Nøglepunkter for aksialfluxmotorrotorvalg under forskellige driftsforhold – navmotorer, robotled, dronefremdrift

Introduktion: Paradigmeskift fra 'Cylinder' til 'Disc'

Når folk tænker på elektriske motorer, forestiller de fleste sig en lang cylinder, hvor statoren omslutter rotoren, og magnetfeltet udbreder sig radialt. Men en motor, der trodser denne konventionelle form, driver en ny teknologisk revolution - den aksial flux motor . Den komprimerer statoren og rotoren til en næsten flad skive, lige så kompakt som en sandwich-småkage.

Kernen i denne udfladningsrevolution ligger i en fundamental ændring i magnetisk vejretning. I en traditionel radial fluxmotor stråler magnetfeltet ud fra aksen; i en aksial fluxmotor løber magnetfeltet parallelt med aksen, med stator og rotor mod hinanden i et skivearrangement. Dette skift medfører forbløffende ydeevnefordele:  Med det samme materialeforbrug er drejningsmomentet for en aksial fluxmotor proportionalt med rotordiameterens terning (mens det for en traditionel radialmotor kun er kvadratet af diameteren), hvilket opnår en stigning i drejningsmomenttætheden på 2-3 gange og effektivitet på over 96 %.  Samtidig er dens aksiale længde kun 1/3 til 1/2 af en konventionel motor, med volumen reduceret med mere end 50% og vægten reduceret med cirka 40%-50% under samme effekt.

Nøglen til at opnå en så høj effekttæthed og momenttæthed i aksialfluxmotorer ligger i det geniale design af rotorstrukturen. Forskellige anvendelsesscenarier stiller forskellige ydelseskrav, og valget af rotormagnetisk kredsløbsstruktur, permanentmagnetmateriale og topologi afgør ofte direkte, om motoren fuldt ud kan realisere sine fordele. Denne artikel starter med tre typiske anvendelsesscenarier – navmotorer, robotled og dronefremdrift – og analyserer systematisk kernepunkterne i rotorvalg.

1. Navmotorer: Afvejning mellem momenttæthed og bredt hastighedsområde

Navmotorer er installeret inde i fælgen, hvor pladsen er ekstremt begrænset - dette er den primære designbegrænsning. De skal samtidig give høj momenttæthed (til start og klatring), et bredt hastighedsområde (fra lavhastighedscrawling til højhastighedscruising) og god varmeafledningsevne.

Med hensyn til valg af rotorstruktur bruger navmotorer almindeligvis  overflademonterede og eger (interiør) typer , hver med forskellige designprioriteter. Overflademonterede permanente magneter er direkte fastgjort til overfladen af ​​rotorkernen og tilbyder en enkel struktur, høj luftgab-fluxtæthed og egnethed til applikationer, der forfølger ultimativ effekttæthed. Højhastighedsrotation af en rotor med stor diameter genererer imidlertid en enorm centrifugalkraft, hvilket kræver en holdemuffe for at fastgøre de overflademonterede magneter. Dette kræver højstyrke ikke-magnetiske materialer, og selve muffen øger luftgabet og reducerer derved output.

Eger-type (indvendige) permanente magneter er indlejret i rotoren. Gennem fluxkoncentration forbedrer de drejningsmomenttætheden og flux-svækkende hastighedsforlængelse betydeligt. For eksempel bruger STAF-PMSM eger-type navmotor designet af Jiangsu University en dobbelt-rotor struktur til at øge luft-gab excitationsområdet, hvilket opnår flux koncentration excitation. Den leverer et maksimalt drejningsmoment på 280 N·m og en maksimal effekt på 15 kW, hvilket gør den velegnet til distribuerede in-wheel-drevne nye energikøretøjer. Desuden beskytter den indvendige struktur effektivt de permanente magneter mod direkte udsættelse for høj temperatur og mekanisk påvirkning, hvilket overvinder risikoen for magnetløsnelse, som overflademonterede typer møder ved høje hastigheder.

Termisk styring er en anden kerneudfordring for navmotorer. Under højeffektdrift er elektromagnetiske tab koncentreret, og køleforholdene er dårlige. Dette kræver nøjagtig termisk modellering baseret på tabsanalyse for at opnå effektiv køling. I øjeblikket forbedrer den aksiale fluxmotor med to statorer (AFIR) effekttætheden ved at øge den elektriske belastning med to statorer, mens den ågløse aksiale fluxmotor (YASA) eliminerer statoråget for at reducere jerntabet, sænke den termiske belastning og samtidig forbedre effektiviteten og drejningsmomenttætheden.

Samlet set skal rotorvalg til navmotorer balancere  momenttæthed, hastighedsforlængelse og pålidelighed . Til høje drejningsmomentkrav ved lav hastighed foretrækkes overflademonterede strukturer eller strukturer af eger-typen, men hvis der er behov for et bredt hastighedsområde, er egertypen mere egnet på grund af dens fluxkoncentration og flux-svækkende evne.

