Σε σύγκριση με τους κινητήρες ακτινικής ροής, οι κινητήρες αξονικής ροής έχουν πολλά πλεονεκτήματα στο σχεδιασμό ηλεκτρικών οχημάτων. Για παράδειγμα, οι κινητήρες αξονικής ροής μπορούν να αλλάξουν τη σχεδίαση του συστήματος μετάδοσης κίνησης μετακινώντας τον κινητήρα από τον άξονα στο εσωτερικό των τροχών.
1.Άξονας εξουσίας
Κινητήρες αξονικής ροήςλαμβάνουν αυξανόμενη προσοχή (έλξη κέρδους). Για πολλά χρόνια, αυτός ο τύπος κινητήρα χρησιμοποιείται σε σταθερές εφαρμογές όπως ανελκυστήρες και γεωργικά μηχανήματα, αλλά την τελευταία δεκαετία, πολλοί προγραμματιστές εργάζονται για να βελτιώσουν αυτήν την τεχνολογία και να την εφαρμόσουν σε ηλεκτρικές μοτοσικλέτες, λοβούς αεροδρομίων, φορτηγά φορτίου, ηλεκτρικά οχήματα, ακόμη και αεροπλάνα.
Οι παραδοσιακοί κινητήρες ακτινικής ροής χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες ή κινητήρες επαγωγής, οι οποίοι έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στη βελτιστοποίηση του βάρους και του κόστους. Ωστόσο, αντιμετωπίζουν πολλές δυσκολίες για να συνεχίσουν να αναπτύσσονται. Η αξονική ροή, ένας εντελώς διαφορετικός τύπος κινητήρα, μπορεί να είναι μια καλή εναλλακτική.
Σε σύγκριση με τους ακτινωτούς κινητήρες, η αποτελεσματική 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 ακτινωτούς κινητήρες, το αξονικό μήκος του κινητήρα είναι πολύ μικρότερο. Για τους κινητήρες εσωτερικού τροχού, αυτός είναι συχνά ένας κρίσιμος παράγοντας. Η συμπαγής δομή των αξονικών κινητήρων εξασφαλίζει υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και πυκνότητα ροπής από παρόμοιους ακτινωτούς κινητήρες, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες λειτουργίας.
Η απόδοση των κινητήρων αξονικής ροής είναι επίσης πολύ υψηλή, συνήθως υπερβαίνει το 96%. Αυτό οφείλεται στη συντομότερη μονοδιάστατη διαδρομή ροής, η οποία είναι συγκρίσιμη ή ακόμη μεγαλύτερη σε απόδοση σε σύγκριση με τους καλύτερους κινητήρες ακτινικής ροής 2D 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 διπλού στάτορα ενός ρότορα.
Επί του παρόντος, 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 του στάτορα και στη συνέχεια ρέει ακτινικά κατά μήκος του στάτορα. Στη συνέχεια, περάστε από το δεύτερο δόντι για να φτάσετε στον δεύτερο μαγνητικό χάλυβα στον ρότορα. Σε μια τοπολογία αξονικής ροής διπλού ρότορα, ο βρόχος ροής ξεκινά από τον πρώτο μαγνήτη, διέρχεται αξονικά μέσα από τα δόντια του στάτη και φθάνει 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 ακτινωτός 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 προσανατολισμό κόκκων. 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 άκρα 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 της περιέλιξης.
Τα άκρα του πηνίου τουκινητήρες αξονικής ροήςείναι πολύ λιγότερα και ορισμένα σχέδια χρησιμοποιούν συγκεντρωμένες ή τμηματικές περιελίξεις, οι οποίες είναι απολύτως αποτελεσματικές. Για ακτινικές μηχανές τμηματοποιημένου στάτη, η ρήξη της διαδρομής μαγνητικής ροής στον στάτορα μπορεί να επιφέρει πρόσθετες απώλειες, αλλά για 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 κατανοούν πολύ καλά τους ακτινωτούς κινητήρες και οι μέθοδοι κατασκευής και ο μηχανικός 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 στάτη, καθώς η μαγνητική δύναμη είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των ακτινωτών κινητήρων, καθιστώντας 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 τη διάχυση θερμότητας πολύ δύσκολη.
