Verrattuna säteittäisiin vuomoottoreihin, aksiaalisilla vuomoottoreilla on monia etuja sähköajoneuvojen suunnittelussa. Esimerkiksi aksiaalivuomoottorit voivat muuttaa voimansiirron rakennetta siirtämällä moottoria akselilta pyörien sisäpuolelle.
1. Tehoakseli
Aksiaalivuomoottoritsaavat yhä enemmän huomiota (saavat pitoa). Tämän tyyppisiä moottoreita on käytetty useiden vuosien ajan kiinteissä sovelluksissa, kuten hisseissä ja maatalouskoneissa, mutta viime vuosikymmenen aikana monet kehittäjät ovat pyrkineet parantamaan tätä tekniikkaa ja soveltamaan sitä sähkömoottoripyöriin, lentokenttien koteloihin, kuorma-autoihin, sähköautoihin. ajoneuvoja ja jopa lentokoneita.
Perinteisissä säteittäisvuomoottoreissa käytetään kestomagneetteja tai induktiomoottoreita, jotka ovat edistyneet merkittävästi painon ja kustannusten optimoinnissa. Heillä on kuitenkin monia vaikeuksia jatkaa kehitystään. Aksiaalivuo, täysin erilainen moottori, voi olla hyvä vaihtoehto.
Säteittäisiin moottoreihin verrattuna aksiaalivuon kestomagneettimoottoreiden tehollinen magneettipinta-ala on moottorin roottorin pinta, ei ulkohalkaisija. Siksi tietyssä moottoritilavuudessa aksiaalivuon kestomagneettimoottorit voivat yleensä tarjota suuremman vääntömomentin.
Aksiaalivuomoottoritovat kompaktimpia; Radiaalimoottoriin verrattuna moottorin aksiaalinen pituus on paljon lyhyempi. Sisäisten pyörien moottoreissa tämä on usein ratkaiseva tekijä. Aksiaalimoottorien kompakti rakenne varmistaa suuremman tehotiheyden ja vääntömomenttitiheyden kuin vastaavilla radiaalimoottoreilla, mikä eliminoi äärimmäisen korkeiden käyttönopeuksien tarpeen.
Aksiaalivuomoottorien hyötysuhde on myös erittäin korkea, yleensä yli 96 %. Tämä johtuu lyhyemmästä, yksiulotteisesta vuopolusta, joka on verrattavissa markkinoiden parhaimpiin 2D-säteittäisiin vuomoottoreihin verrattuna tai jopa korkeampi.
Moottorin pituus on lyhyempi, yleensä 5-8 kertaa lyhyempi, ja myös paino on 2-5 kertaa pienempi. Nämä kaksi tekijää ovat muuttaneet sähköajoneuvojen alustan suunnittelijoiden valintaa.
2. Aksiaalivuotekniikka
On olemassa kaksi päätopologiaaaksiaalivuomoottorit: kaksiroottorinen yksistaattori (kutsutaan joskus torustyyppisiksi koneiksi) ja yhden roottorin kaksoisstaattori.
Tällä hetkellä useimmat kestomagneettimoottorit käyttävät radiaalivuotopologiaa. Magneettivuopiiri alkaa roottorin kestomagneetista, kulkee staattorin ensimmäisen hampaan läpi ja virtaa sitten säteittäisesti staattoria pitkin. Kulje sitten toisen hampaan läpi päästäksesi roottorin toiseen magneettiseen teräkseen. Kahden roottorin aksiaalivuon topologiassa vuosilmukka alkaa ensimmäisestä magneetista, kulkee aksiaalisesti staattorin hampaiden läpi ja saavuttaa välittömästi toisen magneetin.
Tämä tarkoittaa, että vuopolku on paljon lyhyempi kuin säteittäisten vuomoottoreiden, mikä johtaa pienempään moottorin tilavuuteen, korkeampaan tehotiheyteen ja hyötysuhteeseen samalla teholla.
Radiaalimoottori, jossa magneettivuo kulkee ensimmäisen hampaan läpi ja palaa sitten seuraavaan hampaan staattorin kautta saavuttaen magneetin. Magneettivuo seuraa kaksiulotteista reittiä.
Aksiaalisen magneettivuon koneen magneettivuon reitti on yksiulotteinen, joten raesuuntautunutta sähköterästä voidaan käyttää. Tämä teräs helpottaa juoksutteen kulkemista läpi, mikä parantaa tehokkuutta.
