Rispetto ai motori a flusso radiale, i motori a flusso assiale offrono numerosi vantaggi nella progettazione dei veicoli elettrici. Ad esempio, i motori a flusso assiale possono modificare il design del gruppo propulsore spostando il motore dall'asse all'interno delle ruote.
1. Asse del potere
Motori a flusso assialeStanno ricevendo sempre più attenzione (acquisendo popolarità). Per molti anni, questo tipo di motore è stato utilizzato in applicazioni fisse come ascensori e macchine agricole, ma nell'ultimo decennio molti sviluppatori hanno lavorato per migliorare questa tecnologia e applicarla a motociclette elettriche, cabine aeroportuali, camion cargo, veicoli elettrici e persino aerei.
I tradizionali motori a flusso radiale utilizzano motori a magneti permanenti o a induzione, che hanno compiuto progressi significativi nell'ottimizzazione di peso e costi. Tuttavia, il loro sviluppo incontra numerose difficoltà. Il flusso assiale, un tipo di motore completamente diverso, potrebbe rappresentare una buona alternativa.
Rispetto ai motori radiali, la superficie magnetica effettiva dei motori a magneti permanenti a flusso assiale è la superficie del rotore del motore, non il diametro esterno. Pertanto, in un certo volume del motore, i motori a magneti permanenti a flusso assiale possono solitamente fornire una coppia maggiore.
Motori a flusso assialeSono più compatti. Rispetto ai motori radiali, la lunghezza assiale del motore è molto più corta. Per i motori a ruota interna, questo è spesso un fattore cruciale. La struttura compatta dei motori assiali garantisce una maggiore densità di potenza e una maggiore densità di coppia rispetto a motori radiali simili, eliminando così la necessità di velocità operative estremamente elevate.
Anche l'efficienza dei motori a flusso assiale è molto elevata, solitamente superiore al 96%. Questo è dovuto al percorso del flusso unidimensionale più breve, che ha un'efficienza paragonabile o addirittura superiore a quella dei migliori motori a flusso radiale 2D sul mercato.
La lunghezza del motore è più corta, solitamente da 5 a 8 volte, e anche il peso è ridotto da 2 a 5 volte. Questi due fattori hanno cambiato la scelta dei progettisti di piattaforme per veicoli elettrici.
2. Tecnologia del flusso assiale
Esistono due topologie principali permotori a flusso assiale: doppio rotore singolo statore (talvolta denominati macchine a toro) e singolo rotore doppio statore.
Attualmente, la maggior parte dei motori a magneti permanenti utilizza una topologia a flusso radiale. Il circuito del flusso magnetico inizia con un magnete permanente sul rotore, passa attraverso il primo dente dello statore e poi scorre radialmente lungo lo statore. Quindi passa attraverso il secondo dente per raggiungere il secondo magnete sul rotore. In una topologia a flusso assiale a doppio rotore, il circuito del flusso inizia dal primo magnete, passa assialmente attraverso i denti dello statore e raggiunge immediatamente il secondo magnete.
Ciò significa che il percorso del flusso è molto più breve rispetto a quello dei motori a flusso radiale, con conseguente riduzione dei volumi del motore, maggiore densità di potenza ed efficienza a parità di potenza.
Un motore radiale, in cui il flusso magnetico passa attraverso il primo dente e poi ritorna al dente successivo attraverso lo statore, raggiungendo il magnete. Il flusso magnetico segue un percorso bidimensionale.
Il percorso del flusso magnetico di una macchina a flusso magnetico assiale è unidimensionale, quindi è possibile utilizzare acciaio elettrico a grani orientati. Questo acciaio facilita il passaggio del flusso, migliorando così l'efficienza.
I motori a flusso radiale utilizzano tradizionalmente avvolgimenti distribuiti, con fino a metà delle estremità non funzionanti. La sporgenza della bobina si traduce in un aumento di peso, costi, resistenza elettrica e maggiore dispersione termica, costringendo i progettisti a migliorare la progettazione degli avvolgimenti.
Le estremità della bobina dimotori a flusso assialesono molto inferiori e alcuni progetti utilizzano avvolgimenti concentrati o segmentati, che sono completamente efficaci. Per le macchine radiali con statore segmentato, l'interruzione del percorso del flusso magnetico nello statore può comportare perdite aggiuntive, ma per i motori a flusso assiale questo non rappresenta un problema. Il design dell'avvolgimento è la chiave per distinguere il livello dei fornitori.
3. Sviluppo
I motori a flusso assiale presentano serie sfide in fase di progettazione e produzione; nonostante i vantaggi tecnologici, i loro costi sono di gran lunga superiori a quelli dei motori radiali. La conoscenza dei motori radiali è molto approfondita e i metodi di produzione e le attrezzature meccaniche sono facilmente reperibili.
