По сравнению с радиальными двигателями, осевые двигатели обладают множеством преимуществ в проектировании электромобилей. Например, осевые двигатели позволяют изменять конструкцию силовой установки, перемещая двигатель с оси на внутреннюю сторону колес.
1. Ось власти
Осевые двигателиОни привлекают все больше внимания (набирают популярность). В течение многих лет этот тип двигателей использовался в стационарных устройствах, таких как лифты и сельскохозяйственная техника, но за последнее десятилетие многие разработчики работали над усовершенствованием этой технологии и ее применением в электрических мотоциклах, аэродромных капсулах, грузовых автомобилях, электромобилях и даже самолетах.
Традиционные радиально-поточные двигатели используют постоянные магниты или асинхронные двигатели, которые достигли значительных успехов в оптимизации веса и стоимости. Однако их дальнейшее развитие сталкивается со многими трудностями. Осевые двигатели, совершенно иной тип, могут стать хорошей альтернативой.
В отличие от радиальных двигателей, эффективная площадь магнитной поверхности осевых двигателей с постоянными магнитами равна площади поверхности ротора двигателя, а не его внешнему диаметру. Поэтому при определенном объеме двигателя осевые двигатели с постоянными магнитами обычно обеспечивают больший крутящий момент.
Осевые двигателиОни более компактны; по сравнению с радиальными двигателями, осевая длина двигателя значительно короче. Для двигателей с внутренним колесом это часто является решающим фактором. Компактная конструкция осевых двигателей обеспечивает более высокую удельную мощность и удельный крутящий момент, чем у аналогичных радиальных двигателей, что исключает необходимость в чрезвычайно высоких рабочих скоростях.
КПД осевых двигателей также очень высок, обычно превышая 96%. Это достигается благодаря более короткому одномерному пути потока, который по эффективности сопоставим или даже превосходит лучшие двухмерные радиальные двигатели, представленные на рынке.
Длина двигателя сокращается, обычно в 5-8 раз, а вес также уменьшается в 2-5 раз. Эти два фактора изменили выбор платформы для электромобилей.
2. Технология осевого потока
Существует две основные топологии дляаксиально-поточные двигатели: двухроторные одностаторные машины (иногда называемые машинами тороидального типа) и однороторные двухстаторные машины.
В настоящее время большинство двигателей с постоянными магнитами используют радиальную топологию магнитного потока. Магнитный поток начинается с постоянного магнита на роторе, проходит через первый зуб статора, а затем радиально течет вдоль статора. Затем проходит через второй зуб, достигая второго магнита на роторе. В двухроторной осевой топологии магнитного потока петля начинается от первого магнита, проходит аксиально через зубцы статора и сразу достигает второго магнита.
Это означает, что путь магнитного потока значительно короче, чем у радиальных двигателей, что приводит к уменьшению объема двигателя, повышению удельной мощности и эффективности при той же мощности.
Радиальный двигатель, в котором магнитный поток проходит через первый зуб, а затем возвращается к следующему зубу через статор, достигая магнита. Магнитный поток движется по двумерной траектории.
Траектория магнитного потока в осевой магнитосиловой машине является одномерной, поэтому можно использовать электротехническую сталь с ориентированной структурой зерна. Такая сталь облегчает прохождение магнитного потока, тем самым повышая эффективность.
Традиционно в радиально-поточных двигателях используются распределенные обмотки, при этом до половины концов обмотки не функционируют. Выступающая часть обмотки приводит к увеличению веса, стоимости, электрического сопротивления и теплопотерь, что вынуждает конструкторов улучшать конструкцию обмотки.
Концы катушкиаксиально-поточные двигателиИх гораздо меньше, а в некоторых конструкциях используются концентрированные или сегментированные обмотки, которые полностью эффективны. Для радиальных машин со сегментированным статором разрыв пути магнитного потока в статоре может привести к дополнительным потерям, но для двигателей с осевым потоком это не проблема. Конструкция обмотки катушки является ключом к определению уровня поставщиков.
3. Развитие
Несмотря на технологические преимущества, осевые двигатели сталкиваются с серьезными проблемами в проектировании и производстве, а их стоимость значительно выше, чем у радиальных двигателей. Однако, радиальные двигатели хорошо изучены, а методы их производства и механическое оборудование также легко доступны.
Одной из главных проблем аксиально-поточных двигателей является поддержание равномерного воздушного зазора между ротором и статором, поскольку магнитная сила значительно больше, чем у радиальных двигателей, что затрудняет обеспечение равномерного воздушного зазора. Двухроторный аксиально-поточный двигатель также имеет проблемы с отводом тепла, поскольку обмотка расположена глубоко внутри статора и между двумя роторными дисками, что значительно затрудняет рассеивание тепла.