Radiaalivuomoottorit käyttävät perinteisesti hajautettuja käämiä, jolloin jopa puolet käämien päistä ei toimi. Kelan ylitys lisää painoa, kustannuksia, sähkövastusta ja lisää lämpöhäviötä, mikä pakottaa suunnittelijat parantamaan käämitysrakennetta.
Kela päättyyaksiaalivuomoottoritovat paljon vähemmän, ja joissakin malleissa käytetään tiivistettyjä tai segmentoituja käämiä, jotka ovat täysin tehokkaita. Segmentoiduissa staattorin säteittäiskoneissa staattorin magneettivuon reitin katkeaminen voi aiheuttaa lisähäviöitä, mutta aksiaalivuomoottoreille tämä ei ole ongelma. Kelan käämin suunnittelu on avain toimittajien tason erottamiseen.
3. Kehittäminen
Aksiaalivuomoottorit kohtaavat vakavia haasteita suunnittelussa ja tuotannossa, vaikka niiden teknologisista eduista huolimatta niiden kustannukset ovat paljon korkeammat kuin radiaalimoottorien. Ihmisillä on erittäin syvällinen ymmärrys radiaalimoottoreista, ja valmistusmenetelmät ja mekaaniset laitteet ovat myös helposti saatavilla.
Yksi aksiaalivuomoottorien tärkeimmistä haasteista on säilyttää tasainen ilmaväli roottorin ja staattorin välillä, koska magneettinen voima on paljon suurempi kuin radiaalimoottorien, mikä vaikeuttaa tasaisen ilmavälin ylläpitämistä. Kaksiroottorisessa aksiaalivuomoottorissa on myös lämmönpoistoongelmia, koska käämitys sijaitsee syvällä staattorin sisällä ja kahden roottorilevyn välissä, mikä tekee lämmön haihtumista erittäin vaikeaksi.
Aksiaalivuomoottoreita on myös vaikea valmistaa monista syistä. Kaksoisroottorinen kone, jossa käytetään kaksoisroottorista konetta, jossa on ikeen topologia (eli rautaikeen poistaminen staattorista, mutta rautahampaat säilytetään), voittaa osan näistä ongelmista ilman, että moottorin halkaisija ja magneetti kasvaa.
Hampaan poistaminen tuo kuitenkin uusia haasteita, kuten yksittäisten hampaiden kiinnittämisen ja sijoittamisen ilman mekaanista ikeen liitosta. Jäähdytys on myös suurempi haaste.
Myös roottorin valmistaminen ja ilmaraon ylläpitäminen on vaikeaa, koska roottorilevy vetää puoleensa roottoria. Etuna on, että roottorilevyt on kytketty suoraan akselirenkaan kautta, jolloin voimat kumoavat toisensa. Tämä tarkoittaa, että sisäinen laakeri ei kestä näitä voimia ja sen ainoa tehtävä on pitää staattori keskiasennossa kahden roottorilevyn välissä.
Yksiroottoriset kaksoisstaattorimoottorit eivät kohtaa pyöreän moottorin haasteita, mutta staattorin rakenne on paljon monimutkaisempi ja vaikeammin automatisoitava, ja siihen liittyvät kustannukset ovat myös korkeat. Toisin kuin mikään perinteinen radiaalivuomoottori, aksiaalimoottorien valmistusprosessit ja mekaaniset laitteet ovat ilmaantuneet vasta äskettäin.
4. Sähköajoneuvojen käyttö
Luotettavuus on autoteollisuudessa ratkaisevan tärkeää, ja se todistaa erilaisten luotettavuuden ja kestävyydenaksiaalivuomoottoritValmistajien vakuuttaminen näiden moottorien soveltuvuudesta massatuotantoon on aina ollut haaste. Tämä on saanut aksiaalimoottorien toimittajat suorittamaan laajoja validointiohjelmia itsenäisesti, ja jokainen toimittaja osoittaa, että niiden moottoreiden luotettavuus ei eroa perinteisistä säteittäisvuomoottoreista.
