По сравнению с двигателями с радиальным потоком двигатели с осевым потоком имеют много преимуществ в конструкции электромобиля. Например, двигатели с осевым потоком могут изменить конструкцию силовой установки, переместив двигатель с оси внутрь колес.
1.Ось силы
Двигатели с осевым потокомполучают все больше внимания (набирают обороты). В течение многих лет этот тип двигателя использовался в стационарных приложениях, таких как лифты и сельскохозяйственная техника, но за последнее десятилетие многие разработчики работали над улучшением этой технологии и применяли ее к электрическим мотоциклам, аэродромным подъемникам, грузовым автомобилям, электромобилям и даже самолетам.
Традиционные двигатели с радиальным потоком используют постоянные магниты или асинхронные двигатели, которые достигли значительного прогресса в оптимизации веса и стоимости. Однако они сталкиваются со многими трудностями в дальнейшем развитии. Осевой поток, совершенно другой тип двигателя, может быть хорошей альтернативой.
По сравнению с радиальными двигателями, эффективная площадь магнитной поверхности двигателей с постоянными магнитами и аксиальным потоком представляет собой поверхность ротора двигателя, а не наружный диаметр. Поэтому в определенном объеме двигателя двигатели с постоянными магнитами и аксиальным потоком обычно могут обеспечить больший крутящий момент.
Двигатели с осевым потокомболее компактны; По сравнению с радиальными двигателями осевая длина двигателя намного короче. Для внутренних колесных двигателей это часто является решающим фактором. Компактная структура осевых двигателей обеспечивает более высокую плотность мощности и крутящего момента, чем аналогичные радиальные двигатели, тем самым устраняя необходимость в чрезвычайно высоких рабочих скоростях.
Эффективность двигателей с осевым потоком также очень высока, обычно превышая 96%. Это достигается благодаря более короткому одномерному пути потока, который сопоставим или даже выше по эффективности по сравнению с лучшими двигателями с 2D-радиальным потоком на рынке.
Длина двигателя короче, обычно в 5-8 раз, а вес также уменьшен в 2-5 раз. Эти два фактора изменили выбор конструкторов платформ электромобилей.
2. Технология аксиального потока
Существуют две основные топологиидвигатели с осевым потоком: двухроторные одностаторные (иногда называемые машинами торового типа) и однороторные двухстаторные.
В настоящее время большинство двигателей с постоянными магнитами используют топологию радиального потока. Контур магнитного потока начинается с постоянного магнита на роторе, проходит через первый зубец на статоре, а затем течет радиально вдоль статора. Затем проходит через второй зубец, чтобы достичь второй магнитной стали на роторе. В топологии осевого потока с двойным ротором контур потока начинается с первого магнита, проходит аксиально через зубцы статора и сразу достигает второго магнита.
Это означает, что путь потока намного короче, чем у двигателей с радиальным потоком, что приводит к меньшим объемам двигателя, более высокой плотности 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 следует по двумерному пути.
Траектория магнитного потока машины с аксиальным магнитным потоком одномерна, поэтому можно использовать электротехническую сталь с ориентированным зерном. Эта сталь облегчает прохождение потока, тем самым повышая эффективность.
Двигатели с радиальным потоком традиционно используют распределенные обмотки, при этом до половины концов обмотки не функционируют. Вылет катушки приведет к дополнительному весу, стоимости, электрическому сопротивлению и большим потерям тепла, что заставит конструкторов улучшить конструкцию обмотки.
Концы катушкидвигатели с осевым потокомнамного меньше, и некоторые конструкции используют концентрированные или сегментированные обмотки, которые полностью эффективны. Для радиальных машин с сегментированным статором разрыв пути магнитного потока в статоре может привести к дополнительным потерям, но для двигателей с аксиальным потоком это не проблема. Конструкция катушки обмотки является ключом к различению уровня поставщиков.
3. Развитие
Двигатели с осевым потоком сталкиваются с серьезными проблемами в проектировании и производстве, несмотря на их технологические преимущества, их стоимость намного выше, чем у радиальных двигателей. Люди имеют очень глубокое понимание радиальных двигателей, а методы производства и механическое оборудование также легкодоступны.
