W porównaniu z silnikami o strumieniu promieniowym, silniki o strumieniu osiowym mają wiele zalet w projektowaniu pojazdów elektrycznych. Na przykład, silniki o strumieniu osiowym mogą zmienić konstrukcję układu napędowego poprzez przeniesienie silnika z osi do wnętrza kół.
1. Oś władzy
Silniki strumieniowe osioweZyskują coraz większą uwagę (zdobywają popularność). Przez wiele lat ten typ silnika był stosowany w zastosowaniach stacjonarnych, takich jak windy i maszyny rolnicze, ale w ciągu ostatniej dekady wielu deweloperów pracowało nad udoskonaleniem tej technologii i zastosowaniem jej w motocyklach elektrycznych, kapsułach lotniskowych, ciężarówkach transportowych, pojazdach elektrycznych, a nawet samolotach.
Tradycyjne silniki o strumieniu promieniowym wykorzystują magnesy trwałe lub silniki indukcyjne, które poczyniły znaczne postępy w optymalizacji masy i kosztów. Jednak ich dalszy rozwój napotyka wiele trudności. Silnik o strumieniu osiowym, będący zupełnie innym typem silnika, może być dobrą alternatywą.
W porównaniu z silnikami promieniowymi, efektywna powierzchnia magnetyczna silników z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym to powierzchnia wirnika silnika, a nie jego średnica zewnętrzna. Dlatego w określonej objętości silnika silniki z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym zazwyczaj zapewniają większy moment obrotowy.
Silniki strumieniowe osioweSą bardziej kompaktowe; W porównaniu z silnikami promieniowymi, długość osiowa silnika jest znacznie krótsza. W przypadku silników z kołem wewnętrznym jest to często kluczowy czynnik. Kompaktowa konstrukcja silników osiowych zapewnia wyższą gęstość mocy i momentu obrotowego niż w przypadku podobnych silników promieniowych, eliminując tym samym potrzebę ekstremalnie wysokich prędkości roboczych.
Sprawność silników o strumieniu osiowym jest również bardzo wysoka, zazwyczaj przekraczając 96%. Jest to zasługą krótszej, jednowymiarowej ścieżki strumienia, która jest porównywalna, a nawet wyższa pod względem sprawności w porównaniu z najlepszymi, dwuwymiarowymi silnikami o strumieniu promieniowym dostępnymi na rynku.
Długość silnika jest krótsza, zazwyczaj od 5 do 8 razy, a masa pojazdu jest również zmniejszona od 2 do 5 razy. Te dwa czynniki wpłynęły na wybór projektantów platform pojazdów elektrycznych.
2. Technologia strumienia osiowego
Istnieją dwie główne topologiesilniki o strumieniu osiowym:podwójny wirnik, pojedynczy stojan (czasami określane jako maszyny typu torus) i pojedynczy wirnik, podwójny stojan.
Obecnie większość silników z magnesami trwałymi wykorzystuje topologię strumienia promieniowego. Obwód strumienia magnetycznego rozpoczyna się od magnesu trwałego na wirniku, przechodzi przez pierwszy ząb stojana, a następnie płynie promieniowo wzdłuż stojana. Następnie przechodzi przez drugi ząb, aby dotrzeć do drugiego elementu magnetycznego na wirniku. W topologii strumienia osiowego z podwójnym wirnikiem, pętla strumienia rozpoczyna się od pierwszego magnesu, przechodzi osiowo przez zęby stojana i natychmiast dociera do drugiego magnesu.
Oznacza to, że droga strumienia jest znacznie krótsza niż w silnikach o strumieniu promieniowym, co skutkuje mniejszymi objętościami silnika, większą gęstością mocy i sprawnością przy tej samej mocy.
Silnik promieniowy, w którym strumień magnetyczny przechodzi przez pierwszy ząb, a następnie powraca do następnego zęba przez stojan, docierając do magnesu. Strumień magnetyczny porusza się dwuwymiarową trajektorią.
Ścieżka strumienia magnetycznego w osiowej maszynie strumieniowej jest jednowymiarowa, dlatego można stosować stal elektrotechniczną o zorientowanym ziarnie. Stal ta ułatwia przepływ strumienia, co poprawia wydajność.
