W porównaniu do silników promieniowych, silniki osiowe mają wiele zalet w projektowaniu pojazdów elektrycznych. Na przykład silniki o strumieniu osiowym mogą zmienić konstrukcję układu napędowego, przesuwając silnik z osi do wnętrza kół.
1. Oś mocy
Silniki strumieniowe osiowecieszą się coraz większym zainteresowaniem (zyskują przyczepność). Przez wiele lat tego typu silniki były stosowane w zastosowaniach stacjonarnych, takich jak windy i maszyny rolnicze, ale w ciągu ostatniej dekady wielu programistów pracowało nad udoskonaleniem tej technologii i zastosowaniem jej w motocyklach elektrycznych, kapsułach lotniskowych, ciężarówkach towarowych, pojazdach elektrycznych pojazdów, a nawet samolotów.
Tradycyjne silniki o strumieniu promieniowym wykorzystują magnesy trwałe lub silniki indukcyjne, w przypadku których poczyniono znaczne postępy w optymalizacji masy i kosztów. Jednak w dalszym rozwoju napotykają wiele trudności. Strumień osiowy, czyli zupełnie inny typ 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 średnica zewnętrzna. Dlatego w określonej objętości silnika silniki z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym mogą zwykle zapewniać większy moment obrotowy.
Silniki strumieniowe osiowesą bardziej zwarte; W porównaniu do silników promieniowych długość osiowa silnika jest znacznie krótsza. W przypadku silników z kołami wewnętrznymi jest to często czynnik kluczowy. Zwarta konstrukcja silników osiowych zapewnia wyższą gęstość mocy i momentu obrotowego niż podobne silniki promieniowe, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania wyjątkowo wysokich prędkości roboczych.
Sprawność silników osiowych jest również bardzo wysoka i zwykle przekracza 96%. Dzieje się tak dzięki krótszej, jednowymiarowej ścieżce strumienia, która jest porównywalna lub nawet wyższa pod względem sprawności w porównaniu z najlepszymi na rynku silnikami promieniowymi 2D.
Długość silnika jest krótsza, zwykle 5 do 8 razy krótsza, a waga jest również zmniejszona od 2 do 5 razy. Te dwa czynniki zmieniły wybór projektantów platform pojazdów elektrycznych.
2. Technologia strumienia osiowego
Istnieją dwie główne topologiesilniki strumieniowe osiowe: pojedynczy stojan z podwójnym wirnikiem (czasami określany jako maszyny typu torus) i podwójny stojan z jednym wirnikiem.
Obecnie większość silników z magnesami trwałymi wykorzystuje topologię strumienia promieniowego. Obwód strumienia magnetycznego rozpoczyna się od magnesu stałego na wirniku, przechodzi przez pierwszy ząb stojana, a następnie przepływa promieniowo wzdłuż stojana. Następnie przejdź przez drugi ząb, aby dotrzeć do drugiej stali magnetycznej na rotorze. 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 przypadku silników ze strumieniem promieniowym, co skutkuje mniejszą objętością silnika, wyższą gęstością mocy i wydajnością 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 podąża ścieżką dwuwymiarową.
Ścieżka strumienia magnetycznego maszyny osiowej ze strumieniem magnetycznym jest jednowymiarowa, dlatego można zastosować stal elektrotechniczną o zorientowanym ziarnie. Stal ta ułatwia przepływ strumienia, poprawiając w ten sposób wydajność.
W silnikach o strumieniu promieniowym tradycyjnie stosuje się uzwojenia rozproszone, przy czym nawet połowa końców uzwojeń nie działa. Zwis cewki spowoduje dodatkowy ciężar, koszty, opór elektryczny i większe straty ciepła, zmuszając projektantów do ulepszenia konstrukcji uzwojenia.
Końcówki ceweksilniki strumieniowe osiowesą znacznie mniejsze, a w niektórych konstrukcjach stosuje się uzwojenia skoncentrowane lub segmentowe, które są całkowicie skuteczne. W przypadku maszyn promieniowych ze stojanem segmentowym przerwanie ścieżki strumienia magnetycznego w stojanie może spowodować dodatkowe straty, ale w przypadku silników ze strumieniem osiowym nie stanowi to problemu. Konstrukcja uzwojenia cewki jest kluczem do wyróżnienia poziomu dostawców.
3. Rozwój
Silniki strumieniowe osiowe stoją przed poważnymi wyzwaniami w projektowaniu i produkcji, pomimo ich zalet technologicznych, ich koszty są znacznie wyższe niż w przypadku 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 stojących przed silnikami osiowymi jest utrzymanie jednolitej szczeliny powietrznej pomiędzy wirnikiem a stojanem, ponieważ siła magnetyczna jest znacznie większa niż w przypadku silników promieniowych, co utrudnia utrzymanie jednolitej szczeliny powietrznej. Silnik o strumieniu osiowym z podwójnym wirnikiem ma również problemy z rozpraszaniem ciepła, ponieważ uzwojenie znajduje się głęboko w stojanie i pomiędzy dwiema tarczami wirnika, co bardzo utrudnia odprowadzanie ciepła.
