Klíčové body pro výběr rotoru motoru s axiálním tokem za různých provozních podmínek – nábojové motory, klouby robotů, pohon dronů

Úvod: Posun paradigmatu z 'Válec' na 'Disk'

Když lidé myslí na elektromotory, většina si představí dlouhý válec, kde stator obklopuje rotor a magnetické pole se šíří radiálně. Motor, který se tomuto konvenčnímu tvaru vymyká, však pohání novou technologickou revoluci – motor s axiálním tokem . Stlačuje stator a rotor do téměř plochého disku, kompaktního jako sendvičové sušenky.

Jádro této zplošťovací revoluce spočívá v zásadní změně směru magnetické dráhy. V tradičním motoru s radiálním tokem vyzařuje magnetické pole směrem ven z osy; u motoru s axiálním tokem probíhá magnetické pole rovnoběžně s osou, přičemž stator a rotor jsou proti sobě v diskovém uspořádání. Tento posun přináší ohromující výkonnostní výhody:  při stejném použití materiálu je točivý moment motoru s axiálním tokem úměrný třetí mocnině průměru rotoru (zatímco u tradičního radiálního motoru je to pouze druhá mocnina průměru), dosahuje 2–3násobného zvýšení hustoty točivého momentu a účinnosti přesahující 96 %.  Jeho axiální délka je přitom pouze 1/3 až 1/2 délky běžného motoru, přičemž objem je snížen o více než 50 % a hmotnost snížena přibližně o 40 % až 50 % při stejném výkonu.

Klíč k dosažení tak vysoké hustoty výkonu a hustoty točivého momentu u motorů s axiálním tokem spočívá v důmyslné konstrukci rotorové struktury. Různé scénáře použití kladou odlišné požadavky na výkon a výběr struktury magnetického obvodu rotoru, materiálu permanentních magnetů a topologie často přímo určuje, zda motor může plně realizovat své výhody. Tento článek začíná třemi typickými aplikačními scénáři – motory nábojů, klouby robotů a pohon dronů – a systematicky analyzuje hlavní body výběru rotoru.

1. Nábojové motory: Kompromis mezi hustotou točivého momentu a širokým rozsahem otáček

Nábojové motory jsou instalovány uvnitř ráfku kola, kde je prostor extrémně omezený – to je hlavní konstrukční omezení. Musí současně poskytovat vysokou hustotu točivého momentu (pro rozjezd a stoupání), široký rozsah rychlostí (od pomalého plazení po vysokorychlostní cestovní jízdu) a dobrou schopnost odvodu tepla.

Pokud jde o výběr struktury rotoru, nábojové motory běžně používají  povrchové a paprskové (interiérové) typy , z nichž každý má jiné konstrukční priority. Povrchové permanentní magnety jsou přímo připojeny k povrchu jádra rotoru a nabízejí jednoduchou strukturu, vysokou hustotu toku vzduchové mezery a vhodnost pro aplikace, které sledují maximální hustotu výkonu. Vysokorychlostní rotace rotoru o velkém průměru však generuje obrovskou odstředivou sílu, která vyžaduje přídržnou objímku k zajištění povrchově namontovaných magnetů. To vyžaduje vysoce pevné nemagnetické materiály a samotná manžeta zvětšuje vzduchovou mezeru, čímž snižuje výkon.

Uvnitř rotoru jsou zapuštěny paprskové (vnitřní) permanentní magnety. Prostřednictvím koncentrace toku výrazně zlepšují hustotu točivého momentu a schopnost prodlužování rychlosti zeslabování toku. Například paprskový nábojový motor STAF-PMSM navržený univerzitou Jiangsu využívá dvourotorovou strukturu ke zvětšení oblasti buzení ve vzduchové mezeře, čímž se dosáhne buzení koncentrace toku. Poskytuje maximální točivý moment 280 N·m a maximální výkon 15 kW, takže je vhodný pro nová energetická vozidla s distribuovaným pohonem kol. Vnitřní struktura navíc účinně chrání permanentní magnety před přímým vystavením vysokým teplotám a mechanickým nárazům, čímž překonává riziko odpojení magnetu, kterému čelí typy s povrchovou montáží při vysokých rychlostech.

