Rispetto ai motori a flusso radiale, i motori a flusso assiale presentano molti 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 una crescente attenzione (guadagnare terreno).Per molti anni questo tipo di motore è stato utilizzato in applicazioni fisse come ascensori e macchine agricole, ma negli ultimi dieci anni molti sviluppatori hanno lavorato per migliorare questa tecnologia e applicarla a motociclette elettriche, pod aeroportuali, camion merci, veicoli elettrici veicoli e perfino aerei.
I tradizionali motori a flusso radiale utilizzano magneti permanenti o motori a induzione, che hanno compiuto progressi significativi nell'ottimizzazione di peso e costi.Tuttavia, devono affrontare molte difficoltà per continuare a svilupparsi.Il flusso assiale, un tipo di motore completamente diverso, può essere 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 di 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 breve.Per i motori a ruote interne, questo è spesso un fattore cruciale.La struttura compatta dei motori assiali garantisce una densità di potenza e una densità di coppia più elevate rispetto ai 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 grazie al percorso del flusso unidimensionale più breve, che è paragonabile o addirittura superiore in termini di efficienza rispetto ai migliori motori a flusso radiale 2D sul mercato.
La lunghezza del motore è più corta, solitamente da 5 a 8 volte più corta, 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: singolo statore a doppio rotore (a volte indicato come macchine in stile toroide) e doppio statore a rotore singolo.
Attualmente, la maggior parte dei motori a magneti permanenti utilizza la topologia del flusso radiale.Il circuito del flusso magnetico inizia con un magnete permanente sul rotore, passa attraverso il primo dente dello statore e quindi scorre radialmente lungo lo statore.Quindi passare attraverso il secondo dente per raggiungere il secondo acciaio magnetico sul rotore.In una topologia a flusso assiale a doppio rotore, l'anello di 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 di quello dei motori a flusso radiale, con conseguenti volumi del motore più piccoli, densità di potenza ed efficienza più elevate a parità di potenza.
Un motore radiale, dove 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 alla metà delle estremità dell'avvolgimento non funzionanti.La sporgenza della bobina comporterà ulteriore peso, costi, resistenza elettrica e maggiore perdita di calore, costringendo i progettisti a migliorare la progettazione dell'avvolgimento.
La bobina terminamotori a flusso assialesono molto inferiori e alcuni progetti utilizzano avvolgimenti concentrati o segmentati, che sono completamente efficaci.Nelle macchine radiali con statore segmentato, la rottura del percorso del flusso magnetico nello statore può comportare perdite aggiuntive, ma per i motori a flusso assiale questo non è un problema.Il design dell'avvolgimento della bobina è la chiave per distinguere il livello dei fornitori.
3. Sviluppo
I motori a flusso assiale devono affrontare alcune serie sfide nella progettazione e nella produzione, nonostante i loro vantaggi tecnologici, i loro costi sono molto più elevati di quelli dei motori radiali.Le persone hanno una conoscenza molto approfondita dei motori radiali e anche i metodi di produzione e le attrezzature meccaniche sono facilmente disponibili.
Una delle sfide principali dei motori a flusso assiale è mantenere un traferro uniforme tra il rotore e lo statore, poiché la forza magnetica è molto maggiore di quella dei motori radiali, rendendo difficile mantenere un traferro uniforme.Il motore a flusso assiale a doppio rotore presenta anche problemi di dissipazione del calore, poiché l'avvolgimento si trova in profondità all'interno dello statore e tra i due dischi del rotore, rendendo molto difficile la dissipazione del calore.
Anche i motori a flusso assiale sono difficili da produrre per molte ragioni.La macchina a doppio rotore che utilizza una macchina a doppio rotore con una topologia a gioghi (ovvero rimuovendo il giogo di ferro dallo statore ma mantenendo i denti di ferro) supera alcuni di questi problemi senza espandere il diametro del motore e il magnete.
Tuttavia, la rimozione del giogo comporta nuove sfide, ad esempio come fissare e posizionare i singoli denti senza una connessione meccanica del giogo.Anche il raffreddamento è una sfida più grande.
È anche difficile produrre 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 mantenere lo statore in posizione centrale tra i due dischi del rotore.
I motori a rotore singolo a doppio statore non affrontano le sfide dei motori circolari, ma il design dello statore è molto più complesso e difficile da automatizzare, e anche i relativi costi sono elevati.A differenza di qualsiasi motore tradizionale a flusso radiale, i processi di produzione dei motori assiali e le apparecchiature meccaniche sono emersi solo di recente.
4. Applicazione dei veicoli elettrici
L'affidabilità è fondamentale nel settore automobilistico e dimostra l'affidabilità e la robustezza di diversi prodottimotori a flusso assialeconvincere i produttori che questi motori sono adatti alla produzione di massa è sempre stata una sfida.Ciò ha spinto i fornitori di motori assiali a svolgere autonomamente programmi di validazione estesi, in cui ciascun fornitore ha dimostrato che l’affidabilità del proprio motore non è diversa dai 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 più piccola 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'asse elettronico è una delle prime applicazioni dei motori assiali.La larghezza più sottile può incapsulare il motore e il cambio nell'asse.Nelle applicazioni ibride, la minore lunghezza assiale del motore riduce a sua volta la lunghezza totale del sistema di trasmissione.