Silniki o strumieniu osiowym są również trudne w produkcji z wielu powodów. Maszyna z dwoma wirnikami wykorzystująca maszynę z dwoma wirnikami i topologią jarzm (tj. usunięcie żelaznego jarzma ze stojana, ale zachowanie żelaznych zębów) pozwala przezwyciężyć niektóre z tych problemów bez zwiększania średnicy silnika i magnesu.
Jednakże usunięcie jarzma wiąże się z nowymi wyzwaniami, takimi jak mocowanie i ustawianie poszczególnych zębów 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 poprzez pierścień wału, dzięki czemu siły znoszą się wzajemnie. Oznacza to, że łożysko wewnętrzne nie wytrzymuje tych sił, a jego jedyną funkcją jest utrzymywanie stojana w położeniu środkowym pomiędzy dwoma tarczami wirnika.
Silniki z pojedynczym wirnikiem i podwójnym stojanem nie sprostają wyzwaniom stojana, jakie stawiają silniki okrągłe, jednak konstrukcja stojana jest znacznie bardziej złożona i trudniejsza do osiągnięcia automatyzacji, a koszty z nią związane są również wysokie. W przeciwieństwie do tradycyjnych silników o strumieniu promieniowym, procesy produkcji silników osiowych i wyposażenia mechanicznego pojawiły się dopiero niedawno.
4. Zastosowanie pojazdów elektrycznych
Niezawodność ma kluczowe znaczenie w przemyśle motoryzacyjnym i potwierdza niezawodność i solidność różnychsilniki strumieniowe osioweprzekonanie producentów, że silniki te nadają się do produkcji masowej, zawsze było wyzwaniem. Skłoniło to dostawców silników osiowych do samodzielnego przeprowadzenia szeroko zakrojonych programów walidacyjnych, przy czym każdy dostawca wykazał, że niezawodność ich silników nie różni się od niezawodności tradycyjnych silników o strumieniu promieniowym.
Jedynym elementem, który może ulec zużyciu wsilnik strumieniowy osiowyto łożyska. Długość osiowego strumienia magnetycznego jest stosunkowo krótka, a położenie łożysk jest bliżej, zwykle zaprojektowane tak, aby były nieco „przewymiarowane”. Na szczęście silnik osiowy ma mniejszą masę wirnika i może wytrzymać mniejsze obciążenia dynamiczne wału wirnika. Dlatego rzeczywista siła przyłożona do łożysk jest znacznie mniejsza niż w przypadku silnika o strumieniu promieniowym.
Oś elektroniczna jest jednym z pierwszych zastosowań silników osiowych. Mniejsza szerokość może pomieścić silnik i skrzynię biegów w osi. W zastosowaniach hybrydowych krótsza długość osiowa silnika z kolei skraca całkowitą długość układu przeniesienia napędu.
Następnym krokiem jest montaż silnika osiowego na kole. W ten sposób moc może być bezpośrednio przenoszona z silnika na koła, poprawiając wydajność silnika. Dzięki wyeliminowaniu skrzyń biegów, mechanizmów różnicowych i półosi napędowych zmniejszono również złożoność układu.
Wydaje się jednak, 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 charakteryzują się większą gęstością mocy, co oznacza, że można stosować mniejsze silniki osiowe. Zapewnia to nowe możliwości projektowania platform pojazdów, takie jak rozmieszczenie zestawów akumulatorów.
4.1 Armatura segmentowa
Topologia silnika YASA (bez jarzma i armatury segmentowej) jest przykładem topologii silnika z dwoma wirnikami 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 obrotowych od 2000 do 9000 obr./min.
Wykorzystując dedykowany sterownik może dostarczyć do silnika prąd o wartości 200 kVA. Sterownik ma pojemność około 5 litrów i waży 5,8 kilograma, łącznie z zarządzaniem ciepłem z dielektrycznym chłodzeniem oleju, odpowiednim dla silników osiowych, indukcyjnych i promieniowych.
Umożliwia to producentom oryginalnego wyposażenia pojazdów elektrycznych i pierwszorzędnym projektantom elastyczny wybór odpowiedniego silnika w zależności od zastosowania i dostępnej przestrzeni. Mniejszy rozmiar i masa sprawiają, że pojazd jest lżejszy i ma więcej akumulatorów, co zwiększa zasięg.
5. Zastosowanie motocykli elektrycznych
Niektóre firmy opracowały silniki osiowe prądu przemiennego do motocykli elektrycznych i pojazdów terenowych. Powszechnie stosowaną konstrukcją w tego typu pojazdach są konstrukcje ze strumieniem osiowym na bazie szczotek prądu stałego, natomiast nowym produktem jest konstrukcja bezszczotkowa na prąd przemienny, w pełni uszczelniona.