Tepelný management je další klíčovou výzvou pro nábojové motory. Při provozu s vysokým výkonem se elektromagnetické ztráty koncentrují a podmínky chlazení jsou špatné. To vyžaduje přesné tepelné modelování založené na analýze ztrát, aby bylo dosaženo efektivního chlazení. V současné době dvoustatorový jednorotorový motor s axiálním tokem (AFIR) zlepšuje hustotu výkonu zvýšením elektrického zatížení se dvěma statory, zatímco motor s axiálním tokem bez třmenu (YASA) eliminuje třmen statoru, aby se snížily ztráty železa, snížilo se tepelné zatížení a zároveň se zlepšila účinnost a hustota točivého momentu.

Celkově musí výběr rotoru pro motory s nábojem vyvážit  hustotu točivého momentu, schopnost prodloužení rychlosti a spolehlivost . Pro požadavky na nízké otáčky s vysokým kroutícím momentem jsou preferovány povrchově namontované nebo paprskové konstrukce, ale pokud je potřeba široký rozsah rychlostí, je vhodnější paprskový typ kvůli jeho koncentraci toku a schopnosti zeslabovat tok.

2. Robotické klouby: Dvojí požadavky na nízkou setrvačnost a přesné ovládání

Robotické klouby vyžadují výrazně odlišné vlastnosti od nábojových motorů. U velkých kloubů, jako jsou boky, pas a nohy, jsou hlavními požadavky vysoký točivý moment a extrémní lehkost – ve srovnání s tradičními radiálními motory mohou axiální motory v těchto scénářích snížit zabírání místa o 30–60 % a hmotnost o více než 30 %, přičemž některé konstrukce dosahují 60–70 %. U malých kloubů, jako jsou zápěstí a prsty, se přesnost a nízká setrvačnost stávají vyšší prioritou.

Poměr točivého momentu k setrvačnosti  je klíčovým konstrukčním parametrem pro kloubové motory robotů. Výzkum ukazuje, že krouticí moment motoru s axiálním tokem je úměrný třetí mocnině průměru rotoru, což znamená, že v kompaktním prostoru zploštělého spoje lze dosáhnout extrémně vysokého výkonu točivého momentu při nízkých otáčkách, zatímco struktura tenkého kotouče může být zapuštěna přímo do spoje a zjednodušuje odvod tepla.

Při výběru rotoru dávají klouby robotů přednost konstrukcím namontovaným na povrchu nebo Halbachovým polím. Povrchová konstrukce s nízkou ztrátou rotoru a nízkým momentem setrvačnosti umožňuje  rychlejší dynamickou odezvu  – doba odezvy zrychlení může být zkrácena z 15 ms na 5–8 ms, což je klíčové pro pohyby robota vyžadující rychlý start/stop a přesné polohování. Halbachovo pole prostřednictvím specifického vzoru směru magnetizace zesiluje magnetické pole na jedné straně, zatímco ho téměř ruší na straně druhé, což umožňuje eliminaci jádra rotoru a dále snižuje setrvačnost rotoru a ztráty.

Konstrukce magnetického obvodu a výběr materiálu permanentního magnetu také vyžadují přesné ovládání. Motory s axiálním tokem používají uspořádání prstencových magnetů, které zkracuje délku magnetické dráhy a zvyšuje hustotu točivého momentu ve srovnání s radiálním uspořádáním tradičních motorů s radiálním tokem. Protože klouby robotů často obsahují reduktory nebo dokonce schémata kvazi přímého pohonu (QDD), je vyžadována vyšší koercivita a tepelná stabilita. Pokud to náklady dovolí, třídy s vysokou koercitivitou s těžkými vzácnými zeminami, jako je dysprosium a terbium, mohou účinně zabránit demagnetizaci z reverzních magnetických polí během provozu.

Pro miniaturní spoje v rozsahu 16–18 mm vykazují axiální motorky s plošnými spoji jedinečné výhody. Díky leptání namísto tradičních měděných vinutí nabízejí vysokou konzistenci výroby, nízké ztráty železa a extrémní lehkost.

3. Pohon dronem: Extrémní výzvy hustoty výkonu a odolnosti vůči tepelné demagnetizaci

Pohonné systémy dronů čelí zásadnímu rozporu:  každý gram hmotnosti navíc snižuje dobu letu a každý stupeň zvýšení teploty snižuje výkon . Data ukazují, že pro motor s axiálním tokem s poměrem tahu k hmotnosti přesahujícím 25:1 může snížení hmotnosti o 1 kg zvýšit dojezd o přibližně 10 km. Proto jsou lehkost a vysoká hustota výkonu primárními konstrukčními kritérii pro pohonné motory dronů.