Una delle principali sfide dei motori a flusso assiale è mantenere un traferro uniforme tra rotore e statore, poiché la forza magnetica è molto maggiore rispetto a quella dei motori radiali, rendendo difficile il mantenimento di un traferro uniforme. Il motore a flusso assiale a doppio rotore presenta anche problemi di dissipazione del calore, poiché l'avvolgimento è posizionato in profondità nello statore e tra i due dischi del rotore, rendendo la dissipazione del calore molto difficoltosa.
Anche i motori a flusso assiale sono difficili da produrre per diverse ragioni. La macchina a doppio rotore con topologia a giogo (ovvero rimuovendo il giogo in ferro dallo statore ma mantenendo i denti in ferro) supera alcuni di questi problemi senza aumentare il diametro del motore e il magnete.
Tuttavia, la rimozione del giogo comporta nuove sfide, come ad esempio come fissare e posizionare i singoli denti senza un collegamento meccanico. Anche il raffreddamento rappresenta una sfida maggiore.
È inoltre difficile realizzare il rotore e mantenere il traferro, poiché il disco del rotore attrae il rotore. Il vantaggio è che i dischi del rotore sono collegati direttamente tramite un anello dell'albero, quindi le forze si annullano a vicenda. Ciò significa che il cuscinetto interno non resiste a queste forze e la sua unica funzione è quella di mantenere lo statore in posizione centrale tra i due dischi del rotore.
I motori a doppio statore e singolo rotore non presentano le stesse problematiche dei motori circolari, ma il design dello statore è molto più complesso e difficile da automatizzare, con costi elevati. A differenza di qualsiasi motore a flusso radiale tradizionale, i processi di produzione e le attrezzature meccaniche per motori assiali sono emersi solo di recente.
4. Applicazione dei veicoli elettrici
L'affidabilità è fondamentale nel settore automobilistico e dimostrare l'affidabilità e la robustezza di diversimotori a flusso assialeConvincere i produttori che questi motori siano adatti alla produzione di massa è sempre stata una sfida. Ciò ha spinto i fornitori di motori assiali a condurre autonomamente ampi programmi di validazione, dimostrando che l'affidabilità dei propri motori non è diversa da quella dei tradizionali motori a flusso radiale.
L'unico componente che può usurarsi in unmotore a flusso assialesono i cuscinetti. La lunghezza del flusso magnetico assiale è relativamente breve e la posizione dei cuscinetti è più ravvicinata, solitamente progettata per essere leggermente "sovradimensionata". Fortunatamente, il motore a flusso assiale ha una massa del rotore inferiore e può sopportare carichi dinamici sull'albero del rotore inferiori. Pertanto, la forza effettiva applicata ai cuscinetti è molto inferiore a quella del motore a flusso radiale.
L'assale elettronico è una delle prime applicazioni dei motori assiali. La larghezza ridotta consente di incapsulare il motore e il riduttore nell'assale. Nelle applicazioni ibride, la minore lunghezza assiale del motore riduce a sua volta la lunghezza totale del sistema di trasmissione.
Il passo successivo è l'installazione del motore assiale sulla ruota. In questo modo, la potenza può essere trasmessa direttamente dal motore alle ruote, migliorandone l'efficienza. Grazie all'eliminazione di trasmissioni, differenziali e alberi di trasmissione, anche la complessità del sistema è stata ridotta.
Tuttavia, sembra che non siano ancora apparse configurazioni standard. Ogni produttore di apparecchiature originali sta studiando configurazioni specifiche, poiché le diverse dimensioni e forme dei motori assiali possono alterare il design dei veicoli elettrici. Rispetto ai motori radiali, i motori assiali hanno una maggiore densità di potenza, il che significa che è possibile utilizzare motori assiali più piccoli. Ciò offre nuove opzioni di progettazione per le piattaforme dei veicoli, come il posizionamento dei pacchi batteria.
4.1 Indotto segmentato
La topologia di motore YASA (Yokeless and Segmented Armature) è un esempio di topologia a doppio rotore e singolo statore, che riduce la complessità di produzione ed è adatta alla produzione di massa automatizzata. Questi motori hanno una densità di potenza fino a 10 kW/kg a velocità comprese tra 2000 e 9000 giri/min.
Utilizzando un controller dedicato, può fornire una corrente di 200 kVA al motore. Il controller ha un volume di circa 5 litri e pesa 5,8 chilogrammi, inclusa la gestione termica con raffreddamento a olio dielettrico, ed è adatto sia per motori a flusso assiale che per motori a induzione e a flusso radiale.
Ciò consente ai produttori di veicoli elettrici (OEM) e agli sviluppatori di primo livello di scegliere con flessibilità il motore più adatto in base all'applicazione e allo spazio disponibile. Le dimensioni e il peso ridotti rendono il veicolo più leggero e dotato di un maggior numero di batterie, aumentando così l'autonomia.
