По сравнению с двигателями с радиальным магнитным потоком двигатели с осевым магнитным потоком имеют много преимуществ в конструкции электромобилей. Например, двигатели с осевым магнитным потоком могут изменить конструкцию трансмиссии, переместив двигатель с оси внутрь колес.
1. Ось силы
Двигатели с осевым магнитным потокомполучают все большее внимание (набирают обороты). В течение многих лет этот тип двигателя использовался в стационарных устройствах, таких как лифты и сельскохозяйственная техника, но за последнее десятилетие многие разработчики работали над улучшением этой технологии и применением ее в электрических мотоциклах, капсулах для аэропортов, грузовых автомобилях, электрических двигателях. автомобили и даже самолеты.
Традиционные двигатели с радиальным магнитным потоком используют постоянные магниты или асинхронные двигатели, которые добились значительного прогресса в оптимизации веса и стоимости. Однако они сталкиваются со многими трудностями в продолжении развития. Хорошей альтернативой может стать двигатель с осевым потоком, совершенно другой тип двигателя.
По сравнению с радиальными двигателями эффективная площадь магнитной поверхности двигателей с осевым магнитным потоком и постоянными магнитами равна поверхности ротора двигателя, а не внешнему диаметру. Следовательно, в двигателе определенного объема двигатели с осевым магнитным потоком и постоянными магнитами обычно могут обеспечивать больший крутящий момент.
Двигатели с осевым магнитным потокомболее компактны; По сравнению с радиальными двигателями осевая длина двигателя намного короче. Для двигателей с внутренними колесами это часто является решающим фактором. Компактная конструкция осевых двигателей обеспечивает более высокую удельную мощность и плотность крутящего момента, чем у аналогичных радиальных двигателей, что устраняет необходимость в чрезвычайно высоких рабочих скоростях.
КПД двигателей с осевым магнитным потоком также очень высок, обычно превышая 96%. Это происходит благодаря более короткому одномерному пути магнитного потока, который по эффективности сравним или даже выше, чем у лучших двигателей с радиальным магнитным потоком 2D на рынке.
Длина двигателя короче, обычно в 5–8 раз, а вес также уменьшается в 2–5 раз. Эти два фактора изменили выбор разработчиков платформ для электромобилей.
2. Технология осевого потока
Существуют две основные топологиидвигатели с осевым магнитным потоком: двухроторный одиночный статор (иногда называемый машинами типа тора) и одинарный двойной статор.
В настоящее время большинство двигателей с постоянными магнитами используют топологию радиального потока. Цепь магнитного потока начинается с постоянного магнита на роторе, проходит через первый зубец статора, а затем течет радиально вдоль статора. Затем пройдите через второй зуб, чтобы добраться до второй магнитной стали на роторе. В топологии осевого потока с двумя роторами петля магнитного потока начинается от первого магнита, проходит в осевом направлении через зубцы статора и сразу достигает второго магнита.
Это означает, что путь магнитного потока намного короче, чем у двигателей с радиальным магнитным потоком, что приводит к меньшим объемам двигателя, более высокой удельной мощности и эффективности при той же мощности.
Радиальный двигатель, в котором магнитный поток проходит через первый зубец, а затем возвращается к следующему зубцу через статор, достигая магнита. Магнитный поток движется по двумерному пути.
Путь магнитного потока машины с осевым магнитным потоком является одномерным, поэтому можно использовать электротехническую сталь с ориентированной зеренной структурой. Эта сталь облегчает прохождение флюса, тем самым повышая эффективность.
В двигателях с радиальным магнитным потоком традиционно используются распределенные обмотки, при этом до половины концов обмотки не работают. Выступ катушки приведет к увеличению веса, стоимости, электрическому сопротивлению и большим потерям тепла, что вынуждает проектировщиков улучшать конструкцию обмотки.
Концы катушкидвигатели с осевым магнитным потокомнамного меньше, а в некоторых конструкциях используются сосредоточенные или сегментированные обмотки, которые вполне эффективны. Для радиальных машин с сегментным статором разрыв пути магнитного потока в статоре может принести дополнительные потери, но для двигателей с осевым магнитным потоком это не является проблемой. Конструкция обмотки катушки – залог отличия уровня поставщиков.