Pokud jde o hustotu výkonu, motory s axiálním tokem vykazují ohromující výhody v pohonu dronů. Jejich objemová hustota výkonu může dosáhnout  14,9 kW/kg , což je mnohem více než u tradičních radiálních motorů. Naměřené hustoty výkonu se pohybují od  5,8 do 21 kW/kg , s hustotou točivého momentu  15 až 25 Nm/kg . Nejnovější pohonný systém 'Yufeng' řady T s axiálním tokem dosahuje nepřetržité hustoty výkonu 10 Nm/kg a maximální hustoty točivého momentu 20 Nm/kg, díky čemuž se dobře hodí pro pohon s přímým pohonem v pokročilých letadlech, jako jsou pilotované eVTOL a drony se složenými křídly.

Kromě hustoty výkonu čelí pohonné motory dronů také riziku demagnetizace v prostředí s vysokou teplotou. Během letu motory pracují na vysoký výkon po dlouhou dobu, což způsobuje rychlý nárůst teploty vinutí a permanentních magnetů. Pokud jsou mise prováděny v letních vedrech nebo v pouštních oblastech, kombinace okolní teploty a vlastního zahřívání vytváří pro permanentní magnety vážné problémy s demagnetizací.

Výběr materiálu permanentního magnetu přímo ovlivňuje vysokou teplotní spolehlivost motorů dronů.  Mezi běžnými materiály s permanentními magnety nabízí nejvyšší magnetický výkon neodym-železo-bor (NdFeB), ale standardní druhy (řada N) mají maximální provozní teplotu pouze 80–100 °C a nad 200 °C může dojít k nevratné magnetické ztrátě. Třídy NdFeB s vysokou koercitivitou (řady SH, UH, EH, AH) mohou pracovat až do 150–240 °C, ale jejich stabilita při vysokých teplotách je stále nižší než stabilita kobaltu samarium (SmCo). Magnety SmCo mohou pracovat stabilně nad  300 °C , s Curieovou teplotou přesahující 720 °C a jejich magnetické vlastnosti se s teplotou mění pouze o 1/4–1/3 než u NdFeB. Nevýhodou je mírně nižší produkt magnetické energie a vyšší cena. Pro spotřebitelské drony je pro většinu potřeb dostačující vysoce výkonný NdFeB; ale pro průmyslové drony a pilotované eVTOL za podmínek vysoké teploty a vysokého výkonu je SmCo – navzdory své ceně – nezbytnou volbou pro spolehlivost.

4. Rychlý přehled typů rotorů: Porovnání povrchově namontovaných a vnitřních

Na základě výše uvedené analýzy jsou v následující tabulce shrnuty hlavní typy konstrukce rotoru pro motory s axiálním tokem:

5. SDM: Klíčový ovladač pro povrchově namontované axiální rotory motoru

Po analýze klíčových bodů výběru rotoru pro tři hlavní scénáře se dostáváme ke klíčovému prvku –  konstrukční schopnosti pro vysoce výkonné permanentní magnety a povrchově montované struktury rotorů . Právě v tom spočívají technické výhody SDM.

SDM je národní high-tech podnik zaměřený na magnety a magnetická řešení s 16letými zkušenostmi v profesionální výrobě magnetů. Společnost strategicky spolupracuje s China Aluminium, největším těžařským podnikem vzácných zemin v Číně, který zajišťuje stabilní a bezpečné dodávky surovin vzácných zemin. SDM zároveň provádí hloubkový výzkum ve spolupráci s  Čínskou akademií věd  a spolupracuje se zákazníky na analýze konečných prvků (FEA), poskytuje přesnou simulační podporu od samého počátku návrhu magnetických obvodů, čímž zkracuje vývojové cykly a snižuje náklady na pokusy a omyly.

V oblasti povrchově montovaných rotorů axiálních motorů nabízí SDM systematické výrobní a konstrukční výhody:

Za prvé, kompletní výrobní systém s certifikacemi na vysoké úrovni.  Společnost je držitelem IATF 16949 (systém řízení kvality v automobilovém průmyslu), od roku 2010 si jako dodavatel Tier-2 pro General Motors udržuje rekord bez závad (0 PPM) a také vlastní certifikace ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, uhlíková stopa a BSCI. Její produkty splňují požadavky na testování RoHS, REACH a SGS. To znamená, že každá šarže permanentních magnetů prochází přísnou kontrolou kvality, od sledovatelnosti surovin až po expedici hotového produktu.

