Σε σύγκριση με τους κινητήρες ακτινικής ροής, οι κινητήρες αξονικής ροής έχουν πολλά πλεονεκτήματα στον σχεδιασμό ηλεκτρικών οχημάτων. Για παράδειγμα, οι κινητήρες αξονικής ροής μπορούν να αλλάξουν τον σχεδιασμό του συστήματος μετάδοσης κίνησης μετακινώντας τον κινητήρα από τον άξονα στο εσωτερικό των τροχών.
1. Άξονας ισχύος
Κινητήρες αξονικής ροήςλαμβάνουν ολοένα και μεγαλύτερη προσοχή (κερδίζουν έδαφος). Για πολλά χρόνια, αυτός ο τύπος κινητήρα έχει χρησιμοποιηθεί σε σταθερές εφαρμογές όπως ανελκυστήρες και γεωργικά μηχανήματα, αλλά την τελευταία δεκαετία, πολλοί κατασκευαστές εργάζονται για να βελτιώσουν αυτήν την τεχνολογία και να την εφαρμόσουν σε ηλεκτρικές μοτοσικλέτες, κάψουλες αεροδρομίων, φορτηγά, ηλεκτρικά οχήματα, ακόμη και αεροπλάνα.
Οι παραδοσιακοί κινητήρες ακτινικής ροής χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες ή επαγωγικούς κινητήρες, οι οποίοι έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στη βελτιστοποίηση του βάρους και του κόστους. Ωστόσο, αντιμετωπίζουν πολλές δυσκολίες στη συνεχή ανάπτυξή τους. Η αξονική ροή, ένας εντελώς διαφορετικός τύπος κινητήρα, μπορεί να αποτελέσει μια καλή εναλλακτική λύση.
Σε σύγκριση με τους ακτινικούς κινητήρες, η ενεργός μαγνητική επιφάνεια των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη αξονικής ροής είναι η επιφάνεια του ρότορα του κινητήρα και όχι η εξωτερική διάμετρος. Επομένως, σε έναν ορισμένο όγκο κινητήρα, οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη αξονικής ροής μπορούν συνήθως να παρέχουν μεγαλύτερη ροπή.
Κινητήρες αξονικής ροήςείναι πιο συμπαγείς. Σε σύγκριση με τους ακτινικούς κινητήρες, το αξονικό μήκος του κινητήρα είναι πολύ μικρότερο. Για τους εσωτερικούς κινητήρες τροχών, αυτός είναι συχνά ένας κρίσιμος παράγοντας. Η συμπαγής δομή των αξονικών κινητήρων εξασφαλίζει υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και πυκνότητα ροπής από παρόμοιους ακτινικούς κινητήρες, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες λειτουργίας.
Η απόδοση των κινητήρων αξονικής ροής είναι επίσης πολύ υψηλή, συνήθως ξεπερνώντας το 96%. Αυτό οφείλεται στη μικρότερη, μονοδιάστατη διαδρομή ροής, η οποία είναι συγκρίσιμη ή και υψηλότερη σε απόδοση σε σύγκριση με τους καλύτερους δισδιάστατους κινητήρες ακτινικής ροής στην αγορά.
Το μήκος του κινητήρα είναι μικρότερο, συνήθως 5 έως 8 φορές μικρότερο, και το βάρος μειώνεται επίσης κατά 2 έως 5 φορές. Αυτοί οι δύο παράγοντες έχουν αλλάξει την επιλογή των σχεδιαστών πλατφορμών ηλεκτρικών οχημάτων.
2. Τεχνολογία αξονικής ροής
Υπάρχουν δύο κύριες τοπολογίες γιακινητήρες αξονικής ροής: μονός στάτορας διπλού ρότορα (μερικές φορές αναφέρονται ως μηχανές τύπου torus) και διπλός στάτορας μονού ρότορα.