Silniki o strumieniu promieniowym tradycyjnie wykorzystują uzwojenia rozproszone, w których nawet połowa końców uzwojeń nie działa. Wystająca cewka zwiększa masę, koszty, rezystancję elektryczną i straty ciepła, co zmusza konstruktorów do ulepszania konstrukcji uzwojeń.
Końcówki cewkisilniki o strumieniu osiowymSą one znacznie mniejsze, a niektóre konstrukcje wykorzystują uzwojenia skoncentrowane lub segmentowane, które są w pełni efektywne. W przypadku maszyn promieniowych z segmentowanym stojanem przerwanie ścieżki strumienia magnetycznego w stojanie może powodować dodatkowe straty, ale w przypadku silników o strumieniu osiowym nie stanowi to problemu. Konstrukcja uzwojenia cewki jest kluczem do rozróżnienia poziomu zasilania.
3. Rozwój
Silniki o strumieniu osiowym napotykają poważne trudności w projektowaniu i produkcji, pomimo swoich zalet technologicznych, ich koszty są znacznie wyższe niż silników promieniowych. Ludzie mają bardzo dogłębną wiedzę na temat silników promieniowych, a metody produkcji i wyposażenie mechaniczne są łatwo dostępne.
Jednym z głównych wyzwań w silnikach o strumieniu osiowym jest utrzymanie równomiernej szczeliny powietrznej między wirnikiem a stojanem, ponieważ siła magnetyczna jest znacznie większa niż w silnikach promieniowych, co utrudnia utrzymanie równomiernej szczeliny powietrznej. Silnik o strumieniu osiowym z dwoma wirnikami ma również problemy z odprowadzaniem ciepła, ponieważ uzwojenie znajduje się głęboko w stojanie i między dwiema tarczami wirnika, co znacznie utrudnia odprowadzanie ciepła.
Silniki o strumieniu osiowym są również trudne w produkcji z wielu powodów. Maszyna dwuwirnikowa wykorzystująca topologię jarzm (tj. usuwająca żelazne jarzmo ze stojana, ale zachowująca żelazne zęby) rozwiązuje niektóre z tych problemów bez zwiększania średnicy silnika i magnesu.
Jednak usunięcie jarzma wiąże się z nowymi wyzwaniami, takimi jak naprawa i pozycjonowanie poszczególnych zębów bez mechanicznego połączenia jarzma. Chłodzenie również stanowi większe wyzwanie.
Trudno jest również wykonać wirnik i utrzymać szczelinę powietrzną, ponieważ tarcza wirnika przyciąga wirnik. Zaletą jest to, że tarcze wirnika są połączone bezpośrednio za pomocą pierścienia wału, dzięki czemu siły się znoszą. Oznacza to, że łożysko wewnętrzne nie wytrzymuje tych sił, a jego jedyną funkcją jest utrzymanie stojana w położeniu środkowym między dwiema tarczami wirnika.
Silniki jednowirnikowe z podwójnym stojanem nie stoją w obliczu wyzwań, jakie niesie ze sobą silnik kołowy, ale konstrukcja stojana jest znacznie bardziej złożona i trudniejsza do zautomatyzowania, a związane z tym koszty są również wysokie. W przeciwieństwie do tradycyjnych silników o strumieniu promieniowym, procesy produkcji silników osiowych i wyposażenie mechaniczne pojawiły się dopiero niedawno.
4. Zastosowanie pojazdów elektrycznych
Niezawodność ma kluczowe znaczenie w branży motoryzacyjnej, a udowodnienie niezawodności i wytrzymałości różnychsilniki o strumieniu osiowymPrzekonanie producentów, że te silniki nadają się do masowej produkcji, zawsze stanowiło wyzwanie. To skłoniło dostawców silników osiowych do przeprowadzenia szeroko zakrojonych programów walidacyjnych na własną rękę, a każdy z nich musiał wykazać, że niezawodność ich silników nie odbiega od niezawodności tradycyjnych silników o strumieniu promieniowym.