Οι κινητήρες αξονικής ροής είναι επίσης δύσκολο να κατασκευαστούν για πολλούς λόγους. Το μηχάνημα διπλού ρότορα που χρησιμοποιεί ένα μηχάνημα διπλού ρότορα με τοπολογία ζυγών (δηλαδή αφαιρώντας τον ζυγό σιδήρου από τον στάτορα αλλά συγκρατώντας τα σιδερένια δόντια) ξεπερνά μερικά 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 είναι 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 οι δυνάμεις αλληλοεξουδετερώνονται. Αυτό σημαίνει ότι το εσωτερικό ρουλεμάν δεν αντέχει αυτές τις δυνάμεις και η μόνη του λειτουργία είναι να διατηρεί τον στάτορα στη μεσαία θέση μεταξύ των δύο δίσκων του ρότορα.
Οι κινητήρες με έναν ρότορα διπλού στάτορα δεν αντιμετωπίζουν τις προκλήσεις των κυκλικών κινητήρων, αλλά ο σχεδιασμός του στάτορα είναι πολύ πιο περίπλοκος και δύσκολος στην επίτευξη αυτοματισμού και το σχετικό κόστος είναι επίσης υψηλό. Σε αντίθεση με οποιονδήποτε παραδοσιακό κινητήρα ακτινικής ροής, οι διαδικασίες κατασκευής αξονικών κινητήρων και ο μηχανικός εξοπλισμός εμφανίστηκαν μόλις πρόσφατα.
4. Εφαρμογή ηλεκτρικών οχημάτων
Η αξιοπιστία είναι ζωτικής σημασίας στην αυτοκινητοβιομηχανία και η απόδειξη της αξιοπιστίας και της ευρωστίας διαφορετικώνκινητήρες αξονικής ροήςΤο να πείσει τους κατασκευαστές ότι αυτοί οι κινητήρες είναι κατάλληλοι για μαζική παραγωγή ήταν πάντα μια πρόκληση. Αυτό ώθησε τους προμηθευτές αξονικών κινητήρων να πραγματοποιήσουν εκτεταμένα 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 συστατικό 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 κοντινή, συνήθως σχεδιασμένη ώστε να είναι ελαφρώς «υπερδιάστατη». Ευτυχώς, ο κινητήρας αξονικής ροής έχει μικρότερη μάζα ρότορα και μπορεί να αντέξει χαμηλότερα δυναμικά φορτία άξονα ρότορα. Επομένως, η πραγματική δύναμη που εφαρμόζεται στα ρουλεμάν είναι πολύ μικρότερη από αυτή του κινητήρα ακτινικής ροής.
Ο ηλεκτρονικός άξονας είναι μια από τις πρώτες εφαρμογές των αξονικών κινητήρων. Το λεπτότερο πλάτος μπορεί να περικλείει τον κινητήρα και το κιβώτιο ταχυτήτων στον άξονα. Σε 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 εξάλειψης των κιβωτίων ταχυτήτων, των διαφορικών και των αξόνων μετάδοσης κίνησης, η πολυπλοκότητα του συστήματος έχει επίσης μειωθεί.
Ωστόσο, φαίνεται ότι οι τυπικές διαμορφώσεις δεν έχουν ακόμη εμφανιστεί. 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 ακτινωτούς κινητήρες, οι αξονικοί κινητήρες έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότεροι αξονικοί κινητήρες. Αυτό παρέχει νέες επιλογές σχεδίασης για τις πλατφόρμες οχημάτων, όπως η τοποθέτηση πακέτων μπαταριών.