Προς το παρόν, οι περισσότεροι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη χρησιμοποιούν τοπολογία ακτινικής ροής. Το κύκλωμα μαγνητικής ροής ξεκινά με έναν μόνιμο μαγνήτη στον ρότορα, διέρχεται από το πρώτο δόντι στον στάτορα και στη συνέχεια ρέει ακτινικά κατά μήκος του στάτορα. Στη συνέχεια, διέρχεται από το δεύτερο δόντι για να φτάσει στον δεύτερο μαγνητικό χάλυβα στον ρότορα. Σε μια τοπολογία αξονικής ροής διπλού ρότορα, ο βρόχος ροής ξεκινά από τον πρώτο μαγνήτη, διέρχεται αξονικά από τα δόντια του στάτορα και φτάνει αμέσως στον δεύτερο μαγνήτη.
Αυτό σημαίνει ότι η διαδρομή ροής είναι πολύ μικρότερη από αυτή των κινητήρων ακτινικής ροής, με αποτέλεσμα μικρότερους όγκους κινητήρα, υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και απόδοση στην ίδια ισχύ.
Ένας ακτινικός κινητήρας, όπου η μαγνητική ροή διέρχεται από το πρώτο δόντι και στη συνέχεια επιστρέφει στο επόμενο δόντι μέσω του στάτορα, φτάνοντας στον μαγνήτη. Η μαγνητική ροή ακολουθεί μια δισδιάστατη διαδρομή.
Η διαδρομή μαγνητικής ροής μιας μηχανής αξονικής μαγνητικής ροής είναι μονοδιάστατη, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ηλεκτρικός χάλυβας με προσανατολισμένους κόκκους. Αυτός ο χάλυβας διευκολύνει τη διέλευση της ροής, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση.
Οι κινητήρες ακτινικής ροής χρησιμοποιούν παραδοσιακά κατανεμημένες περιελίξεις, με έως και τα μισά από τα άκρα των περιελίξεων να μην λειτουργούν. Η προεξοχή του πηνίου θα έχει ως αποτέλεσμα πρόσθετο βάρος, κόστος, ηλεκτρική αντίσταση και μεγαλύτερη απώλεια θερμότητας, αναγκάζοντας τους σχεδιαστές να βελτιώσουν τον σχεδιασμό των περιελίξεων.
Τα άκρα του πηνίουκινητήρες αξονικής ροήςείναι πολύ λιγότερα και ορισμένα σχέδια χρησιμοποιούν συμπυκνωμένες ή τμηματοποιημένες περιελίξεις, οι οποίες είναι απολύτως αποτελεσματικές. Για τις τμηματοποιημένες ακτινικές μηχανές στάτη, η ρήξη της διαδρομής μαγνητικής ροής στον στάτορα μπορεί να επιφέρει πρόσθετες απώλειες, αλλά για τους κινητήρες αξονικής ροής, αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα. Ο σχεδιασμός της περιέλιξης του πηνίου είναι το κλειδί για τη διάκριση του επιπέδου των προμηθευτών.
3. Ανάπτυξη
Οι κινητήρες αξονικής ροής αντιμετωπίζουν ορισμένες σοβαρές προκλήσεις στο σχεδιασμό και την παραγωγή. Παρά τα τεχνολογικά τους πλεονεκτήματα, το κόστος τους είναι πολύ υψηλότερο από αυτό των ακτινικών κινητήρων. Οι άνθρωποι έχουν πολύ βαθιά γνώση των ακτινικών κινητήρων και οι μέθοδοι κατασκευής και ο μηχανολογικός εξοπλισμός είναι επίσης άμεσα διαθέσιμα.
Μία από τις κύριες προκλήσεις των κινητήρων αξονικής ροής είναι η διατήρηση ενός ομοιόμορφου διακένου αέρα μεταξύ του ρότορα και του στάτορα, καθώς η μαγνητική δύναμη είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των ακτινικών κινητήρων, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη διατήρηση ενός ομοιόμορφου διακένου αέρα. Ο κινητήρας αξονικής ροής διπλού ρότορα έχει επίσης προβλήματα απαγωγής θερμότητας, καθώς η περιέλιξη βρίσκεται βαθιά μέσα στον στάτορα και ανάμεσα στους δύο δίσκους του ρότορα, καθιστώντας την απαγωγή θερμότητας πολύ δύσκολη.