Одной из основных проблем двигателей с осевым потоком является поддержание равномерного воздушного зазора между ротором и статором, поскольку магнитная сила намного больше, чем у радиальных двигателей, что затрудняет поддержание равномерного воздушного зазора. Двигатель с двойным ротором и осевым потоком также имеет проблемы с рассеиванием тепла, поскольку обмотка расположена глубоко внутри статора и между двумя дисками ротора, что делает рассеивание тепла очень сложным.
Двигатели с осевым потоком также трудно изготавливать по многим причинам. Двухроторная машина, использующая двухроторную машину с топологией ярм (т. е. удаление железного ярма из статора, но сохранение железных зубцов), преодолевает некоторые из этих проблем без увеличения диаметра двигателя и магнита.
Однако удаление ярма влечет за собой новые проблемы, например, как закрепить и расположить отдельные зубья без механического соединения ярма. Охлаждение также является более сложной задачей.
Также сложно изготовить ротор и поддерживать воздушный зазор, поскольку диск ротора притягивает ротор. Преимущество в том, что диски ротора напрямую соединены через кольцо вала, поэтому силы компенсируют друг друга. Это означает, что внутренний подшипник не выдерживает эти силы, и его единственная функция — удерживать статор в среднем положении между двумя дисками ротора.
Однороторные двигатели с двойным статором не сталкиваются с проблемами круглых двигателей, но конструкция статора гораздо сложнее и ее сложнее автоматизировать, а связанные с этим затраты также высоки. В отличие от любого традиционного двигателя с радиальным потоком, производственные процессы и механическое оборудование для аксиальных двигателей появились совсем недавно.
4. Применение электромобилей
Надежность имеет решающее значение в автомобильной промышленности, и доказательство надежности и прочности различныхдвигатели с осевым потокомУбедить производителей в том, что эти двигатели подходят для массового производства, всегда было непросто. Это побудило поставщиков осевых двигателей проводить обширные программы валидации самостоятельно, при этом каждый поставщик демонстрировал, что надежность их двигателей ничем не отличается от традиционных двигателей с радиальным потоком.
Единственный компонент, который может изнашиваться вдвигатель с осевым потокомявляется подшипники. Длина осевого магнитного потока относительно коротка, а положение подшипников ближе, обычно спроектировано так, чтобы быть немного «завышенным по размеру». К счастью, двигатель с осевым 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 потоком.
Электронная ось — одно из первых применений осевых двигателей. Более тонкая ширина позволяет инкапсулировать двигатель и коробку передач в оси. В гибридных приложениях более короткая осевая длина двигателя, в свою очередь, сокращает общую длину системы трансмиссии.
Следующий шаг — установка осевого двигателя на колесо. Таким образом, мощность может передаваться напрямую от двигателя к колесам, что повышает эффективность двигателя. Благодаря устранению трансмиссий, дифференциалов и карданных валов, сложность системы также была снижена.
Однако, похоже, что стандартные конфигурации пока не появились. Каждый производитель оригинального оборудования исследует конкретные конфигурации, поскольку различные размеры и формы аксиальных двигателей могут изменить конструкцию электромобилей. По сравнению с радиальными двигателями, аксиальные двигатели имеют более высокую плотность мощности, что означает возможность использования меньших аксиальных двигателей. Это обеспечивает новые возможности проектирования для платформ транспортных средств, такие как размещение аккумуляторных батарей.
4.1 Сегментная арматура
Топология двигателя YASA (Yokeless and Segmented Armature) является примером топологии с двумя роторами и одним статором, которая снижает сложность производства и подходит для автоматизированного массового производства. Эти двигатели имеют плотность мощности до 10 кВт/кг при скоростях от 2000 до 9000 об/мин.
Используя специальный контроллер, он может обеспечить ток 200 кВА для двигателя. Контроллер имеет объем около 5 литров и весит 5,8 килограмма, включая управление температурой с охлаждением диэлектрическим маслом, подходит для двигателей с осевым потоком, а также для индукционных и радиальных двигателей.
Это позволяет производителям оригинального оборудования для электромобилей и разработчикам первого уровня гибко выбирать подходящий двигатель в зависимости от области применения и доступного пространства. Меньшие размеры и вес делают транспортное средство легче и имеют больше батарей, тем самым увеличивая запас хода.