4.1 Τμηματοποιημένος οπλισμός
Η τοπολογία κινητήρα YASA (Yokeless and Segmented Armature) είναι ένα παράδειγμα τοπολογίας μονού στάτορα διπλού ρότορα, η οποία μειώνει την κατασκευαστική πολυπλοκότητα και είναι κατάλληλη για αυτοματοποιημένη μαζική παραγωγή. Αυτοί οι κινητήρες έχουν πυκνότητα ισχύος έως 10 kW/kg σε ταχύτητες από 2000 έως 9000 rpm.
Χρησιμοποιώντας έναν αποκλειστικό ελεγκτή, μπορεί να παρέχει ρεύμα 200 kVA για τον κινητήρα. Ο ελεγκτής έχει όγκο περίπου 5 λίτρα και βάρος 5,8 κιλά, συμπεριλαμβανομένης της θερμικής διαχείρισης με ψύξη διηλεκτρικού λαδιού, κατάλληλο για κινητήρες αξονικής ροής καθώς και κινητήρες επαγωγής και ακτινικής ροής.
Αυτό επιτρέπει στους κατασκευαστές πρωτότυπου εξοπλισμού ηλεκτρικών οχημάτων και στους κατασκευαστές πρώτης βαθμίδας να επιλέγουν με ευελιξία τον κατάλληλο κινητήρα με βάση την εφαρμογή και τον διαθέσιμο χώρο. Το μικρότερο μέγεθος και βάρος κάνει το όχημα ελαφρύτερο και έχει περισσότερες μπαταρίες, αυξάνοντας έτσι την ώθηση της αυτονομίας.
5. Εφαρμογή ηλεκτρικών μοτοσυκλετών
Για ηλεκτρικές μοτοσικλέτες και ATV, ορισμένες εταιρείες έχουν αναπτύξει κινητήρες αξονικής ροής AC. Ο συνήθως χρησιμοποιούμενος σχεδιασμός για αυτόν τον τύπο οχήματος είναι σχέδια αξονικής ροής με βάση DC brush, ενώ το νέο προϊόν είναι ένα σχέδιο AC, πλήρως σφραγισμένο χωρίς ψήκτρες.
Τα πηνία και των κινητήρων DC και AC παραμένουν ακίνητα, αλλά οι διπλοί ρότορες χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες αντί για περιστρεφόμενους οπλισμούς. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν απαιτεί μηχανική αναστροφή.
Ο αξονικός σχεδιασμός AC μπορεί επίσης να χρησιμοποιεί τυπικούς ελεγκτές τριφασικών μοτέρ AC για ακτινωτούς κινητήρες. Αυτό βοηθά στη μείωση του κόστους, καθώς ο ελεγκτής ελέγχει το ρεύμα της ροπής και όχι την ταχύτητα. Ο ελεγκτής απαιτεί συχνότητα 12 kHz ή μεγαλύτερη, που είναι η κύρια συχνότητα τέτοιων συσκευών.
Η υψηλότερη συχνότητα προέρχεται από τη χαμηλότερη επαγωγή περιέλιξης των 20 µH. Η συχνότητα μπορεί να ελέγχει το ρεύμα για να ελαχιστοποιήσει την κυματοποίηση του ρεύματος και να εξασφαλίσει ένα ημιτονοειδές σήμα όσο το δυνατόν πιο ομαλό. Από δυναμική άποψη, αυτός είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να επιτύχετε πιο ομαλό έλεγχο κινητήρα επιτρέποντας γρήγορες αλλαγές ροπής.
Αυτός ο σχεδιασμός υιοθετεί μια κατανεμημένη περιέλιξη διπλής στρώσης, έτσι ώστε η μαγνητική ροή να ρέει από τον ρότορα σε έναν άλλο ρότορα μέσω του στάτορα, με πολύ μικρή διαδρομή και υψηλότερη απόδοση.