Οι κινητήρες αξονικής ροής είναι επίσης δύσκολο να κατασκευαστούν για πολλούς λόγους. Η μηχανή διπλού ρότορα που χρησιμοποιεί μηχανή διπλού ρότορα με τοπολογία ζυγών (δηλαδή, αφαιρώντας τον σιδερένιο ζυγό από τον στάτορα αλλά διατηρώντας τα σιδερένια δόντια) ξεπερνά ορισμένα από αυτά τα προβλήματα χωρίς να επεκτείνει τη διάμετρο του κινητήρα και τον μαγνήτη.
Ωστόσο, η αφαίρεση του ζυγού φέρνει νέες προκλήσεις, όπως το πώς να στερεώσετε και να τοποθετήσετε μεμονωμένα δόντια χωρίς μηχανική σύνδεση ζυγού. Η ψύξη αποτελεί επίσης μεγαλύτερη πρόκληση.
Είναι επίσης δύσκολο να παραχθεί ο ρότορας και να διατηρηθεί το διάκενο αέρα, καθώς ο δίσκος του ρότορα έλκει τον ρότορα. Το πλεονέκτημα είναι ότι οι δίσκοι του ρότορα συνδέονται απευθείας μέσω ενός δακτυλίου άξονα, έτσι ώστε οι δυνάμεις να αλληλοεξουδετερώνονται. Αυτό σημαίνει ότι το εσωτερικό έδρανο δεν αντέχει σε αυτές τις δυνάμεις και η μόνη του λειτουργία είναι να διατηρεί τον στάτορα στη μεσαία θέση μεταξύ των δύο δίσκων του ρότορα.
Οι κινητήρες διπλού στάτη και μονού ρότορα δεν αντιμετωπίζουν τις προκλήσεις των κυκλικών κινητήρων, αλλά ο σχεδιασμός του στάτη είναι πολύ πιο περίπλοκος και δύσκολος στην επίτευξη αυτοματισμού, ενώ το σχετικό κόστος είναι επίσης υψηλό. Σε αντίθεση με οποιονδήποτε παραδοσιακό κινητήρα ακτινικής ροής, οι διαδικασίες κατασκευής αξονικών κινητήρων και ο μηχανολογικός εξοπλισμός έχουν εμφανιστεί μόλις πρόσφατα.
4. Εφαρμογή ηλεκτρικών οχημάτων
Η αξιοπιστία είναι ζωτικής σημασίας στην αυτοκινητοβιομηχανία και αποδεικνύει την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητα διαφορετικών...κινητήρες αξονικής ροήςΗ προσπάθεια να πειστούν οι κατασκευαστές ότι αυτοί οι κινητήρες είναι κατάλληλοι για μαζική παραγωγή αποτελούσε πάντα μια πρόκληση. Αυτό έχει ωθήσει τους προμηθευτές αξονικών κινητήρων να διεξάγουν εκτενή προγράμματα επικύρωσης μόνοι τους, με κάθε προμηθευτή να αποδεικνύει ότι η αξιοπιστία του κινητήρα του δεν διαφέρει από τους παραδοσιακούς κινητήρες ακτινικής ροής.
Το μόνο εξάρτημα που μπορεί να φθαρεί σε ένακινητήρας αξονικής ροήςείναι τα ρουλεμάν. Το μήκος της αξονικής μαγνητικής ροής είναι σχετικά μικρό και η θέση των ρουλεμάν είναι πιο κοντά, συνήθως σχεδιασμένη να είναι ελαφρώς «υπερδιαστασιολογημένη». Ευτυχώς, ο κινητήρας αξονικής ροής έχει μικρότερη μάζα ρότορα και μπορεί να αντέξει χαμηλότερα δυναμικά φορτία άξονα ρότορα. Επομένως, η πραγματική δύναμη που ασκείται στα ρουλεμάν είναι πολύ μικρότερη από αυτή του κινητήρα ακτινικής ροής.