Jedyny element, który może się zużyć wsilnik o strumieniu osiowymChodzi o łożyska. Długość osiowego strumienia magnetycznego jest stosunkowo krótka, a łożyska są bliżej siebie, zazwyczaj projektowane tak, aby były nieco „przewymiarowane”. Na szczęście silnik o strumieniu osiowym ma mniejszą masę wirnika i może wytrzymać niższe obciążenia dynamiczne wału wirnika. Dlatego rzeczywista siła przyłożona do łożysk jest znacznie mniejsza niż w przypadku silnika o strumieniu promieniowym.
Elektroniczna oś to jedno z pierwszych zastosowań silników osiowych. Mniejsza szerokość pozwala na umieszczenie silnika i przekładni w osi. W zastosowaniach hybrydowych, krótsza długość osiowa silnika skraca całkowitą długość układu napędowego.
Kolejnym krokiem jest montaż silnika osiowego na kole. W ten sposób moc może być bezpośrednio przenoszona z silnika na koła, co poprawia jego sprawność. Dzięki wyeliminowaniu przekładni, mechanizmów różnicowych i wałów napędowych, złożoność systemu została również zmniejszona.
Wydaje się jednak, że standardowe konfiguracje jeszcze się nie pojawiły. Każdy producent oryginalnego wyposażenia (OEM) bada konkretne konfiguracje, ponieważ różne rozmiary i kształty silników osiowych mogą zmieniać konstrukcję pojazdów elektrycznych. W porównaniu z silnikami promieniowymi, silniki osiowe charakteryzują się wyższą gęstością mocy, co oznacza, że można stosować mniejsze silniki osiowe. Daje to nowe możliwości projektowania platform pojazdów, takie jak rozmieszczenie akumulatorów.
4.1 Armatura segmentowana
Topologia silników YASA (Yokeless and Segmented Armature) jest przykładem topologii z podwójnym wirnikiem i pojedynczym stojanem, która redukuje złożoność produkcji i nadaje się do zautomatyzowanej produkcji masowej. Silniki te charakteryzują się gęstością mocy do 10 kW/kg przy prędkościach od 2000 do 9000 obr./min.
Dzięki dedykowanemu sterownikowi może on dostarczyć silnikowi prąd o mocy 200 kVA. Sterownik ma pojemność około 5 litrów i waży 5,8 kg, wraz z systemem zarządzania temperaturą i chłodzeniem olejem dielektrycznym, i nadaje się do silników o strumieniu osiowym, a także silników indukcyjnych i promieniowych.
Dzięki temu producenci oryginalnego wyposażenia pojazdów elektrycznych i deweloperzy pierwszego poziomu mogą elastycznie dobierać odpowiedni silnik w zależności od zastosowania i dostępnej przestrzeni. Mniejsze rozmiary i masa sprawiają, że pojazd jest lżejszy i ma więcej akumulatorów, co przekłada się na większy zasięg.
5. Zastosowanie motocykli elektrycznych
Niektóre firmy opracowały silniki prądu przemiennego o strumieniu osiowym do motocykli elektrycznych i quadów. W tego typu pojazdach powszechnie stosuje się silniki prądu stałego o strumieniu osiowym, oparte na szczotkach, natomiast nowy produkt to w pełni hermetyczna, bezszczotkowa konstrukcja prądu przemiennego.
Cewki silników prądu stałego i przemiennego pozostają nieruchome, ale dwa wirniki wykorzystują magnesy trwałe zamiast obracających się tworników. Zaletą tej metody jest brak konieczności mechanicznego odwracania kierunku obrotów.
Konstrukcja osiowa prądu przemiennego może również wykorzystywać standardowe trójfazowe regulatory silników prądu przemiennego do silników promieniowych. Pomaga to obniżyć koszty, ponieważ regulator kontroluje prąd momentu obrotowego, a nie prędkość. Regulator wymaga częstotliwości 12 kHz lub wyższej, która jest najczęstszą częstotliwością tego typu urządzeń.
Wyższa częstotliwość wynika z niższej indukcyjności uzwojenia, wynoszącej 20 µH. Częstotliwość pozwala kontrolować prąd, minimalizując jego tętnienia i zapewniając możliwie najpłynniejszy przebieg sinusoidalny. Z perspektywy dynamicznej jest to doskonały sposób na uzyskanie płynniejszego sterowania silnikiem poprzez umożliwienie szybkich zmian momentu obrotowego.