Производство аксиально-поточных двигателей также сопряжено со многими трудностями. Двухроторная машина, использующая двухроторную конструкцию с ярмовой топологией (то есть, удаление железного ярма из статора при сохранении железных зубьев), позволяет преодолеть некоторые из этих проблем без увеличения диаметра двигателя и магнита.
Однако удаление хомута создает новые проблемы, например, как закрепить и расположить отдельные зубы без механического соединения. Охлаждение также представляет собой более сложную задачу.
Также сложно изготовить ротор и поддерживать воздушный зазор, поскольку роторный диск притягивает другой ротор. Преимущество заключается в том, что роторные диски напрямую соединены через валовое кольцо, поэтому силы компенсируют друг друга. Это означает, что внутренний подшипник не выдерживает этих сил, и его единственная функция — удерживать статор в среднем положении между двумя роторными дисками.
Двухстаторные однороторные двигатели не сталкиваются с проблемами, характерными для двигателей с круглым ротором, однако конструкция статора гораздо сложнее, автоматизация затруднена, а связанные с этим затраты высоки. В отличие от традиционных радиальных двигателей, процессы производства и механическое оборудование для осевых двигателей появились сравнительно недавно.
4. Применение электромобилей
Надежность имеет решающее значение в автомобильной промышленности, и доказательство надежности и прочности различных изделий крайне важно.аксиально-поточные двигателиУбедить производителей в пригодности этих двигателей для массового производства всегда было непростой задачей. Это побудило поставщиков осевых двигателей проводить собственные масштабные программы проверки, в ходе которых каждый поставщик демонстрировал, что надежность его двигателей ничем не отличается от традиционных радиальных двигателей.
Единственный компонент, который может изнашиваться ваксиально-поточный двигательРечь идёт о подшипниках. Длина осевого магнитного потока относительно мала, а расположение подшипников ближе друг к другу, обычно они проектируются с небольшим запасом прочности. К счастью, двигатель с осевым магнитным потоком имеет меньшую массу ротора и может выдерживать меньшие динамические нагрузки на вал ротора. Поэтому фактическая сила, приложенная к подшипникам, намного меньше, чем у двигателя с радиальным магнитным потоком.
Электронный мост — одно из первых применений аксиальных двигателей. Меньшая ширина позволяет разместить двигатель и редуктор в одном мосту. В гибридных системах меньшая осевая длина двигателя, в свою очередь, сокращает общую длину трансмиссионной системы.
Следующий шаг — установка аксиального двигателя на колесо. Таким образом, мощность может передаваться непосредственно от двигателя к колесам, повышая эффективность двигателя. Благодаря исключению трансмиссий, дифференциалов и карданных валов, сложность системы также уменьшилась.
Однако, похоже, стандартные конфигурации пока не появились. Каждый производитель оригинального оборудования исследует конкретные конфигурации, поскольку различные размеры и формы осевых двигателей могут изменить конструкцию электромобилей. По сравнению с радиальными двигателями, осевые двигатели обладают более высокой удельной мощностью, что позволяет использовать двигатели меньшего размера. Это открывает новые возможности для проектирования автомобильных платформ, например, в размещении аккумуляторных батарей.
4.1 Сегментированный якорь
Топология двигателя YASA (Yokeless and Segmented Armature) представляет собой пример двухроторной одностаторной топологии, которая упрощает производство и подходит для автоматизированного массового производства. Эти двигатели обладают удельной мощностью до 10 кВт/кг при скорости вращения от 2000 до 9000 об/мин.
Используя специальный контроллер, он может обеспечивать ток 200 кВА для двигателя. Контроллер имеет объем около 5 литров и весит 5,8 килограмма, включая систему терморегулирования с диэлектрическим масляным охлаждением, подходит для аксиально-поточных двигателей, а также асинхронных и радиально-поточных двигателей.
Это позволяет производителям оригинального оборудования для электромобилей и ведущим разработчикам гибко выбирать подходящий двигатель в зависимости от области применения и доступного пространства. Меньшие размеры и вес делают автомобиль легче и позволяют разместить больше батарей, тем самым увеличивая запас хода.
5. Применение электромотоциклов
Для электромотоциклов и квадроциклов некоторые компании разработали аксиально-полевые двигатели переменного тока. Наиболее распространенная конструкция для этого типа транспортных средств — это аксиально-полевые двигатели постоянного тока с щетками, в то время как новая разработка — это полностью герметичная бесщеточная конструкция переменного тока.