Ο ηλεκτρονικός άξονας είναι μια από τις πρώτες εφαρμογές των αξονικών κινητήρων. Το μικρότερο πλάτος μπορεί να ενσωματώσει τον κινητήρα και το κιβώτιο ταχυτήτων στον άξονα. Στις υβριδικές εφαρμογές, το μικρότερο αξονικό μήκος του κινητήρα με τη σειρά του μειώνει το συνολικό μήκος του συστήματος μετάδοσης.
Το επόμενο βήμα είναι η εγκατάσταση του αξονικού κινητήρα στον τροχό. Με αυτόν τον τρόπο, η ισχύς μπορεί να μεταδοθεί απευθείας από τον κινητήρα στους τροχούς, βελτιώνοντας την απόδοση του κινητήρα. Λόγω της κατάργησης των κιβωτίων ταχυτήτων, των διαφορικών και των αξόνων μετάδοσης κίνησης, έχει επίσης μειωθεί η πολυπλοκότητα του συστήματος.
Ωστόσο, φαίνεται ότι δεν έχουν ακόμη εμφανιστεί τυποποιημένες διαμορφώσεις. Κάθε κατασκευαστής πρωτότυπου εξοπλισμού ερευνά συγκεκριμένες διαμορφώσεις, καθώς τα διαφορετικά μεγέθη και σχήματα των αξονικών κινητήρων μπορούν να αλλάξουν τον σχεδιασμό των ηλεκτρικών οχημάτων. Σε σύγκριση με τους ακτινικούς κινητήρες, οι αξονικοί κινητήρες έχουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότεροι αξονικοί κινητήρες. Αυτό παρέχει νέες επιλογές σχεδιασμού για πλατφόρμες οχημάτων, όπως η τοποθέτηση πακέτων μπαταριών.
4.1 Τμηματικός οπλισμός
Η τοπολογία κινητήρα YASA (χωρίς ζυγό και τμηματοποιημένος οπλισμός) είναι ένα παράδειγμα τοπολογίας διπλού ρότορα και ενός στάτη, η οποία μειώνει την πολυπλοκότητα κατασκευής και είναι κατάλληλη για αυτοματοποιημένη μαζική παραγωγή. Αυτοί οι κινητήρες έχουν πυκνότητα ισχύος έως και 10 kW/kg σε ταχύτητες από 2000 έως 9000 σ.α.λ.
Χρησιμοποιώντας έναν ειδικό ελεγκτή, μπορεί να παρέχει ρεύμα 200 kVA για τον κινητήρα. Ο ελεγκτής έχει όγκο περίπου 5 λίτρα και ζυγίζει 5,8 κιλά, συμπεριλαμβανομένης της θερμικής διαχείρισης με διηλεκτρική ψύξη λαδιού, κατάλληλο για κινητήρες αξονικής ροής καθώς και για κινητήρες επαγωγής και ακτινικής ροής.
Αυτό επιτρέπει στους κατασκευαστές γνήσιου εξοπλισμού ηλεκτρικών οχημάτων και στους πρωτοπόρους ανάπτυξης να επιλέγουν με ευελιξία τον κατάλληλο κινητήρα με βάση την εφαρμογή και τον διαθέσιμο χώρο. Το μικρότερο μέγεθος και βάρος καθιστούν το όχημα ελαφρύτερο και διαθέτει περισσότερες μπαταρίες, αυξάνοντας έτσι την αυτονομία.
