Verrattuna radiaalivuomoottoreihin, aksiaalivuomoottoreilla on monia etuja sähköajoneuvojen suunnittelussa. Esimerkiksi aksiaalivuomoottorit voivat muuttaa voimansiirron rakennetta siirtämällä moottorin akselilta pyörien sisäpuolelle.
1. Vallan akseli
Aksiaalivuomoottoritsaavat yhä enemmän huomiota (saavat kannatusta). Tämän tyyppistä moottoria on käytetty jo vuosia kiinteissä sovelluksissa, kuten hisseissä ja maatalouskoneissa, mutta viimeisen vuosikymmenen aikana monet kehittäjät ovat työskennelleet parantaakseen tätä teknologiaa ja soveltaakseen sitä sähkömoottoripyöriin, lentokenttäkapseleihin, rahtiautoihin, sähköajoneuvoihin ja jopa lentokoneisiin.
Perinteisissä radiaalivuomoottoreissa käytetään kestomagneetteja tai induktiomoottoreita, jotka ovat edistyneet merkittävästi painon ja kustannusten optimoinnissa. Niiden kehittämisessä on kuitenkin monia vaikeuksia. Aksiaalivuomoottori, täysin erityyppinen moottori, voi olla hyvä vaihtoehto.
Radiaalimoottoreihin verrattuna aksiaalivuokestomagneettimoottorien efektiivinen magneettinen pinta-ala on moottorin roottorin pinta-ala, ei ulkohalkaisija. Siksi tietyssä moottoritilavuudessa aksiaalivuokestomagneettimoottorit voivat yleensä tuottaa suuremman vääntömomentin.
Aksiaalivuomoottoritovat kompaktimpia; Radiaalimoottoreihin verrattuna moottorin aksiaalipituus on paljon lyhyempi. Sisäpyörämoottoreissa tämä on usein ratkaiseva tekijä. Aksiaalimoottoreiden kompakti rakenne varmistaa suuremman tehotiheyden ja vääntömomenttitiheyden kuin vastaavissa radiaalimoottoreissa, mikä poistaa tarpeen erittäin suurille käyttönopeuksille.
Aksiaalivuomoottoreiden hyötysuhde on myös erittäin korkea, yleensä yli 96 %. Tämä johtuu lyhyemmästä, yksiulotteisesta vuonkulusta, jonka hyötysuhde on verrattavissa markkinoiden parhaisiin 2D-radiaalivuomoottoreihin tai jopa parempi.
Moottorin pituus on lyhyempi, yleensä 5–8 kertaa lyhyempi, ja paino on myös 2–5 kertaa pienempi. Nämä kaksi tekijää ovat muuttaneet sähköajoneuvoalustojen suunnittelijoiden valintoja.
2. Aksiaalivuotekniikka
On olemassa kaksi pääasiallista topologiaaaksiaalivuomoottoritkaksiroottorinen yksistaattori (joskus kutsutaan torus-tyyppisiksi koneiksi) ja yksiroottorinen kaksoisstaattori.
Tällä hetkellä useimmat kestomagneettimoottorit käyttävät säteittäistä vuotopologiaa. Magneettivuon virtapiiri alkaa roottorin kestomagneetista, kulkee staattorin ensimmäisen hampaan läpi ja virtaa sitten säteittäisesti staattoria pitkin. Sitten se kulkee toisen hampaan läpi saavuttaakseen roottorin toisen magneettisen teräksen. Kaksoisroottorisessa aksiaalisessa vuotopologiassa vuosilmukka alkaa ensimmäisestä magneetista, kulkee aksiaalisesti staattorin hampaiden läpi ja saavuttaa välittömästi toisen magneetin.
Tämä tarkoittaa, että vuon reitti on paljon lyhyempi kuin radiaalivuomoottoreilla, mikä johtaa pienempiin moottorin tilavuuksiin, suurempaan tehotiheyteen ja hyötysuhteeseen samalla teholla.
Radiaalimoottori, jossa magneettivuo kulkee ensimmäisen hampaan läpi ja palaa sitten staattorin kautta seuraavaan hampaaseen saavuttaen magneetin. Magneettivuo seuraa kaksiulotteista rataa.
Aksiaalisen magneettivuokoneen magneettivuon reitti on yksiulotteinen, joten siinä voidaan käyttää raesuuntattua sähköterästä. Tämä teräs helpottaa vuon kulkua, mikä parantaa hyötysuhdetta.