Ainoa komponentti, joka voi kuluaaksiaalivuomoottorion laakerit. Aksiaalisen magneettivuon pituus on suhteellisen lyhyt ja laakereiden sijainti lähempänä, yleensä suunniteltu hieman "ylimitoitettu". Onneksi aksiaalivuomoottorilla on pienempi roottorimassa ja se kestää pienempiä roottorin dynaamisia akselikuormia. Siksi laakereihin kohdistuva todellinen voima on paljon pienempi kuin säteittäisvuomoottorin voima.
Elektroninen akseli on yksi aksiaalimoottorien ensimmäisistä sovelluksista. Ohuempi leveys voi kapseloida moottorin ja vaihteiston akseliin. Hybridisovelluksissa moottorin lyhyempi aksiaalinen pituus puolestaan lyhentää voimansiirtojärjestelmän kokonaispituutta.
Seuraava vaihe on aksiaalimoottorin asentaminen pyörään. Tällä tavalla teho voidaan siirtää suoraan moottorista pyörille, mikä parantaa moottorin hyötysuhdetta. Vaihteiston, tasauspyörästön ja vetoakseleiden poistamisen ansiosta järjestelmän monimutkaisuus on myös vähentynyt.
Vaikuttaa kuitenkin siltä, että vakiokokoonpanoja ei ole vielä ilmestynyt. Jokainen alkuperäinen laitevalmistaja tutkii tiettyjä kokoonpanoja, koska aksiaalimoottorien eri koot ja muodot voivat muuttaa sähköajoneuvojen rakennetta. Verrattuna radiaalimoottoreihin aksiaalimoottoreilla on suurempi tehotiheys, mikä tarkoittaa, että pienempiä aksiaalimoottoreita voidaan käyttää. Tämä tarjoaa uusia suunnitteluvaihtoehtoja ajoneuvojen alustoihin, kuten akkupakkausten sijoittamiseen.
4.1 Segmentoitu ankkuri
YASA (Yokeless and Segmented Armature) -moottoritopologia on esimerkki kaksiroottorisesta yhden staattorin topologiasta, joka vähentää valmistuksen monimutkaisuutta ja sopii automatisoituun massatuotantoon. Näiden moottoreiden tehotiheys on jopa 10 kW/kg nopeuksilla 2000-9000 rpm.
Erillistä säädintä käyttämällä se voi tarjota 200 kVA virran moottorille. Säätimen tilavuus on noin 5 litraa ja paino 5,8 kiloa sisältäen lämmönhallinnan dielektrisellä öljyjäähdytyksellä, sopii aksiaalivuomoottoreille sekä induktio- ja radiaalivuomoottoreille.
Tämän ansiosta sähköajoneuvojen alkuperäisten laitteiden valmistajat ja ensimmäisen tason kehittäjät voivat valita sopivan moottorin joustavasti sovelluksen ja käytettävissä olevan tilan perusteella. Pienempi koko ja paino tekevät ajoneuvosta kevyemmän ja siinä on enemmän akkuja, mikä lisää valikoimaa.
5. Sähkömoottoripyörien käyttö
Jotkut yritykset ovat kehittäneet sähkömoottoripyörille ja mönkijöille AC-aksiaalivuomoottoreita. Tämäntyyppisissä ajoneuvoissa yleisesti käytetty malli on DC-harjapohjainen aksiaalivuomalli, kun taas uusi tuote on AC, täysin suljettu harjaton malli.
Sekä DC- että AC-moottorien käämit pysyvät paikallaan, mutta kaksoisroottoreissa käytetään kestomagneetteja pyörivien ankkurien sijaan. Tämän menetelmän etuna on, että se ei vaadi mekaanista peruuttamista.
AC-aksiaalimallissa voidaan käyttää myös tavallisia kolmivaiheisia AC-moottoriohjaimia radiaalimoottoreille. Tämä auttaa vähentämään kustannuksia, koska säädin ohjaa vääntömomentin virtaa, ei nopeutta. Ohjain vaatii vähintään 12 kHz:n taajuuden, joka on tällaisten laitteiden päätaajuus.
Korkeampi taajuus tulee 20 µH:n alemmasta käämin induktanssista. Taajuus voi ohjata virtaa minimoimaan virran aaltoilua ja varmistamaan mahdollisimman tasaisen sinimuotoisen signaalin. Dynaamisesta näkökulmasta tämä on loistava tapa saavuttaa pehmeämpi moottorin ohjaus mahdollistamalla nopeat vääntömomentin muutokset.