3. Развитие
Двигатели с осевым магнитным потоком сталкиваются с серьезными проблемами при проектировании и производстве, несмотря на их технологические преимущества, их стоимость намного выше, чем у радиальных двигателей. Люди очень хорошо разбираются в радиальных двигателях, а методы производства и механическое оборудование также легко доступны.
Одной из основных проблем двигателей с осевым магнитным 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. Двухроторный двигатель с осевым потоком также имеет проблемы с отводом тепла, поскольку обмотка расположена глубоко внутри статора и между двумя дисками ротора, что очень затрудняет отвод тепла.
Двигатели с осевым магнитным потоком также сложно производить по многим причинам. Двухроторная машина, использующая двухроторную машину с топологией ярма (т.е. удаление железного ярма из статора, но сохранение железных зубьев), позволяет решить некоторые из этих проблем без увеличения диаметра двигателя и магнита.
Однако удаление хомута сопряжено с новыми проблемами, например, как зафиксировать и расположить отдельные зубы без механического соединения хомута. Охлаждение также является более серьезной проблемой.
Также сложно изготовить ротор и сохранить воздушный зазор, так как диск ротора притягивает ротор. Преимущество заключается в том, что диски ротора напрямую соединены через кольцо вала, 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 дисками ротора.
Однороторные двигатели с двойным статором не сталкиваются с проблемами двигателей с круговым ротором, но конструкция статора намного сложнее и ее трудно автоматизировать, а соответствующие затраты также высоки. В отличие от любого традиционного двигателя с радиальным потоком, процессы производства и механическое оборудование осевых двигателей появились лишь недавно.
4. Применение электромобилей
Надежность имеет решающее значение в автомобильной промышленности, и доказывание надежности и прочности различныхдвигатели с осевым магнитным потокомубедить производителей в том, что эти моторы подходят для массового производства, всегда было непростой задачей. Это побудило поставщиков осевых двигателей самостоятельно проводить обширные программы проверки, при этом каждый поставщик доказывал, что надежность их двигателей ничем не отличается от надежности традиционных двигателей с радиальным магнитным потоком.
Единственный компонент, который может изнашиваться за время работы.двигатель с осевым магнитным потокомэто подшипники. Длина осевого магнитного потока относительно мала, а расположение подшипников ближе, обычно рассчитано на слегка «завышенный размер». К счастью, двигатель с осевым магнитным потоком имеет меньшую массу ротора и может выдерживать меньшие динамические нагрузки на валу ротора. Следовательно, фактическая сила, приложенная к подшипникам, намного меньше, чем у двигателя с радиальным магнитным потоком.
Электронная ось — одно из первых применений осевых двигателей. Более тонкая ширина позволяет заключить двигатель и коробку передач в ось. В гибридных приложениях более короткая осевая длина двигателя, в свою очередь, сокращает общую длину трансмиссионной системы.
Следующий шаг – установка осевого двигателя на колесо. Таким образом, мощность может передаваться напрямую от двигателя к колесам, что повышает эффективность двигателя. За счет исключения трансмиссий, дифференциалов и карданных валов также снизилась сложность системы.
Однако, похоже, стандартных конфигураций пока не появилось. 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 имеют более высокую удельную мощность, что означает возможность использования осевых двигателей меньшего размера. Это открывает новые возможности проектирования платформ транспортных средств, например, размещение аккумуляторных блоков.
4.1 Сегментированная арматура
Топология двигателя YASA (без ярмового и сегментированного якоря) является примером топологии с двумя роторами и одним статором, которая снижает сложность производства и подходит для автоматизированного массового производства. Эти двигатели имеют удельную мощность до 10 кВт/кг при частоте вращения 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 систему терморегулирования с диэлектрическим масляным охлаждением, подходящую для двигателей с осевым магнитным потоком, а также двигателей с асинхронным и радиальным магнитным потоком.
Это позволяет производителям оригинального оборудования электромобилей и разработчикам первого уровня гибко выбирать подходящий двигатель в зависимости от применения и доступного пространства. Меньшие размер и вес делают автомобиль легче и имеют больше батарей, тем самым увеличивая запас хода.
5. Применение электрических мотоциклов.