5. Applicazione delle motociclette elettriche
Per motociclette e quad elettrici, alcune aziende hanno sviluppato motori a flusso assiale CA. Il design comunemente utilizzato per questo tipo di veicoli è quello a flusso assiale con spazzole CC, mentre il nuovo prodotto è un motore a corrente alternata completamente sigillato e senza spazzole.
Le bobine dei motori sia a corrente continua che a corrente alternata rimangono fisse, ma i doppi rotori utilizzano magneti permanenti al posto delle armature rotanti. Il vantaggio di questo metodo è che non richiede inversione meccanica.
Il design assiale CA può anche utilizzare i controller per motori CA trifase standard per motori radiali. Ciò contribuisce a ridurre i costi, poiché il controller controlla la corrente di coppia, non la velocità. Il controller richiede una frequenza di 12 kHz o superiore, che è la frequenza principale di tali dispositivi.
La frequenza più alta deriva dalla minore induttanza dell'avvolgimento di 20 µH. La frequenza può controllare la corrente per minimizzare l'ondulazione di corrente e garantire un segnale sinusoidale il più fluido possibile. Dal punto di vista dinamico, questo è un ottimo modo per ottenere un controllo del motore più fluido consentendo rapide variazioni di coppia.
Questo progetto adotta un avvolgimento a doppio strato distribuito, in modo che il flusso magnetico fluisca dal rotore all'altro rotore attraverso lo statore, con un percorso molto breve e un'efficienza più elevata.
La chiave di questo progetto è che può funzionare a una tensione massima di 60 V e non è adatto a sistemi con voltaggi superiori. Pertanto, può essere utilizzato per motociclette elettriche e veicoli a quattro ruote di classe L7e come la Renault Twizy.
La tensione massima di 60 V consente l'integrazione del motore nei normali sistemi elettrici da 48 V e semplifica gli interventi di manutenzione.
Le specifiche per i motocicli a quattro ruote L7e contenute nel Regolamento Quadro Europeo 2002/24/CE stabiliscono che il peso dei veicoli adibiti al trasporto merci non superi i 600 chilogrammi, escluso il peso delle batterie. Questi veicoli non possono trasportare più di 200 chilogrammi di passeggeri, più di 1000 chilogrammi di merci e una potenza del motore non superiore a 15 kilowatt. Il metodo di avvolgimento distribuito può fornire una coppia di 75-100 Nm, con una potenza di picco di 20-25 kW e una potenza continua di 15 kW.
La sfida del flusso assiale risiede nel modo in cui gli avvolgimenti in rame dissipano il calore, un problema che risulta difficile perché il calore deve passare attraverso il rotore. L'avvolgimento distribuito è la chiave per risolvere questo problema, poiché presenta un gran numero di cave polari. In questo modo, si crea una maggiore superficie tra il rame e il guscio, e il calore può essere trasferito all'esterno e smaltito tramite un sistema di raffreddamento a liquido standard.
La presenza di più poli magnetici è fondamentale per l'utilizzo di forme d'onda sinusoidali, che contribuiscono a ridurre le armoniche. Queste armoniche si manifestano sotto forma di riscaldamento dei magneti e del nucleo, mentre i componenti in rame non riescono a dissipare il calore. Quando il calore si accumula nei magneti e nei nuclei in ferro, l'efficienza diminuisce, motivo per cui l'ottimizzazione della forma d'onda e del percorso del calore è fondamentale per le prestazioni del motore.
Il design del motore è stato ottimizzato per ridurre i costi e raggiungere una produzione di massa automatizzata. Un anello di alloggiamento estruso non richiede complesse lavorazioni meccaniche e può ridurre i costi dei materiali. La bobina può essere avvolta direttamente e durante l'avvolgimento viene utilizzato un processo di saldatura per mantenere la corretta forma dell'assemblaggio.
Il punto chiave è che la bobina è realizzata con filo standard disponibile in commercio, mentre il nucleo di ferro è laminato con acciaio per trasformatori standard, disponibile in commercio, che deve semplicemente essere tagliato nella forma desiderata. Altri motori richiedono l'uso di materiali magnetici dolci nella laminazione del nucleo, che potrebbe essere più costosa.
L'utilizzo di avvolgimenti distribuiti fa sì che l'acciaio magnetico non debba essere segmentato; può avere forme più semplici e più facili da produrre. Ridurre le dimensioni dell'acciaio magnetico e garantirne la facilità di produzione ha un impatto significativo sulla riduzione dei costi.
Il design di questo motore a flusso assiale può anche essere personalizzato in base alle esigenze del cliente. I clienti possono usufruire di versioni personalizzate sviluppate attorno al design di base. Successivamente, vengono prodotte su una linea di produzione di prova per una verifica preliminare della produzione, che può essere replicata in altri stabilimenti.
La personalizzazione avviene principalmente perché le prestazioni del veicolo dipendono non solo dalla progettazione del motore a flusso magnetico assiale, ma anche dalla qualità della struttura del veicolo, del pacco batteria e del BMS.
Data di pubblicazione: 28 settembre 2023