W tej konstrukcji zastosowano rozproszone uzwojenie dwuwarstwowe, dzięki czemu strumień magnetyczny przepływa od wirnika do drugiego wirnika przez stojan, bardzo krótką ścieżką i przy wyższej wydajności.
Kluczem do tej konstrukcji jest to, że może ona pracować przy maksymalnym napięciu 60 V i nie nadaje się do systemów o wyższym napięciu. Dlatego może być stosowana w motocyklach elektrycznych i pojazdach czterokołowych klasy L7e, takich jak Renault Twizy.
Maksymalne napięcie 60 V pozwala na integrację silnika ze standardowymi systemami elektrycznymi 48 V i ułatwia prace konserwacyjne.
Specyfikacje czterokołowych motocykli L7e zawarte w europejskim rozporządzeniu ramowym 2002/24/WE stanowią, że masa pojazdów używanych do transportu towarów nie przekracza 600 kilogramów, z wyłączeniem masy akumulatorów. Pojazdy te mogą przewozić nie więcej niż 200 kilogramów pasażerów, nie więcej niż 1000 kilogramów ładunku i nie więcej niż 15 kilowatów mocy silnika. Metoda rozproszonego uzwojenia pozwala uzyskać moment obrotowy 75-100 Nm, przy szczytowej mocy wyjściowej 20-25 kW i mocy ciągłej 15 kW.
Wyzwanie związane ze strumieniem osiowym polega na tym, jak uzwojenia miedziane odprowadzają ciepło, co jest trudne, ponieważ ciepło musi przepływać przez wirnik. Kluczem do rozwiązania tego problemu jest rozproszone uzwojenie, które posiada dużą liczbę żłobków biegunowych. W ten sposób powstaje większa powierzchnia między miedzią a obudową, a ciepło może być odprowadzane na zewnątrz i odprowadzane przez standardowy układ chłodzenia cieczą.
Wielobiegunowość magnesów jest kluczowa dla wykorzystania sinusoidalnych przebiegów fal, które pomagają zredukować harmoniczne. Harmoniczne te objawiają się nagrzewaniem magnesów i rdzenia, podczas gdy elementy miedziane nie odprowadzają ciepła. Akumulacja ciepła w magnesach i rdzeniach żelaznych powoduje spadek sprawności, dlatego optymalizacja przebiegu fal i ścieżki cieplnej ma kluczowe znaczenie dla wydajności silnika.
Konstrukcja silnika została zoptymalizowana w celu obniżenia kosztów i umożliwienia zautomatyzowanej produkcji masowej. Wytłaczany pierścień obudowy nie wymaga skomplikowanej obróbki mechanicznej i pozwala obniżyć koszty materiałów. Cewkę można nawinąć bezpośrednio, a w trakcie nawijania stosuje się proces łączenia, aby zachować prawidłowy kształt zespołu.
Kluczowe jest to, że cewka jest wykonana ze standardowego, dostępnego w handlu drutu, natomiast rdzeń żelazny jest laminowany standardową, dostępną na rynku stalą transformatorową, którą wystarczy po prostu dociąć do odpowiedniego kształtu. Inne konstrukcje silników wymagają zastosowania miękkich materiałów magnetycznych do laminowania rdzenia, co może być droższe.
Zastosowanie rozproszonych uzwojeń oznacza, że stal magnetyczna nie musi być segmentowana. Mogą one mieć prostsze kształty i być łatwiejsze w produkcji. Zmniejszenie rozmiaru stali magnetycznej i zapewnienie łatwości jej produkcji ma znaczący wpływ na redukcję kosztów.
Konstrukcja tego silnika o strumieniu osiowym może być również dostosowana do wymagań klienta. Klienci opracowują wersje dostosowane do indywidualnych potrzeb, bazując na podstawowej konstrukcji. Następnie są one produkowane na próbnej linii produkcyjnej w celu wstępnej weryfikacji, co umożliwia ich replikację w innych fabrykach.
Personalizacja jest konieczna głównie dlatego, że osiągi pojazdu zależą nie tylko od konstrukcji silnika z osiowym strumieniem magnetycznym, ale także od jakości konstrukcji pojazdu, zestawu akumulatorów i systemu BMS.
Czas publikacji: 28.09.2023