5. Εφαρμογή ηλεκτρικών μοτοσικλετών
Για ηλεκτρικές μοτοσικλέτες και ATV, ορισμένες εταιρείες έχουν αναπτύξει κινητήρες αξονικής ροής AC. Ο συνήθως χρησιμοποιούμενος σχεδιασμός για αυτόν τον τύπο οχήματος είναι οι σχεδιασμοί αξονικής ροής DC με βάση τις ψήκτρες, ενώ το νέο προϊόν είναι ένας πλήρως σφραγισμένος σχεδιασμός χωρίς ψήκτρες AC.
Τα πηνία τόσο των κινητήρων συνεχούς όσο και των εναλλασσόμενου ρεύματος παραμένουν ακίνητα, αλλά οι διπλοί ρότορες χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες αντί για περιστρεφόμενους οπλισμούς. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν απαιτεί μηχανική αντιστροφή.
Ο αξονικός σχεδιασμός AC μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει τυπικούς τριφασικούς ελεγκτές κινητήρα AC για ακτινικούς κινητήρες. Αυτό βοηθά στη μείωση του κόστους, καθώς ο ελεγκτής ελέγχει το ρεύμα ροπής, όχι την ταχύτητα. Ο ελεγκτής απαιτεί συχνότητα 12 kHz ή υψηλότερη, η οποία είναι η κύρια συχνότητα τέτοιων συσκευών.
Η υψηλότερη συχνότητα προέρχεται από τη χαμηλότερη αυτεπαγωγή της περιέλιξης των 20 µ H. Η συχνότητα μπορεί να ελέγξει το ρεύμα για να ελαχιστοποιήσει την κυμάτωση του ρεύματος και να εξασφαλίσει ένα ημιτονοειδές σήμα όσο το δυνατόν πιο ομαλό. Από δυναμικής άποψης, αυτός είναι ένας εξαιρετικός τρόπος για να επιτευχθεί ομαλότερος έλεγχος του κινητήρα επιτρέποντας γρήγορες αλλαγές ροπής.
Αυτός ο σχεδιασμός υιοθετεί μια κατανεμημένη διπλή στρώση περιέλιξης, έτσι ώστε η μαγνητική ροή να ρέει από τον ρότορα σε έναν άλλο ρότορα μέσω του στάτορα, με πολύ σύντομη διαδρομή και υψηλότερη απόδοση.
Το κλειδί σε αυτόν τον σχεδιασμό είναι ότι μπορεί να λειτουργήσει σε μέγιστη τάση 60 V και δεν είναι κατάλληλο για συστήματα υψηλότερης τάσης. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ηλεκτρικές μοτοσικλέτες και τετράτροχα οχήματα κατηγορίας L7e όπως το Renault Twizy.
Η μέγιστη τάση των 60 V επιτρέπει την ενσωμάτωση του κινητήρα σε κύρια ηλεκτρικά συστήματα 48 V και απλοποιεί τις εργασίες συντήρησης.
Οι προδιαγραφές για τις τετράτροχες μοτοσικλέτες L7e στον Ευρωπαϊκό Κανονισμό-Πλαίσιο 2002/24/ΕΚ ορίζουν ότι το βάρος των οχημάτων που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά εμπορευμάτων δεν υπερβαίνει τα 600 κιλά, εξαιρουμένου του βάρους των μπαταριών. Αυτά τα οχήματα επιτρέπεται να μεταφέρουν έως 200 κιλά επιβατών, έως 1000 κιλά φορτίου και έως 15 κιλοβάτ ισχύος κινητήρα. Η μέθοδος κατανεμημένης περιέλιξης μπορεί να παρέχει ροπή 75-100 Nm, με μέγιστη ισχύ εξόδου 20-25 kW και συνεχή ισχύ 15 kW.