Radiaalivuomoottoreissa käytetään perinteisesti hajautettuja käämejä, joissa jopa puolet käämityksen päistä ei toimi. Käämin ylitys lisää painoa, kustannuksia, sähkövastusta ja lämpöhäviöitä, mikä pakottaa suunnittelijat parantamaan käämityksen suunnittelua.
Käämin päätaksiaalivuomoottoritovat paljon pienemmät, ja joissakin malleissa käytetään keskitettyjä tai segmentoituja käämejä, jotka ovat täysin tehokkaita. Segmentoiduilla staattorisäteittäisillä koneilla magneettivuon reitin katkeaminen staattorissa voi aiheuttaa lisähäviöitä, mutta aksiaalivuomoottoreilla tämä ei ole ongelma. Käämityksen suunnittelu on avain toimittajien tason erottamiseen.
3. Kehitys
Aksiaalivuomoottorit kohtaavat vakavia haasteita suunnittelussa ja tuotannossa, sillä teknologisista eduistaan huolimatta niiden kustannukset ovat huomattavasti korkeammat kuin radiaalimoottoreiden. Ihmisillä on erittäin perusteellinen ymmärrys radiaalimoottoreista, ja valmistusmenetelmät ja mekaaniset laitteet ovat myös helposti saatavilla.
Yksi aksiaalivuomoottorien suurimmista haasteista on ylläpitää tasainen ilmarako roottorin ja staattorin välillä, koska magneettinen voima on paljon suurempi kuin radiaalimoottoreissa, mikä vaikeuttaa tasaisen ilmaraon ylläpitämistä. Kaksoisroottorisessa aksiaalivuomoottorissa on myös lämmönpoisto-ongelmia, koska käämi sijaitsee syvällä staattorin sisällä ja kahden roottorilevyn välissä, mikä tekee lämmönpoistosta erittäin vaikeaa.
Aksiaalivuomoottoreita on myös vaikea valmistaa monista syistä. Kaksoisroottorinen kone, jossa käytetään kaksoisroottorista konetta, jossa on ikerakenne (eli rautainen ike poistetaan staattorista, mutta rautahampaat säilytetään), ratkaisee osan näistä ongelmista laajentamatta moottorin halkaisijaa ja magneettia.
Ikäsosan poistaminen tuo kuitenkin mukanaan uusia haasteita, kuten yksittäisten hampaiden kiinnittämisen ja asettelun ilman mekaanista iesliitosta. Myös jäähdytys on suurempi haaste.
Roottorin valmistaminen ja ilmaraon ylläpitäminen on myös vaikeaa, koska roottorin kiekko vetää puoleensa roottoria. Etuna on, että roottorin kiekot ovat suoraan yhteydessä toisiinsa akselirenkaan kautta, joten voimat kumoavat toisensa. Tämä tarkoittaa, että sisäinen laakeri ei kestä näitä voimia, ja sen ainoa tehtävä on pitää staattori keskellä kahden roottorin kiekon välissä.
Kaksoisstaattorimoottorit, joissa on yksi roottori, eivät kohtaa pyörömoottorien haasteita, mutta staattorin rakenne on paljon monimutkaisempi ja vaikeampi automatisoida, ja siihen liittyvät kustannukset ovat myös korkeat. Toisin kuin perinteiset radiaalivuomoottorit, aksiaalimoottorien valmistusprosessit ja mekaaniset laitteet ovat kehittyneet vasta äskettäin.
4. Sähköajoneuvojen käyttö
Luotettavuus on ratkaisevan tärkeää autoteollisuudessa, ja erilaisten järjestelmien luotettavuuden ja kestävyyden todistaminenaksiaalivuomoottoritValmistajien vakuuttaminen siitä, että nämä moottorit soveltuvat massatuotantoon, on aina ollut haasteellista. Tämä on saanut aksiaalimoottorien toimittajat toteuttamaan laajoja omia validointiohjelmiaan, joissa jokainen toimittaja osoittaa, että heidän moottorinsa luotettavuus ei eroa perinteisistä radiaalivuomottoreista.