Cewki silników prądu stałego i prądu przemiennego pozostają nieruchome, ale w podwójnych wirnikach zamiast wirujących tworników zastosowano magnesy trwałe. Zaletą tej metody jest to, że nie wymaga mechanicznego cofania.
Konstrukcja osiowa prądu przemiennego może również wykorzystywać standardowe trójfazowe sterowniki silników prądu przemiennego dla silników promieniowych. Pomaga to obniżyć koszty, ponieważ sterownik kontroluje prąd momentu obrotowego, a nie prędkość. Sterownik wymaga częstotliwości 12 kHz lub wyższej, która jest częstotliwością głównego nurtu takich urządzeń.
Wyższa częstotliwość pochodzi z dolnej indukcyjności uzwojenia wynoszącej 20 µH. Częstotliwość może kontrolować prąd, aby zminimalizować tętnienia prądu i zapewnić możliwie najbardziej płynny sygnał sinusoidalny. Z dynamicznego punktu widzenia jest to świetny sposób na płynniejsze sterowanie silnikiem poprzez umożliwienie szybkich zmian momentu obrotowego.
W tej konstrukcji zastosowano rozproszone uzwojenie dwuwarstwowe, więc strumień magnetyczny przepływa z wirnika do innego wirnika przez stojan z bardzo krótką drogą i wyższą wydajnością.
Kluczem do tej konstrukcji jest to, że może pracować przy maksymalnym napięciu 60 V i nie nadaje się do systemów o wyższym napięciu. Dzięki temu można go stosować do motocykli elektrycznych oraz pojazdów czterokołowych klasy L7e takich jak Renault Twizy.
Maksymalne napięcie 60 V umożliwia integrację silnika z głównymi systemami elektrycznymi 48 V i upraszcza 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 uzwojenia rozproszonego może zapewnić moment obrotowy 75–100 Nm, szczytową moc wyjściową 20–25 kW i moc ciągłą 15 kW.
Wyzwanie związane ze strumieniem osiowym polega na tym, jak uzwojenia miedziane rozpraszają ciepło, co jest trudne, ponieważ ciepło musi przechodzić przez wirnik. Kluczem do rozwiązania tego problemu jest rozproszone uzwojenie, ponieważ ma dużą liczbę szczelin na bieguny. W ten sposób powierzchnia pomiędzy miedzią a obudową jest większa, a ciepło może być przekazywane na zewnątrz i odprowadzane za pomocą standardowego układu chłodzenia cieczą.
Wiele biegunów magnetycznych jest kluczem do wykorzystania fal sinusoidalnych, które pomagają zredukować harmoniczne. Harmoniczne te objawiają się nagrzewaniem magnesów i rdzenia, podczas gdy elementy miedziane nie są w stanie odprowadzać ciepła. Kiedy ciepło gromadzi się w magnesach i żelaznych rdzeniach, wydajność spada, dlatego optymalizacja kształtu fali i ścieżki cieplnej ma kluczowe znaczenie dla wydajności silnika.
Konstrukcja silnika została zoptymalizowana w celu zmniejszenia kosztów i osiągnięcia zautomatyzowanej produkcji masowej. Wytłaczany pierścień obudowy nie wymaga skomplikowanej obróbki mechanicznej i może obniżyć koszty materiałów. Cewkę można nawijać bezpośrednio, a podczas nawijania stosuje się proces łączenia, aby zachować prawidłowy kształt zespołu.
Kluczową kwestią jest to, że cewka jest wykonana ze standardowego drutu dostępnego na rynku, a żelazny rdzeń jest laminowany standardową stalą transformatorową z półki, którą wystarczy po prostu przyciąć. Inne konstrukcje silników wymagają użycia miękkich materiałów magnetycznych do laminowania rdzenia, co może być droższe.
Zastosowanie rozproszonych uzwojeń oznacza, że stal magnetyczna nie wymaga segmentowania; Mogą mieć prostsze kształty i być łatwiejsze w produkcji. Zmniejszenie wymiarów stali magnetycznej i zapewnienie łatwości jej wytwarzania ma istotny wpływ na redukcję kosztów.
Konstrukcja tego silnika osiowego może być również dostosowana do wymagań klienta. Klienci mają niestandardowe wersje opracowane w oparciu o podstawowy projekt. Następnie produkowane na próbnej linii produkcyjnej w celu wczesnej weryfikacji produkcji, która może być powielana w innych fabrykach.
Dostosowanie wynika głównie z tego, że osiągi pojazdu zależą nie tylko od konstrukcji silnika osiowego ze strumieniem magnetycznym, ale także od jakości konstrukcji pojazdu, zestawu akumulatorów i BMS.
Czas publikacji: 28 września 2023 r