Η πρόκληση της αξονικής ροής έγκειται στον τρόπο με τον οποίο οι περιελίξεις χαλκού διαχέουν τη θερμότητα, κάτι που είναι δύσκολο επειδή η θερμότητα πρέπει να διέρχεται από τον ρότορα. Η κατανεμημένη περιέλιξη είναι το κλειδί για την επίλυση αυτού του προβλήματος, καθώς έχει μεγάλο αριθμό σχισμών πόλων. Με αυτόν τον τρόπο, υπάρχει μεγαλύτερη επιφάνεια μεταξύ του χαλκού και του κελύφους και η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί προς τα έξω και να αποβληθεί από ένα τυπικό σύστημα υγρής ψύξης.
Οι πολλαπλοί μαγνητικοί πόλοι είναι το κλειδί για την αξιοποίηση ημιτονοειδών μορφών κύματος, οι οποίες βοηθούν στη μείωση των αρμονικών. Αυτές οι αρμονικές εκδηλώνονται ως θέρμανση των μαγνητών και του πυρήνα, ενώ τα χάλκινα εξαρτήματα δεν μπορούν να απομακρύνουν τη θερμότητα. Όταν η θερμότητα συσσωρεύεται σε μαγνήτες και πυρήνες σιδήρου, η απόδοση μειώνεται, γι' αυτό και η βελτιστοποίηση της κυματομορφής και της διαδρομής θερμότητας είναι ζωτικής σημασίας για την απόδοση του κινητήρα.
Ο σχεδιασμός του κινητήρα έχει βελτιστοποιηθεί για τη μείωση του κόστους και την επίτευξη αυτοματοποιημένης μαζικής παραγωγής. Ένας δακτύλιος εξωθημένου περιβλήματος δεν απαιτεί πολύπλοκη μηχανική επεξεργασία και μπορεί να μειώσει το κόστος υλικών. Το πηνίο μπορεί να τυλιχθεί απευθείας και κατά τη διάρκεια της διαδικασίας περιέλιξης χρησιμοποιείται μια διαδικασία συγκόλλησης για να διατηρηθεί το σωστό σχήμα συναρμολόγησης.
Το βασικό σημείο είναι ότι το πηνίο είναι κατασκευασμένο από τυποποιημένο εμπορικά διαθέσιμο σύρμα, ενώ ο σιδερένιος πυρήνας είναι ελασματοποιημένος με τυποποιημένο χάλυβα μετασχηματιστή που κατασκευάζεται από το ράφι, ο οποίος απλώς χρειάζεται να κοπεί στο κατάλληλο σχήμα. Άλλοι σχεδιασμοί κινητήρων απαιτούν τη χρήση μαλακών μαγνητικών υλικών στην ελασματοποίηση του πυρήνα, κάτι που μπορεί να είναι πιο ακριβό.
Η χρήση κατανεμημένων περιελίξεων σημαίνει ότι ο μαγνητικός χάλυβας δεν χρειάζεται να τεμαχίζεται. Μπορούν να έχουν απλούστερα σχήματα και να είναι πιο εύκολο να κατασκευαστούν. Η μείωση του μεγέθους του μαγνητικού χάλυβα και η διασφάλιση της ευκολίας κατασκευής του έχει σημαντικό αντίκτυπο στη μείωση του κόστους.
Ο σχεδιασμός αυτού του κινητήρα αξονικής ροής μπορεί επίσης να προσαρμοστεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις του πελάτη. Οι πελάτες έχουν αναπτύξει προσαρμοσμένες εκδόσεις με βάση τον βασικό σχεδιασμό. Στη συνέχεια, κατασκευάζονται σε δοκιμαστική γραμμή παραγωγής για έγκαιρη επαλήθευση της παραγωγής, η οποία μπορεί να αναπαραχθεί σε άλλα εργοστάσια.
Η προσαρμογή οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι η απόδοση του οχήματος εξαρτάται όχι μόνο από τον σχεδιασμό του κινητήρα αξονικής μαγνητικής ροής, αλλά και από την ποιότητα της δομής του οχήματος, της μπαταρίας και του συστήματος διαχείρισης συστοιχιών (BMS).
Ώρα δημοσίευσης: 28 Σεπτεμβρίου 2023
