Sleutelpunte vir seleksie van aksiale vloedmotorrotor onder verskillende bedryfstoestande – naafmotors, robotgewrigte, hommeltuigaandrywing

Inleiding: Paradigmaverskuiwing van 'Silinder' na 'skyf'

Wanneer mense aan elektriese motors dink, stel die meeste 'n lang silinder voor waar die stator die rotor omsluit en die magnetiese veld radiaal voortplant. 'n Motor wat egter hierdie konvensionele vorm trotseer, dryf 'n nuwe tegnologiese revolusie – die aksiale vloedmotor . Dit druk die stator en rotor saam tot 'n amper plat skyf, so kompak soos 'n toebroodjiekoekie.

Die kern van hierdie afplatte omwenteling lê in 'n fundamentele verandering in magnetiese padrigting. In 'n tradisionele radiale vloedmotor straal die magnetiese veld na buite vanaf die as; in 'n aksiale vloedmotor loop die magneetveld parallel met die as, met stator en rotor na mekaar in 'n skyfrangskikking. Hierdie verskuiwing bring verstommende werkverrigtingvoordele:  met dieselfde materiaalgebruik is die wringkrag van 'n aksiale vloedmotor eweredig aan die kubus van die rotordsnee (terwyl dit vir 'n tradisionele radiale motor slegs die kwadraat van die deursnee is), wat 'n wringkragdigtheidverhoging van 2–3 keer en doeltreffendheid van meer as 96% behaal.  Terselfdertyd is sy aksiale lengte slegs 1/3 tot 1/2 dié van 'n konvensionele motor, met volume verminder met meer as 50% en gewig verminder met ongeveer 40%–50% onder dieselfde drywing.

Die sleutel tot die bereiking van sulke hoë drywingsdigtheid en wringkragdigtheid in aksiale vloedmotors lê in die vernuftige ontwerp van die rotorstruktuur. Verskillende toepassingscenario's stel duidelike werkverrigtingvereistes, en die keuse van rotormagnetiese stroombaanstruktuur, permanente magneetmateriaal en topologie bepaal dikwels direk of die motor sy voordele ten volle kan verwesenlik. Hierdie artikel begin met drie tipiese toepassingscenario's - naafmotors, robotgewrigte en hommeltuig-aandrywing - en ontleed stelselmatig die kernpunte van rotorseleksie.

1. Hubmotors: Kompromis tussen wringkragdigtheid en wye spoedreeks

Naafmotors word binne die wielvelling geïnstalleer, waar spasie uiters beperk is – dit is die primêre ontwerpbeperking. Hulle moet terselfdertyd 'n hoë wringkragdigtheid (vir wegspring en klim), 'n wye spoedreeks (van laespoed kruip tot hoëspoed vaart) en goeie hitte-afvoervermoë bied.

Wat die keuse van rotorstruktuur betref, gebruik naafmotors gewoonlik  oppervlak-gemonteerde en speek (binne) tipes , elk met verskillende ontwerpprioriteite. Oppervlakgemonteerde permanente magnete is direk aan die oppervlak van die rotorkern geheg, wat 'n eenvoudige struktuur, hoë lugspleet-vloeddigtheid bied en geskiktheid vir toepassings wat uiteindelike kragdigtheid nastreef. Hoëspoed-rotasie van 'n rotor met 'n groot deursnee genereer egter enorme sentrifugale krag, wat 'n houhuls benodig om die oppervlak-gemonteerde magnete vas te maak. Dit vereis hoë-sterkte nie-magnetiese materiale, en die huls self vergroot die luggaping en verminder daardeur uitset.

Speektipe (binne) permanente magnete is in die rotor ingebed. Deur vloedkonsentrasie verbeter hulle wringkragdigtheid en vloedverswakkende spoedverlengingsvermoë aansienlik. Byvoorbeeld, die STAF-PMSM-speektipe naafmotor wat deur Jiangsu Universiteit ontwerp is, gebruik 'n dubbelrotorstruktuur om die luggaping-opwekkingsarea te vergroot, wat vloedkonsentrasie-opwekking verkry. Dit lewer 'n maksimum wringkrag van 280 N·m en maksimum drywing van 15 kW, wat dit geskik maak vir verspreide in-wielgedrewe nuwe energie voertuie. Boonop beskerm die binnestruktuur die permanente magnete effektief teen direkte blootstelling aan hoë temperatuur en meganiese impak, wat die risiko van magneetlosmaak oorkom wat oppervlakgemonteerde tipes teen hoë snelhede in die gesig staar.