Tämä rakenne käyttää hajautettua kaksikerroksista käämitystä, joten magneettivuo virtaa roottorista toiseen roottoriin staattorin kautta erittäin lyhyellä tiellä ja korkeammalla hyötysuhteella.
Avain tähän suunnitteluun on, että se voi toimia enintään 60 V jännitteellä eikä sovellu korkeampijännitejärjestelmiin. Siksi sitä voidaan käyttää sähkömoottoripyörissä ja L7e-luokan nelipyöräisissä ajoneuvoissa, kuten Renault Twizyssä.
60 V:n maksimijännite mahdollistaa moottorin liittämisen yleisiin 48 V:n sähköjärjestelmiin ja helpottaa huoltotöitä.
Euroopan puiteasetuksen 2002/24/EY nelipyöräisten moottoripyörien L7e eritelmät edellyttävät, että tavarankuljetukseen käytettävien ajoneuvojen paino ei ylitä 600 kilogrammaa akkujen painoa lukuun ottamatta. Nämä ajoneuvot saavat kuljettaa enintään 200 kiloa matkustajia, enintään 1000 kiloa rahtia ja enintään 15 kilowattia moottorin tehoa. Hajautettu käämitysmenetelmä voi tuottaa vääntömomentin 75-100 Nm, huipputeholla 20-25 kW ja jatkuvalla teholla 15 kW.
Aksiaalivuon haaste on siinä, kuinka kuparikäämit hajottavat lämpöä, mikä on vaikeaa, koska lämmön täytyy kulkea roottorin läpi. Hajautettu käämitys on avain tämän ongelman ratkaisemiseen, koska siinä on suuri määrä napapaikkoja. Tällä tavalla kuparin ja vaipan väliin jää suurempi pinta-ala ja lämpö voidaan siirtää ulos ja poistaa tavallisella nestejäähdytysjärjestelmällä.
Useat magneettiset navat ovat avainasemassa siniaaltomuotojen hyödyntämisessä, mikä auttaa vähentämään yliaaltoja. Nämä harmoniset ilmenevät magneettien ja sydämen kuumenemisena, kun taas kuparikomponentit eivät voi kuljettaa lämpöä pois. Kun lämpö kerääntyy magneetteihin ja rautasydämiin, tehokkuus laskee, minkä vuoksi aaltomuodon ja lämpöpolun optimointi on moottorin suorituskyvyn kannalta ratkaisevan tärkeää.
Moottorin suunnittelu on optimoitu kustannusten alentamiseksi ja automatisoidun massatuotannon saavuttamiseksi. Suulakepuristettu kotelorengas ei vaadi monimutkaista mekaanista käsittelyä ja voi vähentää materiaalikustannuksia. Kela voidaan kääriä suoraan ja käämityksen aikana käytetään liimausprosessia oikean kokoonpanomuodon säilyttämiseksi.
Keskeinen asia on, että kela on valmistettu tavallisesta kaupallisesti saatavasta langasta, kun taas rautasydän on laminoitu hyllymuuntajateräksellä, joka on yksinkertaisesti leikattava muotoon. Muut moottorimallit edellyttävät pehmeiden magneettisten materiaalien käyttöä sydämen laminoinnissa, mikä voi olla kalliimpaa.
Hajautettujen käämien käyttö tarkoittaa, että magneettista terästä ei tarvitse segmentoida; Ne voivat olla muodoltaan yksinkertaisempia ja helpompia valmistaa. Magneettiteräksen koon pienentäminen ja valmistuksen helppouden varmistaminen vaikuttavat merkittävästi kustannusten alentamiseen.
Tämän aksiaalivuomoottorin suunnittelua voidaan myös räätälöidä asiakkaan vaatimusten mukaan. Asiakkailla on räätälöityjä versioita, jotka on kehitetty perussuunnittelun ympärille. Sitten valmistetaan koetuotantolinjalla tuotannon varhaista todentamista varten, joka voidaan kopioida muissa tehtaissa.
Räätälöinti johtuu pääasiassa siitä, että ajoneuvon suorituskyky ei riipu pelkästään aksiaalisen magneettivuomoottorin suunnittelusta, vaan myös ajoneuvon rakenteen, akun ja BMS:n laadusta.
Postitusaika: 28.9.2023