Το κλειδί σε αυτόν τον σχεδιασμό είναι ότι μπορεί να λειτουργήσει με μέγιστη τάση 60 V και δεν είναι κατάλληλο για συστήματα υψηλότερης τάσης. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ηλεκτρικές μοτοσυκλέτες και τετράτροχα οχήματα κατηγορίας L7e όπως το Renault Twizy.
Η μέγιστη τάση των 60 V επιτρέπει στον κινητήρα να ενσωματωθεί σε κύρια ηλεκτρικά συστήματα 48 V και απλοποιεί τις εργασίες συντήρησης.
Οι προδιαγραφές τετράτροχων μοτοσυκλετών 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 όχι περισσότερα από 200 κιλά επιβατών, όχι περισσότερα από 1000 κιλά φορτίου και όχι περισσότερα από 15 κιλοβάτ ισχύς 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 στο πώς οι χάλκινες περιελίξεις διαχέουν τη θερμότητα, κάτι που είναι δύσκολο επειδή η θερμότητα πρέπει να περάσει μέσα από τον ρότορα. Η κατανεμημένη περιέλιξη είναι το κλειδί για την επίλυση αυτού του προβλήματος, καθώς διαθέτει μεγάλο αριθμό υποδοχών 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 εκκενωθεί με ένα τυπικό σύστημα υγρής ψύξης.
Οι πολλαπλοί μαγνητικοί πόλοι είναι το κλειδί για τη χρήση μορφών ημιτονοειδών κυμάτων, οι οποίες συμβάλλουν στη μείωση των αρμονικών. Αυτές οι αρμονικές εκδηλώνονται ως θέρμανση των μαγνητών και του πυρήνα, ενώ τα χάλκινα συστατικά δεν μπορούν να παρασύρουν τη θερμότητα. Όταν η θερμότητα συσσωρεύεται σε μαγνήτες και πυρήνες σιδήρου, η απόδοση μειώνεται, γι' αυτό 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 εξωθημένος δακτύλιος περιβλήματος δεν απαιτεί περίπλοκη μηχανική επεξεργασία και μπορεί να μειώσει το κόστος υλικού. Το πηνίο μπορεί να τυλιχτεί απευθείας και χρησιμοποιείται μια διαδικασία συγκόλλησης κατά τη διαδικασία περιέλιξης για να διατηρηθεί το σωστό σχήμα συναρμολόγησης.
Το βασικό σημείο είναι ότι το πηνίο είναι κατασκευασμένο από τυπικό σύρμα που διατίθεται στο εμπόριο, ενώ ο σιδερένιος πυρήνας είναι ελασματοποιημένος με τυποποιημένο χάλυβα μετασχηματιστή ραφιού, ο οποίος απλά πρέπει να κοπεί σε σχήμα. Άλλα σχέδια κινητήρων απαιτούν τη χρήση μαλακών μαγνητικών υλικών στην πλαστικοποίηση του πυρήνα, τα οποία μπορεί να είναι πιο ακριβά.
Η χρήση κατανεμημένων περιελίξεων σημαίνει ότι ο μαγνητικός χάλυβας δεν χρειάζεται να τμηματοποιηθεί. Μπορούν να έχουν απλούστερα σχήματα και ευκολότερα στην κατασκευή. 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 προσαρμοσμένες εκδόσεις που αναπτύχθηκαν γύρω από τον βασικό σχεδιασμό. Στη συνέχεια κατασκευάζεται σε δοκιμαστική γραμμή παραγωγής για έγκαιρη επαλήθευση παραγωγής, η οποία μπορεί να αναπαραχθεί σε άλλα εργοστάσια.
Η προσαρμογή οφείλεται κυρίως στο ότι η απόδοση του οχήματος εξαρτάται όχι μόνο από τη σχεδίαση του κινητήρα αξονικής μαγνητικής ροής, αλλά και από την ποιότητα της δομής του οχήματος, του πακέτου μπαταριών και του BMS.
Ώρα δημοσίευσης: Σεπ-28-2023