Termiese bestuur is nog 'n kernuitdaging vir naafmotors. Onder hoëkrag-werking word elektromagnetiese verliese gekonsentreer en verkoelingstoestande is swak. Dit vereis akkurate termiese modellering gebaseer op verliesontleding om effektiewe verkoeling te bereik. Tans verbeter die dubbelstator enkelrotor aksiale vloedmotor (AFIR) kragdigtheid deur elektriese lading met twee stators te verhoog, terwyl die juklose aksiale vloedmotor (YASA) die statorjuk uitskakel om ysterverlies te verminder, termiese las te verlaag terwyl doeltreffendheid en wringkragdigtheid verbeter word.

In die algemeen moet rotorkeuse vir naafmotors  die wringkragdigtheid, spoedverlengingsvermoë en betroubaarheid balanseer . Vir laespoed-hoëwringkragvereistes word oppervlakgemonteerde of speektipe strukture verkies, maar as 'n wye spoedreeks nodig is, is die speektipe meer geskik vanweë sy vloedkonsentrasie en vloedverswakkende vermoë.

2. Robotgewrigte: Dubbele vereistes van lae traagheid en presisiebeheer

Robotverbindings vereis duidelik verskillende eienskappe van naafmotors. In groot gewrigte soos heupe, middellyf en bene is hoë wringkraguitset en uiterste liggewig die kernvereistes – in vergelyking met tradisionele radiale motors, kan aksiale vloedmotors in hierdie scenario's ruimtebesetting met 30%–60% verminder en gewig met meer as 30%, met sommige ontwerpe wat 60%–70% bereik. In klein gewrigte soos polse en vingers word presisie en lae traagheid hoër prioriteite.

Wringkrag-tot-traagheid-verhouding  is 'n sleutelontwerpparameter vir robotgewrigmotors. Navorsing toon dat die wringkrag van 'n aksiale vloedmotor eweredig is aan die kubus van die rotordsnee, wat beteken dat uiters hoë laespoed wringkraguitset in die kompakte ruimte van 'n afgeplatte gewrig verkry kan word, terwyl die dun skyfstruktuur direk in die gewrig ingebed kan word en hitteafvoer vereenvoudig.

Vir rotorseleksie gee robotverbindings prioriteit aan oppervlakgemonteerde strukture of Halbach-skikkings. Die oppervlak-gemonteerde struktuur, met sy lae rotorverlies en lae traagheidsmoment, maak  vinniger dinamiese reaksie moontlik  – versnellingsreaksietyd kan van 15 ms tot 5–8 ms verminder word, wat noodsaaklik is vir robotbewegings wat vinnige begin/stop en presiese posisionering vereis. 'n Halbach-skikking, deur 'n spesifieke magnetiseringsrigtingpatroon, versterk die magnetiese veld aan die een kant, terwyl dit amper kanselleer aan die ander kant, wat die eliminasie van die rotorkern moontlik maak en die rotortraagheid en -verliese verder verminder.

Magnetiese stroombaanontwerp en permanente magneetmateriaalkeuse vereis ook presiese beheer. Aksiale vloedmotors gebruik 'n ringvormige magneetuitleg, wat die magnetiese padlengte verkort en wringkragdigtheid verhoog in vergelyking met die radiale uitleg van tradisionele radiale vloedmotors. Ook, omdat robotgewrigte dikwels verkleiners of selfs kwasi-direkte aandrywing (QDD) skemas insluit, word hoër dwangvermoë en termiese stabiliteit vereis. Wanneer die koste dit toelaat, kan hoë-koërsiwiteitsgrade met swaar seldsame aardings soos disprosium en terbium effektief demagnetisering van omgekeerde magnetiese velde tydens werking voorkom.

Vir miniatuurverbindings in die 16–18 mm-reeks, toon PCB-tipe aksiale vloedmotors unieke voordele. Deur ets in plaas van tradisionele koperwikkelings te gebruik, bied hulle hoë vervaardigingskonsekwentheid, lae ysterverlies en uiterste liggewig.

3. Hommeltuig-aandrywing: Uiterste uitdagings van kragdigtheid en weerstand teen termiese demagnetisering

Hommeltuig-aandrywingstelsels het 'n fundamentele teenstrydigheid:  elke ekstra gram gewig verminder vlugtyd, en elke graad van temperatuurstyging verminder krag . Data toon dat vir 'n aksiale vloedmotor met 'n stoot-tot-gewig-verhouding wat 25:1 oorskry, die vermindering van massa met 1 kg die reikafstand met ongeveer 10 km kan vergroot. Daarom is liggewig en hoë kragdigtheid die primêre ontwerpkriteria vir hommeltuig-aandrywingsmotors.