Катушки как двигателей постоянного, так и переменного тока остаются неподвижными, но в двухроторных двигателях вместо вращающихся якорей используются постоянные магниты. Преимущество этого метода заключается в том, что он не требует механического реверсирования.
В осевых двигателях переменного тока также можно использовать стандартные трехфазные контроллеры для радиальных двигателей. Это помогает снизить затраты, поскольку контроллер управляет током крутящего момента, а не скоростью. Контроллеру требуется частота 12 кГц или выше, что является основной частотой таких устройств.
Более высокая частота обусловлена меньшей индуктивностью обмотки в 20 мкГн. Частота позволяет регулировать ток, минимизируя пульсации и обеспечивая максимально плавный синусоидальный сигнал. С динамической точки зрения, это отличный способ добиться более плавного управления двигателем за счет возможности быстрого изменения крутящего момента.
В данной конструкции используется распределенная двухслойная обмотка, благодаря чему магнитный поток проходит от одного ротора к другому через статор, преодолевая очень короткий путь и обеспечивая более высокую эффективность.
Ключевая особенность этой конструкции заключается в том, что она может работать при максимальном напряжении 60 В и не подходит для систем с более высоким напряжением. Поэтому её можно использовать в электромотоциклах и четырёхколёсных транспортных средствах класса L7e, таких как Renault Twizy.
Максимальное напряжение 60 В позволяет интегрировать двигатель в распространенные 48-вольтовые электрические системы и упрощает техническое обслуживание.
Технические условия для четырехколесных мотоциклов L7e, установленные в Регламенте ЕС 2002/24/EC, предусматривают, что масса транспортных средств, используемых для перевозки грузов, не должна превышать 600 килограммов, за исключением веса аккумуляторов. Эти транспортные средства могут перевозить не более 200 килограммов пассажиров, не более 1000 килограммов груза и иметь мощность двигателя не более 15 киловатт. Метод распределенной обмотки позволяет обеспечить крутящий момент 75-100 Нм, пиковую выходную мощность 20-25 кВт и постоянную мощность 15 кВт.
Сложность осевого магнитного потока заключается в том, как медные обмотки рассеивают тепло, что непросто, поскольку тепло должно проходить через ротор. Распределенная обмотка является ключом к решению этой проблемы, поскольку она имеет большое количество пазов для полюсов. Таким образом, увеличивается площадь поверхности между медью и корпусом, и тепло может передаваться наружу и отводиться с помощью стандартной системы жидкостного охлаждения.
Наличие нескольких магнитных полюсов является ключевым фактором при использовании синусоидальных форм волны, что помогает уменьшить гармоники. Эти гармоники проявляются в виде нагрева магнитов и сердечника, в то время как медные компоненты не могут отводить тепло. Когда тепло накапливается в магнитах и железных сердечниках, эффективность снижается, поэтому оптимизация формы волны и пути отвода тепла имеет решающее значение для производительности двигателя.
Конструкция двигателя оптимизирована для снижения затрат и обеспечения автоматизированного массового производства. Экструдированное кольцо корпуса не требует сложной механической обработки и позволяет снизить материальные затраты. Катушка может быть намотана напрямую, а в процессе намотки используется процесс склеивания для поддержания правильной формы узла.
Ключевой момент заключается в том, что катушка изготовлена из стандартной, имеющейся в продаже проволоки, а железный сердечник ламинирован стандартной трансформаторной сталью, которую нужно просто вырезать по форме. В других конструкциях двигателей для ламинирования сердечника требуются мягкие магнитные материалы, что может быть дороже.
Использование распределенных обмоток означает, что магнитную сталь не нужно сегментировать; она может иметь более простую форму и быть проще в изготовлении. Уменьшение размеров магнитной стали и обеспечение простоты ее изготовления оказывают существенное влияние на снижение затрат.
Конструкция этого осевого двигателя также может быть адаптирована под требования заказчика. Заказчики получают версии, разработанные на основе базовой конструкции. Затем они изготавливаются на опытной производственной линии для предварительной проверки в серийном производстве, после чего их можно воспроизвести на других заводах.
Индивидуальная настройка обусловлена главным образом тем, что характеристики транспортного средства зависят не только от конструкции осевого магнитопотокового двигателя, но и от качества конструкции транспортного средства, аккумуляторного блока и системы управления батареей (BMS).
Дата публикации: 28 сентября 2023 г.
