere rotormassa en is hij bestand tegen lagere dynamische asbelastingen van de rotor. Daarom is de werkelijke kracht die op de lagers wordt uitgeoefend veel kleiner dan die van de radiale fluxmotor.
Elektronische as is een van de eerste toepassingen van axiaalmotoren. Door de dunnere breedte kunnen de motor en versnellingsbak in de as worden ingekapseld. Bij 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, waardoor de efficiëntie van de motor wordt verbeterd. Door het elimineren van transmissies, differentiëlen en aandrijfassen is ook de complexiteit van het systeem verminderd.
Het lijkt er echter op dat standaardconfiguraties nog niet zijn verschenen. Elke OEM doet onderzoek naar specifieke configuraties, omdat de verschillende maten 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 Gesegmenteerd anker
De YASA-motortopologie (Yokeless and Segmented Armature) is een voorbeeld van een topologie met enkele rotor en enkele stator, die de productiecomplexiteit vermindert en geschikt is 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 voor de motor leveren. De controller heeft een inhoud van circa 5 liter en weegt 5,8 kilogram, inclusief thermisch management met diëlektrische oliekoeling, geschikt voor zowel axiale fluxmotoren als inductie- en radiale fluxmotoren.
Hierdoor kunnen fabrikanten van originele uitrusting voor elektrische voertuigen en eerstelijnsontwikkelaars flexibel de juiste motor 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, waardoor de actieradius groter wordt.
5. Toepassing van elektrische motorfietsen
Voor elektrische motorfietsen en ATV's hebben sommige bedrijven AC-axiale fluxmotoren ontwikkeld. Het algemeen gebruikte ontwerp voor dit type voertuig is een DC-borstelgebaseerd axiale fluxontwerp, terwijl het nieuwe product een AC, volledig afgedicht borstelloos ontwerp is.
De spoelen van zowel DC- als AC-motoren blijven stationair, maar de dubbele rotoren gebruiken permanente magneten in plaats van roterende armaturen. Het voordeel van deze methode is dat er geen mechanische omkering nodig is.
Het AC-axiale ontwerp kan ook gebruik maken van standaard driefasige AC-motorcontrollers voor radiale motoren. Dit helpt de kosten te verlagen, omdat de controller de stroom van het koppel regelt, en niet de snelheid. De controller heeft een frequentie van 12 kHz of hoger nodig, wat de mainstreamfrequentie van dergelijke apparaten is.
De hogere frequentie komt van de lagere wikkelinginductie van 20 µH. De frequentie kan de stroom regelen om de stroomrimpeling te minimaliseren en een zo vloeiend mogelijk sinusvormig signaal te garanderen. Vanuit dynamisch perspectief is dit een geweldige manier om een soepelere motorregeling te bereiken door snelle koppelveranderingen mogelijk te maken.
Dit ontwerp maakt gebruik van een gedistribueerde dubbellaagse wikkeling, zodat de magnetische flux via de stator van de rotor naar een andere rotor stroomt, met een zeer kort pad en een hoger rendement.
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 vierwielige voertuigen uit de L7e-klasse, zoals Renault Twizy.
Dankzij de maximale spanning van 60 V kan de motor worden geïntegreerd in reguliere elektrische systemen van 48 V en worden onderhoudswerkzaamheden vereenvoudigd.
De specificaties van de L7e-motorfiets met vier wielen in de Europese Kaderverordening 2002/24/EG bepalen dat het gewicht van voertuigen die worden gebruikt voor het vervoeren van goederen niet groter mag zijn dan 600 kilogram, exclusief het gewicht van de accu's. Deze voertuigen mogen niet meer dan 200 kilogram passagiers, niet meer dan 1000 kilogram vracht en niet meer dan 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 moeilijk is omdat warmte door de rotor moet gaan. De gedistribueerde wikkeling is de sleutel tot het oplossen van dit probleem, omdat deze een groot aantal poolgleuven heeft. Op deze manier is er een groter oppervlak tussen het koper en de schaal en kan warmte naar buiten worden overgedragen en worden afgevoerd door een standaard vloeistofkoelsysteem.
Meerdere magnetische polen zijn essentieel voor het gebruik van sinusoïdale golfvormen, die de harmonischen helpen verminderen. Deze harmonischen manifesteren zich als verwarming 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 de kosten te verlagen en geautomatiseerde massaproductie te realiseren. Een geëxtrudeerde behuizingsring vereist geen complexe mechanische bewerking en kan de materiaalkosten verlagen. De spoel kan direct worden opgewonden en tijdens het wikkelproces wordt een verbindingsproces gebruikt om de juiste vorm van het geheel te behouden.
Het belangrijkste punt is dat de spoel is gemaakt van standaard in de handel verkrijgbare draad, terwijl de ijzeren kern is gelamineerd met standaard kant-en-klaar transformatorstaal, dat eenvoudigweg in vorm hoeft te worden gesneden. Andere motorontwerpen vereisen het gebruik van zachte magnetische materialen bij het lamineren van de kern, wat duurder kan zijn.
Door het gebruik van verdeelde wikkelingen hoeft het magnetische staal niet gesegmenteerd te worden; Het kunnen eenvoudigere vormen zijn en gemakkelijker te vervaardigen. Het verkleinen van de afmetingen van magnetisch staal en het garanderen van het productiegemak hebben een aanzienlijke impact op het verlagen van de kosten.
Het ontwerp van deze axiale fluxmotor kan ook worden aangepast aan de wensen van de klant. Klanten hebben aangepaste versies ontwikkeld rond het basisontwerp. Vervolgens vervaardigd op een proefproductielijn voor vroege productieverificatie, die in andere fabrieken kan worden gerepliceerd.
Maatwerk komt vooral doordat de prestaties van het voertuig niet alleen afhankelijk zijn van het ontwerp van de axiale magnetische fluxmotor, maar ook van de kwaliteit van de voertuigconstructie, het accupakket en het BMS.
Posttijd: 28 september 2023
