W porównaniu do silników o strumieniu promieniowym silniki o strumieniu osiowym mają wiele zalet w projektowaniu pojazdów elektrycznych. Na przykład silniki o strumieniu osiowym mogą zmienić projekt układu napędowego, przenosząc silnik z osi do wnętrza kół.
1. Oś władzy
Silniki strumieniowe osiowezyskują coraz większą uwagę (zyskają popularność). Przez wiele lat ten typ silnika był używany 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 cargo, pojazdach elektrycznych, a nawet samolotach.
Tradycyjne silniki strumienia promieniowego wykorzystują magnesy trwałe lub silniki indukcyjne, które poczyniły znaczne postępy w optymalizacji masy i kosztów. Jednak napotykają wiele trudności w dalszym rozwoju. Strumień osiowy, zupełnie inny typ silnika, może być dobrą alternatywą.
W porównaniu do silników promieniowych, efektywna powierzchnia magnetyczna silników z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym jest powierzchnią wirnika silnika, a nie średnicą zewnętrzną. Dlatego w określonej objętości silnika silniki z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym mogą zazwyczaj zapewnić większy moment obrotowy.
Silniki strumieniowe osiowesą bardziej kompaktowe; W porównaniu do silników promieniowych, długość osiowa silnika jest znacznie krótsza. W przypadku silników z wewnętrznym kołem jest to często kluczowy czynnik. Kompaktowa struktura silników osiowych zapewnia wyższą gęstość mocy i gęstość momentu obrotowego niż podobne silniki promieniowe, eliminując w ten sposób potrzebę ekstremalnie wysokich prędkości roboczych.
Silniki o strumieniu osiowym charakteryzują się również bardzo wysoką sprawnością, przekraczającą zazwyczaj 96%. Jest to możliwe dzięki krótszej, jednowymiarowej ścieżce strumienia, której sprawność jest porównywalna lub nawet wyższa w porównaniu z najlepszymi dwuwymiarowymi silnikami o strumieniu promieniowym dostępnymi na rynku.
Długość silnika jest krótsza, zwykle 5 do 8 razy krótsza, a waga jest również zmniejszona o 2 do 5 razy. Te dwa czynniki zmieniły wybór projektantów platform pojazdów elektrycznych.
2. Technologia strumienia osiowego
Istnieją dwie główne topologie dlasilniki o strumieniu osiowym:podwójny wirnik, pojedynczy stojan (czasami nazywane maszynami typu torus) oraz pojedynczy wirnik, podwójny stojan.
Obecnie większość silników z magnesami trwałymi wykorzystuje topologię strumienia promieniowego. Obwód strumienia magnetycznego zaczyna 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 drugiej stali magnetycznej na wirniku. W topologii strumienia osiowego z podwójnym wirnikiem pętla strumienia zaczyna 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 takiej 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 podąża dwuwymiarową ścieżką.
Ścieżka strumienia magnetycznego osiowej maszyny strumienia magnetycznego jest jednowymiarowa, więc można użyć stali elektrotechnicznej o zorientowanym ziarnie. Ta stal ułatwia przepływ strumienia, co zwiększa wydajność.
Silniki strumienia promieniowego tradycyjnie wykorzystują rozproszone uzwojenia, przy czym do połowy końców uzwojenia nie działa. Wystająca część cewki spowoduje dodatkowy ciężar, koszt, opór elektryczny i większą utratę ciepła, zmuszając projektantów do ulepszenia konstrukcji uzwojenia.
Końcówki cewkisilniki o strumieniu osiowymsą znacznie mniejsze, a niektóre projekty wykorzystują uzwojenia skoncentrowane lub segmentowane, które są całkowicie skuteczne. W przypadku segmentowanych maszyn promieniowych stojana przerwanie ścieżki strumienia magnetycznego w stojanie może przynieść dodatkowe straty, ale w przypadku silników o strumieniu osiowym nie stanowi to problemu. Konstrukcja uzwojenia cewki jest kluczem do rozróżnienia poziomu dostawców.
3. Rozwój
Silniki strumienia osiowego napotykają poważne wyzwania w projektowaniu i produkcji, pomimo ich technologicznych zalet, ich koszty są znacznie wyższe niż koszty silników promieniowych. Ludzie mają bardzo dogłębną wiedzę na temat silników promieniowych, a metody produkcji i sprzęt mechaniczny są również łatwo dostępne.