Za druhé, vyspělá integrovaná procesní technologie pro povrchově montované konstrukce rotorů.  V axiálním motoru s tokem musí povrchově namontovaný rotorový disk s permanentním magnetem současně vyřešit tři hlavní technické problémy:  vysokopevnostní upevnění magnetů, stabilitu při vysokorychlostním provozu a vyrobitelnost/montáž . SDM poskytuje různé možnosti magnetických materiálů, včetně tříd NdFeB s vysokou koercitivitou a řady SmCo. Využívá kombinaci nízkoztrátových, vysoce pevných polymerových lisovacích desek/upevňovacích rámů, zadních želez rotoru a přídržných objímek z uhlíkových vláken, aby bylo zajištěno spolehlivé polohování magnetu při vysokorychlostním provozu a zároveň byly minimalizovány ztráty rotoru vířivými proudy. Toto řešení prokázalo své komplexní výhody nízké ztráty rotoru, vysokou strukturální pevnost a dobrou zpracovatelnost montáže.

Za třetí, špičkový technický tým podporující špičkové přizpůsobení.  Technický tým, sestavený  odborníky na magnetické materiály z Čínské akademie věd , zahrnuje 2 PhD, 5 držitelů magisterského titulu, 8 senior inženýrů a více než 80 inženýrských a technických pracovníků. Společnost zřídila městské výzkumné a vývojové centrum a postdoktorské pracoviště. SDM tedy může nejen vyrábět konvenční magnety, ale také poskytovat kompletní technická řešení pro skutečné požadavky na magnetické obvody za různých pracovních podmínek (motory nábojů, klouby robotů, pohon dronů), včetně výběru jakosti magnetu (třídy NdFeB N/M/UH s ultravysokou koercitivitou, řada SmCo5 / Sm-Co-₇), výpočtu meze teploty demagnetizace a simulace teplotního rozpětí prvků a.

Za čtvrté, spolupráce mezi průmyslem, univerzitou a výzkumem a široké portfolio produktů.  SDM udržuje kooperativní vztahy s Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) a Southwest Jiaotong University a neustále sleduje pokroky v magnetických materiálech. Sortiment produktů zahrnuje statory a rotory mikromotorů, maglev motory, senzory, resolvery, optické izolátory, permanentní magnety a měkké magnetické komponenty, které poskytují jednorázovou magnetickou materiálovou podporu pro návrhy motorů v různých průmyslových odvětvích.

Závěr

Se svou zploštělou strukturou a transformační hustotou výkonu mění axiální motor s tokem energii architekturu napájení elektrických vozidel, humanoidních robotů a letadel pro malé výšky. V tomto technologickém závodě zaměřeném na 'hustotu krouticího momentu' a 'odlehčení' určuje spodní hranici konstrukce rotorové struktury a kvalita materiálů s permanentními magnety, zatímco povrchová konstrukce – se svou  jednoduchou konstrukcí, rychlou dynamickou odezvou a vysokou hustotou točivého momentu  – zaujímá nezastupitelné místo v kloubech robotů, nízkorychlostních pohonech nábojů s vysokým kroutícím momentem a dalších aplikacích vyžadujících vysokou účinnost a nízkou setrvačnost.

Od přesné optimalizace topologie magnetického obvodu až po návrh vysokoteplotní stability materiálů s permanentními magnety, pouze zvládnutím kompletního řetězce technologie materiálů jádra a výrobních procesů rotoru lze v tvrdé konkurenci na trhu vytvořit skutečný příkop. SDM, se svými akreditacemi jako národní high-tech podnik, 16 lety nashromážděných zkušeností v oblasti permanentních magnetů, technickou podporou od expertního týmu vytvořeného CAS a systematickým systémem řízení kvality, poskytuje pevný základ pro vysokou spolehlivost a vysoký výkon povrchově montovaných rotorů axiálních motorů s tokem. Ať už se jedná o problém se širokým rozsahem otáček motorů v náboji, požadavky na přesné řízení robotických kloubů s nízkou setrvačností nebo extrémní požadavky na hustotu výkonu a odolnost proti demagnetizaci v pohonu dronů, SDM nabízí kompletní procesní inženýrská řešení od materiálů až po simulaci – přesně tu nepostradatelnou hnací sílu, která přenáší axiální motory s tokem z laboratoře do aplikací ve velkém měřítku.