Ainoa komponentti, joka voi kulua loppuunaksiaalivuomoottorion laakerit. Aksiaalisen magneettivuon pituus on suhteellisen lyhyt ja laakerit ovat lähempänä toisiaan, yleensä suunniteltu hieman "ylimitoitetuiksi". Onneksi aksiaalivuomoottorilla on pienempi roottorin massa ja se kestää pienempiä roottorin dynaamisia akselikuormia. Siksi laakereihin kohdistuva todellinen voima on paljon pienempi kuin radiaalivuomoottorilla.
Elektroninen akseli on yksi aksiaalimoottoreiden ensimmäisistä sovelluksista. Ohuempi leveys voi kapseloida moottorin ja vaihteiston akselin sisään. Hybridisovelluksissa moottorin lyhyempi aksiaalipituus puolestaan lyhentää voimansiirtojärjestelmän kokonaispituutta.
Seuraava vaihe on aksiaalimoottorin asentaminen pyörään. Tällä tavoin teho voidaan siirtää suoraan moottorista pyöriin, mikä parantaa moottorin hyötysuhdetta. Vaihteistojen, tasauspyörästöjen ja vetoakseleiden poistamisen ansiosta järjestelmän monimutkaisuutta on myös vähennetty.
Näyttää kuitenkin siltä, että vakiokokoonpanoja ei ole vielä ilmestynyt. Jokainen alkuperäislaitevalmistaja tutkii erityisiä kokoonpanoja, sillä aksiaalimoottoreiden eri koot ja muodot voivat muuttaa sähköajoneuvojen suunnittelua. Radiaalimoottoreihin verrattuna aksiaalimoottoreilla on suurempi tehotiheys, mikä tarkoittaa, että voidaan käyttää pienempiä aksiaalimoottoreita. Tämä tarjoaa uusia suunnitteluvaihtoehtoja ajoneuvoalustoille, kuten akkupakettien sijoittelulle.
4.1 Segmentoitu ankkuri
YASA-moottoritopologia (Yokeless and Segmented Armature) on esimerkki kaksoisroottori-yksistaattoritopologiasta, joka yksinkertaistaa valmistusta ja soveltuu automatisoituun massatuotantoon. Näiden moottoreiden tehotiheys on jopa 10 kW/kg nopeuksilla 2000–9000 rpm.
Erillisen ohjaimen avulla se voi tuottaa moottorille 200 kVA:n virran. Ohjaimen tilavuus on noin 5 litraa ja paino 5,8 kilogrammaa, mukaan lukien lämmönhallinta dielektrisellä öljyjäähdytyksellä, joten se sopii aksiaalivuomoottoreille sekä induktio- ja radiaalivuomoottoreille.
Tämä antaa sähköajoneuvojen alkuperäislaitevalmistajille ja ensimmäisen tason kehittäjille mahdollisuuden valita joustavasti sopivan moottorin käyttötarkoituksen ja käytettävissä olevan tilan perusteella. Pienempi koko ja paino tekevät ajoneuvosta kevyemmän ja siinä on enemmän akkuja, mikä pidentää toimintamatkaa.
5. Sähkömoottoripyörien käyttö
Sähkömoottoripyörille ja mönkijöille jotkut yritykset ovat kehittäneet vaihtovirta-aksiaalivuomottoreita. Yleisesti käytetty rakenne tällaisissa ajoneuvoissa on harjapohjainen tasavirta-aksiaalivuomalli, kun taas uusi tuote on täysin suljettu harjaton vaihtovirtamalli.
Sekä tasavirta- että vaihtovirtamoottoreiden käämit pysyvät paikoillaan, mutta kaksoisroottoreissa käytetään pyörivien ankkureiden sijaan kestomagneetteja. Tämän menetelmän etuna on, että se ei vaadi mekaanista suunnanvaihtoa.
Aksiaalisessa AC-rakenteessa voidaan käyttää myös radiaalimoottoreiden standardeja kolmivaiheisia AC-moottoriohjaimia. Tämä auttaa vähentämään kustannuksia, koska ohjain ohjaa vääntömomentin virtaa, ei nopeutta. Ohjain vaatii vähintään 12 kHz:n taajuuden, joka on tällaisten laitteiden päätaajuus.
Korkeampi taajuus tulee pienemmästä käämin induktanssista, joka on 20 µH. Taajuudella voidaan säätää virtaa minimoimalla virran aaltoilu ja varmistamalla mahdollisimman tasainen sinimuotoinen signaali. Dynaamisesta näkökulmasta tämä on erinomainen tapa saavuttaa tasaisempi moottorin ohjaus mahdollistamalla nopeat vääntömomentin muutokset.