Jednym z głównych wyzwań silników 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 podwójnym wirnikiem ma również problemy z odprowadzaniem ciepła, ponieważ uzwojenie znajduje się głęboko w stojanie i między dwoma tarczami wirnika, co bardzo utrudnia odprowadzanie ciepła.
Silniki strumienia osiowego są również trudne do wyprodukowania z wielu powodów. Maszyna z podwójnym wirnikiem wykorzystująca maszynę z podwójnym wirnikiem z topologią jarzm (tj. usunięcie żelaznego jarzma ze stojana, ale zachowanie żelaznych zębów) rozwiązuje niektóre z tych problemów bez rozszerzania średnicy silnika i magnesu.
Jednak usunięcie jarzma niesie ze sobą nowe wyzwania, takie jak to, jak naprawić i ustawić poszczególne zęby bez mechanicznego połączenia jarzma. Chłodzenie jest również większym wyzwaniem.
Trudno jest również wyprodukować wirnik i utrzymać szczelinę powietrzną, ponieważ tarcza wirnika przyciąga wirnik. Zaletą jest to, że tarcze wirnika są bezpośrednio połączone za pomocą pierścienia wału, więc siły znoszą się wzajemnie. Oznacza to, że łożysko wewnętrzne nie wytrzymuje tych sił, a jego jedyną funkcją jest utrzymanie stojana w położeniu środkowym między dwoma tarczami wirnika.
Silniki z podwójnym stojanem i pojedynczym wirnikiem nie stają przed wyzwaniami silników kołowych, ale konstrukcja stojana jest o wiele bardziej złożona i trudniejsza do osiągnięcia automatyzacji, a związane z tym koszty są również wysokie. W przeciwieństwie do każdego tradycyjnego silnika 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 było wyzwaniem. To skłoniło dostawców silników osiowych do przeprowadzenia na własną rękę szeroko zakrojonych programów walidacyjnych, przy czym każdy dostawca wykazał, że niezawodność ich silników nie różni się od niezawodności tradycyjnych silników o strumieniu promieniowym.
Jedyny element, który może się zużyć wsilnik o strumieniu osiowymto łożyska. Długość osiowego strumienia magnetycznego jest stosunkowo krótka, a położenie łożysk jest bliżej, zwykle zaprojektowane tak, aby były lekko „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 jest jednym z pierwszych zastosowań silników osiowych. Mniejsza szerokość może obejmować silnik i przekładnię w osi. W zastosowaniach hybrydowych krótsza długość osiowa silnika z kolei skraca całkowitą długość układu przeniesienia napędu.
Następnym krokiem jest zainstalowanie silnika osiowego na kole. W ten sposób moc może być bezpośrednio przekazywana z silnika na koła, co zwiększa wydajność silnika. Dzięki wyeliminowaniu przekładni, mechanizmów różnicowych i wałów napędowych złożoność systemu również została zmniejszona.
Jednak wydaje się, że standardowe konfiguracje jeszcze się nie pojawiły. Każdy producent oryginalnego sprzętu bada konkretne konfiguracje, ponieważ różne rozmiary i kształty silników osiowych mogą zmieniać konstrukcję pojazdów elektrycznych. W porównaniu do silników promieniowych silniki osiowe mają większą gęstość mocy, co oznacza, że można stosować mniejsze silniki osiowe. Zapewnia to nowe opcje projektowania platform pojazdów, takie jak rozmieszczenie akumulatorów.
4.1 Armatura segmentowana
Topologia silnika YASA (Yokeless and Segmented Armature) jest przykładem topologii z podwójnym wirnikiem i pojedynczym stojanem, która zmniejsza złożoność produkcji i nadaje się do zautomatyzowanej produkcji masowej. Silniki te mają gęstość mocy do 10 kW/kg przy prędkościach od 2000 do 9000 obr./min.
Używając dedykowanego sterownika, może dostarczyć prąd o mocy 200 kVA dla silnika. Sterownik ma objętość około 5 litrów i waży 5,8 kilograma, wliczając zarządzanie termiczne z chłodzeniem olejem dielektrycznym, nadaje się do silników o strumieniu osiowym, a także silników indukcyjnych i promieniowych.