5. Применение электромотоциклов
Для электрических мотоциклов и квадроциклов некоторые компании разработали двигатели переменного тока с осевым потоком. Обычно используемая конструкция для этого типа транспортных средств — это щеточные двигатели постоянного тока с осевым потоком, в то время как новый продукт — это полностью герметичная бесщеточная конструкция переменного тока.
Катушки как двигателей постоянного тока, так и двигателей переменного тока остаются неподвижными, но двойные роторы используют постоянные магниты вместо вращающихся якорей. Преимущество этого метода в том, что он не требует механического реверсирования.
Аксиальная конструкция переменного тока может также использовать стандартные трехфазные контроллеры двигателей переменного тока 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 достигается за счет более низкой индуктивности обмотки 20 мкГн. Частота может управлять током, чтобы минимизировать пульсацию тока и обеспечить максимально плавный синусоидальный сигнал. С точки зрения динамики это отличный способ добиться более плавного управления двигателем, позволяя быстро изменять крутящий момент.
В этой конструкции используется распределенная двухслойная обмотка, благодаря чему магнитный поток течет от ротора к другому ротору через статор по очень короткому пути и с более высокой эффективностью.
Ключевым моментом этой конструкции является то, что она может работать при максимальном напряжении 60 В и не подходит для систем с более высоким напряжением. Поэтому ее можно использовать для электрических мотоциклов и четырехколесных транспортных средств класса L7e, таких как Renault Twizy.
Максимальное напряжение 60 В позволяет интегрировать двигатель в основные электрические системы напряжением 48 В и упрощает работы по техническому обслуживанию.
Технические характеристики четырехколесного мотоцикла L7e в Европейском рамочном регламенте 2002/24/EC предусматривают, что вес транспортных средств, используемых для перевозки грузов, не должен превышать 600 килограммов, без учета веса аккумуляторов. Этим транспортным средствам разрешено перевозить не более 200 килограммов пассажиров, не более 1000 килограммов груза и не более 15 киловатт мощности двигателя. Метод распределенной обмотки может обеспечить крутящий момент 75-100 Нм, пиковую выходную мощность 20-25 кВт и постоянную мощность 15 кВт.
Проблема осевого потока заключается в том, как медные обмотки рассеивают тепло, что сложно, поскольку тепло должно проходить через ротор. Распределенная обмотка является ключом к решению этой проблемы, поскольку она имеет большое количество полюсных пазов. Таким образом, между медью и оболочкой имеется большая площадь поверхности, и тепло может передаваться наружу и отводиться стандартной системой жидкостного охлаждения.
Несколько магнитных полюсов являются ключом к использованию синусоидальных форм волн, которые помогают 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 тепла имеет решающее значение для производительности двигателя.
Конструкция двигателя оптимизирована для снижения затрат и достижения автоматизированного массового производства. Экструдированное кольцо корпуса не требует сложной механической обработки и может снизить материальные затраты. Катушка может быть намотана напрямую, а процесс склеивания используется в процессе намотки для поддержания правильной формы сборки.
Ключевым моментом является то, что катушка изготовлена из стандартной коммерчески доступной проволоки, в то время как железный сердечник ламинирован стандартной готовой трансформаторной сталью, которую просто нужно разрезать по форме. Другие конструкции двигателей требуют использования магнитомягких материалов при ламинировании сердечника, что может быть более дорогим.
Использование распределенных обмоток означает, что магнитную сталь не нужно сегментировать; они могут быть более простыми по форме и более легкими в изготовлении. Уменьшение размера магнитной стали и обеспечение простоты ее изготовления оказывает значительное влияние на снижение затрат.
Конструкция этого двигателя с осевым потоком также может быть настроена в соответствии с требованиями заказчика. Клиенты имеют индивидуальные версии, разработанные вокруг базовой конструкции. Затем они производятся на опытной производственной линии для ранней проверки производства, которая может быть воспроизведена на других заводах.
Индивидуализация обусловлена в первую очередь тем, что эксплуатационные характеристики транспортного средства зависят не только от конструкции двигателя с аксиальным магнитным потоком, но и от качества конструкции транспортного средства, аккумуляторной батареи и системы управления двигателем (BMS).
Время публикации: 28-сен-2023