Для электрических мотоциклов и квадроциклов некоторые компании разработали двигатели переменного тока с осевым магнитным потоком. Обычно для этого типа транспортных средств используются конструкции с осевым потоком на основе щеток постоянного тока, в то время как новый продукт представляет собой полностью герметичную бесщеточную конструкцию переменного тока.
Обмотки двигателей постоянного и переменного тока остаются неподвижными, но в двойных роторах вместо вращающихся якорей используются постоянные магниты. Преимущество этого метода в том, что он не требует механического реверса.
В осевой конструкции переменного тока также можно использовать стандартные контроллеры трехфазных двигателей переменного тока для радиальных двигателей. Это помогает снизить затраты, поскольку контроллер контролирует ток крутящего момента, а не скорости. Контроллеру требуется частота 12 кГц или выше, которая является основной частотой таких устройств.
Более высокая частота обусловлена меньшей индуктивностью обмотки, равной 20 мкГн. Частота позволяет контролировать ток, минимизируя пульсации тока и обеспечивая максимально плавный синусоидальный сигнал. С динамической точки зрения это отличный способ добиться более плавного управления двигателем за счет быстрого изменения крутящего момента.
В этой конструкции используется распределенная двухслойная обмотка, поэтому магнитный поток течет от ротора к другому ротору через статор с очень коротким путем и более высоким КПД.
Ключом к этой конструкции является то, что она может работать при максимальном напряжении 60 В и не подходит для систем с более высоким напряжением. Поэтому его 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 с напряжением 48 В и упрощает работы по техническому обслуживанию.
Спецификации четырехколесных мотоциклов L7e в Европейском рамочном регламенте 2002/24/EC предусматривают, что вес транспортных средств, используемых для перевозки грузов, не превышает 600 килограммов, без учета веса аккумуляторов. На этих транспортных средствах разрешено перевозить не более 200 килограммов пассажиров, не более 1000 килограммов груза и мощность двигателя не более 15 киловатт. Метод распределенной обмотки может обеспечить крутящий момент 75–100 Нм при пиковой выходной мощности 20–25 кВт и продолжительной мощности 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, так как имеет большое количество пазов полюсов. Таким образом, между медью и корпусом увеличивается площадь поверхности, и тепло может передаваться наружу и отводиться с помощью стандартной системы жидкостного охлаждения.
Несколько магнитных полюсов являются ключом к использованию синусоидальной формы волны, которая помогает уменьшить гармоники. Эти гармоники проявляются в виде нагрева магнитов и сердечника, а медные компоненты не могут отводить тепло. Когда тепло накапливается в магнитах и железных сердечниках, эффективность снижается, поэтому оптимизация формы сигнала и теплового пути имеет решающее значение для производительности двигателя.
Конструкция двигателя была оптимизирована для снижения затрат и автоматизации массового производства. Экструдированное корпусное кольцо не требует сложной механической обработки и позволяет снизить материальные затраты. Катушку можно наматывать напрямую, и в процессе намотки используется процесс склеивания для поддержания правильной формы сборки.
Ключевым моментом является то, что катушка изготовлена из стандартной, имеющейся в продаже проволоки, а железный сердечник ламинирован стандартной, снятой с полки трансформаторной сталью, которую просто нужно вырезать по форме. Другие конструкции двигателей требуют использования магнитомягких материалов для ламинирования сердечника, что может быть дороже.
Использование распределенных обмоток означает, что магнитную сталь не нужно сегментировать; Они могут быть более простой формы и более простыми в изготовлении. Уменьшение размеров магнитной стали и обеспечение простоты ее изготовления оказывают существенное влияние на снижение затрат.
Конструкция этого двигателя с осевым магнитным потоком также может быть изменена в соответствии с требованиями заказчика. Клиенты имеют индивидуальные версии, разработанные на основе базового дизайна. Затем производится на пробной производственной линии для предварительной проверки производства, которую можно воспроизвести на других заводах.
Кастомизация главным образом связана с тем, что производительность автомобиля зависит не только от конструкции двигателя с осевым магнитным потоком, но также от качества конструкции автомобиля, аккумуляторной батареи и BMS.
Время публикации: 28 сентября 2023 г.