Il prossimo passo è installare il motore assiale sulla ruota.In questo modo la potenza può essere trasmessa direttamente dal motore alle ruote, migliorando l'efficienza del motore.Grazie all'eliminazione di trasmissioni, differenziali e alberi di trasmissione, anche la complessità del sistema è stata ridotta.
Tuttavia, sembra che le configurazioni standard non siano ancora apparse.Ogni produttore di apparecchiature originali sta ricercando configurazioni specifiche, poiché le diverse dimensioni e forme dei motori assiali possono alterare la progettazione dei veicoli elettrici.Rispetto ai motori radiali, i motori assiali hanno una densità di potenza maggiore, il che significa che possono essere utilizzati motori assiali più piccoli.Ciò fornisce nuove opzioni di progettazione per le piattaforme dei veicoli, come il posizionamento dei pacchi batteria.
4.1 Armatura segmentata
La topologia del motore YASA (Yokeless and Segmented Armature) è un esempio di topologia a singolo statore a doppio rotore, che riduce la complessità di produzione ed è adatta per la produzione di massa automatizzata.Questi motori hanno una densità di potenza fino a 10 kW/kg a velocità comprese tra 2.000 e 9.000 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, compresa la gestione termica con raffreddamento ad olio dielettrico, adatto per motori a flusso assiale, nonché motori a induzione e a flusso radiale.
Ciò consente ai produttori di apparecchiature originali di veicoli elettrici e agli sviluppatori di primo livello di scegliere in modo flessibile il motore appropriato in base all'applicazione e allo spazio disponibile.Le dimensioni e il peso ridotti rendono il veicolo più leggero e hanno più batterie, aumentando così la spinta dell'autonomia.
5. Applicazione di motocicli elettrici
Per le motociclette elettriche e gli ATV, alcune aziende hanno sviluppato motori a flusso assiale CA.Il design comunemente utilizzato per questo tipo di veicolo è il design a flusso assiale basato su spazzole CC, mentre il nuovo prodotto è un design senza spazzole CA, completamente sigillato.
Le bobine dei motori DC e AC rimangono stazionarie, ma i doppi rotori utilizzano magneti permanenti invece di armature rotanti.Il vantaggio di questo metodo è che non richiede l'inversione meccanica.
Il design assiale CA può anche utilizzare controller per motori CA trifase standard per motori radiali.Ciò aiuta 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 dall'induttanza dell'avvolgimento inferiore di 20 µH. La frequenza può controllare la corrente per ridurre al minimo l'ondulazione di corrente e garantire un segnale sinusoidale quanto più uniforme possibile.Da un punto di vista dinamico, questo è un ottimo modo per ottenere un controllo più fluido del motore consentendo rapidi cambiamenti di coppia.
Questo design adotta un avvolgimento distribuito a doppio strato, quindi il flusso magnetico scorre dal rotore a un altro rotore attraverso lo statore, con un percorso molto breve e una maggiore efficienza.
La chiave di questo design è che può funzionare a una tensione massima di 60 V e non è adatto a sistemi a tensione più elevata.Pertanto, può essere utilizzato per motociclette elettriche e veicoli a quattro ruote della classe L7e come Renault Twizy.
La tensione massima di 60 V consente l'integrazione del motore nei principali sistemi elettrici a 48 V e semplifica gli interventi di manutenzione.
Le specifiche dei motocicli a quattro ruote L7e nel regolamento quadro europeo 2002/24/CE stabiliscono che il peso dei veicoli utilizzati per il trasporto di merci non superi i 600 chilogrammi, escluso il peso delle batterie.Questi veicoli possono trasportare non più di 200 chilogrammi di passeggeri, non più di 1.000 chilogrammi di merci e non più di 15 kilowatt di potenza del motore.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, il che è 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 fessure polari.In questo modo c'è una superficie maggiore tra il rame e il guscio e il calore può essere trasferito all'esterno e scaricato tramite un sistema di raffreddamento a liquido standard.
Poli magnetici multipli sono fondamentali per utilizzare forme d’onda sinusoidali, che aiutano a ridurre le armoniche.Queste armoniche si manifestano come riscaldamento dei magneti e del nucleo, mentre i componenti in rame non possono portare via il calore.Quando il calore si accumula nei magneti e nei nuclei di ferro, l'efficienza diminuisce, motivo per cui l'ottimizzazione della forma d'onda e del percorso termico è fondamentale per le prestazioni del motore.
Il design del motore è stato ottimizzato per ridurre i costi e ottenere una produzione di massa automatizzata.Un anello dell'alloggiamento estruso non richiede lavorazioni meccaniche complesse e può ridurre i costi del materiale.La bobina può essere avvolta direttamente e durante il processo di avvolgimento viene utilizzato un processo di incollaggio per mantenere la corretta forma di 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, che deve semplicemente essere tagliato nella forma.Altri progetti di motori richiedono l'uso di materiali magnetici morbidi nella laminazione del nucleo, che possono essere più costosi.
L'utilizzo di avvolgimenti distribuiti fa sì che non sia necessario segmentare l'acciaio magnetico;Possono 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 hanno versioni personalizzate sviluppate attorno al design di base.Quindi prodotto su una linea di produzione di prova per la verifica iniziale della produzione, che può essere replicata in altri stabilimenti.
La personalizzazione è dovuta principalmente al fatto che 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.
Orario di pubblicazione: 28 settembre 2023