Umożliwia to producentom oryginalnego wyposażenia pojazdów elektrycznych i deweloperom pierwszego szczebla elastyczny wybór odpowiedniego silnika w oparciu o zastosowanie i dostępną przestrzeń. Mniejszy rozmiar i waga sprawiają, że pojazd jest lżejszy i ma więcej baterii, zwiększając tym samym zasięg.
5. Zastosowanie motocykli elektrycznych
Dla motocykli elektrycznych i pojazdów ATV niektóre firmy opracowały silniki AC o strumieniu osiowym. Powszechnie stosowanym projektem dla tego typu pojazdów są silniki DC o strumieniu osiowym oparte na szczotkach, podczas gdy nowym produktem jest AC, w pełni uszczelniona konstrukcja bezszczotkowa.
Cewki silników DC i AC pozostają nieruchome, ale podwójne wirniki wykorzystują magnesy trwałe zamiast obracających się wirników. Zaletą tej metody jest to, że nie wymaga ona mechanicznego odwracania.
Konstrukcja osiowa AC może również wykorzystywać standardowe trójfazowe regulatory silników AC 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 główną częstotliwością takich urządzeń.
Wyższa częstotliwość pochodzi z niższej indukcyjności uzwojenia wynoszącej 20 µH. Częstotliwość może kontrolować prąd, aby zminimalizować tętnienie prądu i zapewnić sygnał sinusoidalny tak płynny, jak to możliwe. Z perspektywy dynamicznej jest to świetny sposób na osiągnięcie płynniejszej kontroli silnika, umożliwiając szybkie zmiany 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 z wyższą wydajnością.
Kluczem do tej konstrukcji jest to, że może ona działać 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 upraszcza prace konserwacyjne.
Specyfikacje czterokołowego motocykla L7e 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 może zapewnić moment obrotowy 75-100 Nm, przy szczytowej mocy wyjściowej 20-25 kW i ciągłej mocy 15 kW.
Wyzwanie strumienia osiowego polega na tym, jak uzwojenia miedziane rozpraszają ciepło, co jest trudne, ponieważ ciepło musi przejść przez wirnik. Rozproszone uzwojenie jest kluczem do rozwiązania tego problemu, ponieważ ma dużą liczbę szczelin biegunowych. W ten sposób istnieje większa powierzchnia między miedzią a powłoką, a ciepło może być przenoszone na zewnątrz i odprowadzane przez standardowy układ chłodzenia cieczą.
Wiele biegunów magnetycznych jest kluczem do wykorzystania sinusoidalnych form fal, które pomagają zmniejszyć harmoniczne. Harmoniczne te objawiają się nagrzewaniem magnesów i rdzenia, podczas gdy komponenty miedziane nie mogą odprowadzać ciepła. Gdy ciepło gromadzi się w magnesach i rdzeniach żelaznych, wydajność spada, dlatego optymalizacja kształtu fali i ścieżki cieplnej ma kluczowe znaczenie dla wydajności silnika.
Konstrukcja silnika została zoptymalizowana w celu obniżenia kosztów i osiągnięcia zautomatyzowanej produkcji masowej. Wytłaczany pierścień obudowy nie wymaga skomplikowanej obróbki mechanicznej i może obniżyć koszty materiałów. Cewkę można nawinąć bezpośrednio, a proces łączenia jest stosowany podczas procesu nawijania w celu utrzymania prawidłowego kształtu zespołu.
Kluczowym punktem jest to, że cewka jest wykonana ze standardowego, dostępnego w handlu drutu, podczas gdy rdzeń żelazny jest laminowany standardową, dostępną na półkach stalą transformatorową, którą po prostu trzeba przyciąć do odpowiedniego kształtu. Inne konstrukcje silników wymagają użycia miękkich materiałów magnetycznych w laminowaniu rdzenia, co może być droższe.
Zastosowanie rozproszonych uzwojeń oznacza, że stal magnetyczna nie musi być segmentowana; Mogą 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 strumienia osiowego może być również dostosowana do wymagań klienta. Klienci mają dostosowane wersje opracowane wokół podstawowego projektu. Następnie produkowane na próbnej linii produkcyjnej w celu wczesnej weryfikacji produkcji, które mogą być powielane w innych fabrykach.
Personalizacja jest szczególnie istotna, ponieważ 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