Wat kragdigtheid betref, toon aksiale vloedmotors oorweldigende voordele in hommeltuig-aandrywing. Hul volumetriese drywingsdigtheid kan  14,9 kW/kg bereik , wat dié van tradisionele radiale motors ver oorskry. Gemeet kragdigthede wissel van  5,8 tot 21 kW/kg , met wringkragdigthede van  15 tot 25 Nm/kg . Die nuutste 'Yufeng' T-reeks aksiale vloed-aandrywingstelsel bereik 'n deurlopende drywingsdigtheid van 10 Nm/kg en 'n piekwringkragdigtheid van 20 Nm/kg, wat dit goed geskik maak vir regstreekse aandrywing in gevorderde vliegtuie soos bemande eVTOL en saamgestelde-vlerk hommeltuie.

Behalwe vir kragdigtheid, het hommeltuig-aandrywingsmotors ook die risiko van demagnetisering in hoë-temperatuur omgewings. Tydens vlug werk motors vir lang tydperke teen hoë krag, wat vinnige temperatuurstyging in windings en permanente magnete veroorsaak. As missies in somerhitte of woestyngebiede uitgevoer word, skep die kombinasie van omgewingstemperatuur en selfverhitting ernstige demagnetiseringsuitdagings vir die permanente magnete.

Permanente magneetmateriaal seleksie beïnvloed direk die hoë temperatuurbetroubaarheid van hommeltuigmotors.  Onder algemene permanente magneetmateriale bied neodimium-yster-boor (NdFeB) die hoogste magnetiese werkverrigting, maar standaardgrade (N-reeks) het 'n maksimum bedryfstemperatuur van slegs 80–100°C, en onomkeerbare magnetiese verlies kan bo 200°C voorkom. Hoë-dwingende NdFeB-grade (SH, UH, EH, AH-reeks) kan tot 150–240°C werk, maar hul hoëtemperatuurstabiliteit is steeds minderwaardig as samarium-kobalt (SmCo). SmCo-magnete kan stabiel bo  300°C werk , met 'n Curie-temperatuur wat 720°C oorskry, en hul magnetiese eienskappe wissel net 1/4–1/3 soveel as NdFeB met temperatuur. Die nadele is effens laer magnetiese energieproduk en hoër koste. Vir verbruikersdrone is hoëprestasie NdFeB voldoende vir die meeste behoeftes; maar vir industriële hommeltuie en bemande eVTOL onder hoë temperatuur, hoë krag toestande, is SmCo – ten spyte van die koste daarvan – 'n noodsaaklike keuse vir betroubaarheid.

4. Vinnige oorsig van rotortipes: Vergelyking van oppervlak-gemonteerde vs

Op grond van bogenoemde ontleding word die hoofrotorstruktuurtipes vir aksiale vloedmotors in die volgende tabel opgesom:

5. SDM: 'n Sleutelaandrywer vir oppervlakgemonteerde aksiale vloedmotorrotors

Nadat ons die sleutelrotorkeusepunte vir die drie hoofscenario's ontleed het, kom ons by 'n kernelement uit –  die ingenieursvermoë vir hoëprestasie permanente magnete en oppervlakgemonteerde rotorstrukture . Dit is juis hier waar SDM se tegniese voordele lê.

SDM is 'n nasionale hoëtegnologie-onderneming wat gefokus is op magnete en magnetiese oplossings, met 16 jaar ondervinding in professionele magneetproduksie. Die maatskappy het 'n strategiese samewerking met China Aluminium, die grootste seldsame aarde-mynonderneming in China, wat 'n stabiele en veilige toevoer van seldsame aard-grondstowwe verseker. Terselfdertyd doen SDM in-diepte samewerkende navorsing met die  Chinese Akademie van Wetenskappe  en werk saam met kliënte op eindige element-analise (FEA), wat akkurate simulasie-ondersteuning bied vanaf die begin van magnetiese stroombaanontwerp, en sodoende ontwikkelingsiklusse verkort en proef-en-foutkoste verminder.

Op die gebied van oppervlakgemonteerde aksiale vloedmotorrotors bied SDM sistematiese vervaardigings- en ontwerpvoordele:

Eerstens, 'n volledige produksiestelsel met hoëvlak-sertifisering.  Die maatskappy het IATF 16949 (motorkwaliteitbestuurstelsel), het sedert 2010 'n nul-defek-rekord (0 PPM) as 'n vlak-2-verskaffer aan General Motors gehandhaaf, en beskik ook oor ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, koolstofvoetspoor en BSCI-sertifisering. Sy produkte voldoen aan RoHS-, REACH- en SGS-toetsvereistes. Dit beteken dat elke bondel permanente magnete streng gehaltebeheer ondergaan, van rou materiaal naspeurbaarheid tot voltooide produk gestuur.