Tässä rakenteessa käytetään hajautettua kaksikerroksista käämitystä, joten magneettivuo virtaa roottorista toiseen staattorin läpi erittäin lyhyellä matkalla ja suuremmalla hyötysuhteella.
Tämän rakenteen avain on, että se voi toimia enintään 60 V:n jännitteellä eikä sovellu korkeamman jännitteen järjestelmiin. Siksi sitä voidaan käyttää sähkömoottoripyörissä ja L7e-luokan nelipyöräisissä ajoneuvoissa, kuten Renault Twizyssä.
60 V:n maksimijännite mahdollistaa moottorin integroinnin valtavirran 48 V:n sähköjärjestelmiin ja yksinkertaistaa huoltotöitä.
Eurooppalaisen puiteasetuksen 2002/24/EY L7e-nelipyöräisten moottoripyörien vaatimukset edellyttävät, että tavaroiden kuljetukseen käytettävien ajoneuvojen paino ei saa ylittää 600 kilogrammaa akkujen painoa lukuun ottamatta. Nämä ajoneuvot saavat kuljettaa enintään 200 kilogrammaa matkustajia, enintään 1000 kilogrammaa lastia ja enintään 15 kilowattia moottorin tehoa. Hajautettu käämitysmenetelmä voi tuottaa 75–100 Nm:n vääntömomentin, 20–25 kW:n huipputehon ja 15 kW:n jatkuvan tehon.
Aksiaalivuon haasteena on se, miten kuparikäämit johtavat lämpöä, mikä on vaikeaa, koska lämmön on kuljettava roottorin läpi. Hajautettu käämitys on avain tämän ongelman ratkaisemiseen, koska siinä on suuri määrä napauria. Tällä tavoin kuparin ja vaipan välinen pinta-ala on suurempi, ja lämpö voidaan siirtää ulos ja poistaa tavallisella nestejäähdytysjärjestelmällä.
Useat magneettiset navat ovat avainasemassa sinimuotoisten aaltomuotojen hyödyntämisessä, mikä auttaa vähentämään harmonisia yliaaltoja. Nämä harmoniset yliaallot ilmenevät magneettien ja ytimen lämpenemisenä, kun taas kuparikomponentit eivät pysty kuljettamaan lämpöä pois. Kun lämpöä kertyy magneetteihin ja rautaytimiin, hyötysuhde heikkenee, minkä vuoksi aaltomuodon ja lämpöreitin optimointi on ratkaisevan tärkeää moottorin suorituskyvyn kannalta.
Moottorin suunnittelu on optimoitu kustannusten alentamiseksi ja automatisoidun massatuotannon saavuttamiseksi. Puristettu kotelorengas ei vaadi monimutkaista mekaanista käsittelyä ja voi vähentää materiaalikustannuksia. Käämi voidaan kelata suoraan, ja käämitysprosessin aikana käytetään liimausprosessia oikean kokoonpanomuodon säilyttämiseksi.
Olennaista on, että käämi on valmistettu kaupallisesti saatavilla olevasta standardilangasta, kun taas rautasydän on laminoitu standardilla muuntajateräksellä, joka tarvitsee vain leikata muotoonsa. Muissa moottorirakenteissa sydämen laminoinnissa käytetään pehmeitä magneettisia materiaaleja, mikä voi olla kalliimpaa.
Hajautettujen käämien käyttö tarkoittaa, että magneettista terästä ei tarvitse segmentoida; ne voivat olla yksinkertaisempia ja helpompia valmistaa. Magneettisen teräksen koon pienentäminen ja sen valmistuksen helppouden varmistaminen vaikuttaa merkittävästi kustannusten alentamiseen.
Tämän aksiaalivuomoottorin suunnittelua voidaan myös räätälöidä asiakkaan vaatimusten mukaisesti. Asiakkaille kehitetään räätälöityjä versioita perusrakenteen ympärille. Sitten ne valmistetaan koetuotantolinjalla varhaista tuotannon varmennusta varten, mikä voidaan kopioida muihin tehtaisiin.
Räätälöinti johtuu pääasiassa siitä, että ajoneuvon suorituskyky riippuu paitsi aksiaalisen magneettivuon moottorin suunnittelusta myös ajoneuvon rakenteen, akkupaketin ja BMS:n laadusta.
Julkaisun aika: 28.9.2023