Tweedens, volwasse geïntegreerde prosestegnologie vir oppervlakgemonteerde rotorstrukture.  In 'n aksiale vloedmotor moet 'n permanente magneet-rotorskyf gelyktydig drie groot ingenieursprobleme oplos:  hoësterkte-bevestiging van magnete, stabiliteit onder hoëspoed-werking en vervaardigbaarheid/montering . SDM bied verskeie magnetiese materiaal opsies, insluitend hoë-dwang NdFeB grade en SmCo reeks. Dit gebruik 'n kombinasie van lae-verlies, hoë-sterkte polimeer-persplate/bevestigingsrame, rotor-ysters en koolstofvesel-klemhulse om betroubare magneetposisionering onder hoëspoed-werking te verseker, terwyl rotor-wervelstroomverliese tot die minimum beperk word. Hierdie oplossing het sy omvattende voordele van lae rotorverlies, hoë strukturele sterkte en goeie samestelling verwerkbaarheid bewys.

Derdens, 'n top-vlak tegniese span wat hoë-end aanpassing ondersteun.  Die tegniese span, gebou deur  kundiges in magnetiese materiale van die Chinese Akademie vir Wetenskappe , sluit 2 PhD's, 5 meestersgraadhouers, 8 senior ingenieurs en meer as 80 ingenieurs- en tegniese personeel in. Die maatskappy het 'n munisipale R&D-sentrum en 'n postdoktorale werkstasie gevestig. SDM kan dus nie net konvensionele magnete produseer nie, maar bied ook volledige proses tegniese oplossings vir werklike magnetiese stroombaanvereistes onder verskillende werksomstandighede (naafmotors, robotgewrigte, hommeltuig-aandrywing), insluitend magneetgraadseleksie (ultrahoë koërsiwiteit NdFeB N/M/UH-grade, SmCo5 / Sm-Co-₇-reeks), demagnetisasie-element-simulasie en eindige elementberekening, temperatuurmarginiet-berekening.

Vierdens, nywerheid-universiteit-navorsing samewerking en breë produkportefeulje.  SDM handhaaf samewerkende verhoudings met die Ningbo Instituut vir Materiaaltegnologie en Ingenieurswese (CAS) en Suidwes Jiaotong Universiteit, en volg voortdurend vooruitgang in magnetiese materiale. Sy produkreeks dek mikro-motor stators en rotors, maglev motors, sensors, resolvers, optiese isolators, permanente magneet en sagte magnetiese komponente, wat eenstop magnetiese materiaal ondersteuning bied vir motor ontwerpe oor verskillende industrieë.

Gevolgtrekking

Met sy afgeplatte struktuur en transformerende kragdigtheid herdefinieer die aksiale vloedmotor die kragargitektuur van elektriese voertuie, menslike robotte en lae-hoogte vliegtuie. In hierdie tegnologiewedren wat gesentreer is op 'wringkragdigtheid' en 'liggewig', stel die rotorstruktuurontwerp en die kwaliteit van permanente magneetmateriale die onderste limiet, terwyl die oppervlakgemonteerde struktuur - met sy  eenvoudige ontwerp, vinnige dinamiese reaksie en hoë wringkragdigtheid  - 'n onvervangbare posisie inneem in robotgewrigte, lae-spoed hoë-wringkrag en lae doeltreffendheid naafaandrywings en ander toepassings naafaandrywings.

Van presiese optimalisering van die magnetiese stroombaantopologie tot hoëtemperatuurstabiliteitsontwerp van permanente magneetmateriale, slegs deur die volledige ketting van kernmateriaaltegnologie en rotorvervaardigingsprosesse te bemeester, kan 'n ware grag in die strawwe markkompetisie gevestig word. SDM, met sy geloofsbriewe as 'n nasionale hoëtegnologie-onderneming, 16 jaar se opgehoopte ondervinding in permanente magnete, tegniese ondersteuning van 'n CAS-geboude kundige span, en 'n sistematiese kwaliteitbestuurstelsel, bied 'n stewige grondslag vir die hoë betroubaarheid en hoë werkverrigting van oppervlakgemonteerde aksiale vloedmotorrotors. Of dit nou die wye spoedreeks-uitdaging van spilpuntmotors is, die lae-traagheid-presisiebeheervereistes van robotgewrigte, of die uiterste vereistes vir kragdigtheid en demagnetiseringsweerstand in hommeltuig-aandrywing, SDM bied volledige proses-ingenieurswese-oplossings van materiaal tot simulasie – presies die onontbeerlike dryfkrag wat aksiale vloedmotors vanaf laboratorium- na grootskaalse toepassing verskuif.