2. Robotled: Dobbelte krav til lav inerti og præcisionskontrol

Robotled kræver tydeligt forskellige egenskaber fra navmotorer. I store led såsom hofter, taljer og ben er højt drejningsmoment og ekstrem letvægt kernekravene – sammenlignet med traditionelle radiale motorer kan aksialfluxmotorer i disse scenarier reducere pladsbesættelsen med 30 %–60 % og vægten med mere end 30 %, med nogle designs, der når 60 %–70 %. I små led som håndled og fingre bliver præcision og lav inerti højere prioritet.

Drejningsmoment-til-inerti-forhold  er en nøgledesignparameter for robotledmotorer. Forskning viser, at drejningsmomentet for en aksial fluxmotor er proportional med terningen af ​​rotordiameteren, hvilket betyder, at ekstremt høje drejningsmomentydelser ved lav hastighed kan opnås i det kompakte rum i en fladt led, mens den tynde skivestruktur kan indlejres direkte i leddet og forenkler varmeafledning.

Ved rotorvalg prioriterer robotsamlinger overflademonterede strukturer eller Halbach-arrays. Den overflademonterede struktur med sit lave rotortab og lave inertimoment muliggør  hurtigere dynamisk respons  – accelerationsresponstiden kan reduceres fra 15 ms til 5-8 ms, hvilket er afgørende for robotbevægelser, der kræver hurtig start/stop og præcis positionering. Et Halbach-array, gennem et specifikt magnetiseringsretningsmønster, forstærker magnetfeltet på den ene side, mens det næsten annullerer det på den anden side, hvilket muliggør eliminering af rotorkernen og yderligere reducerer rotorinerti og tab.

Magnetisk kredsløbsdesign og permanent magnet materialevalg kræver også præcis kontrol. Aksiale fluxmotorer bruger et ringformet magnetlayout, som forkorter den magnetiske vejlængde og øger momenttætheden sammenlignet med det radiale layout af traditionelle radialfluxmotorer. Fordi robotled ofte inkluderer reduktionsgear eller endda quasi-direct drive (QDD) ordninger, er der behov for højere koercitivitet og termisk stabilitet. Når omkostningerne tillader det, kan højkoercitivitetskvaliteter med tunge sjældne jordarter såsom dysprosium og terbium effektivt forhindre afmagnetisering fra omvendte magnetiske felter under drift.

Til miniaturesamlinger i intervallet 16–18 mm udviser PCB-type aksialfluxmotorer unikke fordele. Ved at bruge ætsning i stedet for traditionelle kobberviklinger tilbyder de høj produktionskonsistens, lavt jerntab og ekstrem letvægt.

3. Dronefremdrift: Ekstreme udfordringer med effekttæthed og modstand mod termisk afmagnetisering

Dronefremdrivningssystemer står over for en grundlæggende modsætning:  Hvert ekstra gram vægt reducerer flyvetiden, og hver grad af temperaturstigning reducerer effekten . Data viser, at for en aksial fluxmotor med et tryk-til-vægt-forhold, der overstiger 25:1, kan en reduktion af massen med 1 kg øge rækkevidden med omkring 10 km. Derfor er letvægt og høj effekttæthed de primære designkriterier for dronefremdrivningsmotorer.

Med hensyn til effekttæthed viser aksiale fluxmotorer overvældende fordele ved dronefremdrift. Deres volumetriske effekttæthed kan nå op på  14,9 kW/kg , hvilket langt overstiger traditionelle radiale motorer. Målte effekttætheder spænder fra  5,8 til 21 kW/kg med momenttætheder på  15 til 25 Nm/kg . Det seneste 'Yufeng' T-series aksiale flux fremdriftssystem opnår en kontinuerlig effekttæthed på 10 Nm/kg og en maksimal drejningsmomenttæthed på 20 Nm/kg, hvilket gør det velegnet til direkte drevet fremdrift i avancerede fly såsom bemandet eVTOL og compound-wing droner.

Ud over effekttæthed står dronefremdrivningsmotorer også over for risikoen for afmagnetisering i højtemperaturmiljøer. Under flyvning arbejder motorer med høj effekt i længere perioder, hvilket forårsager hurtig temperaturstigning i viklinger og permanente magneter. Hvis missioner udføres i sommervarme eller ørkenområder, skaber kombinationen af ​​omgivelsestemperatur og selvopvarmning alvorlige afmagnetiseringsudfordringer for de permanente magneter.

Valg af permanent magnetmateriale påvirker direkte dronemotorers højtemperaturpålidelighed.  Blandt almindelige permanentmagnetmaterialer tilbyder neodym-jern-bor (NdFeB) den højeste magnetiske ydeevne, men standardkvaliteter (N-serien) har en maksimal driftstemperatur på kun 80-100°C, og irreversible magnetiske tab kan forekomme over 200°C. NdFeB-kvaliteter med høj koercivitet (SH, UH, EH, AH-serien) kan fungere op til 150-240°C, men deres højtemperaturstabilitet er stadig ringere end samarium-kobolt (SmCo). SmCo-magneter kan fungere stabilt over  300°C , med en Curie-temperatur på over 720°C, og deres magnetiske egenskaber varierer kun 1/4-1/3 så meget som NdFeB med temperaturen. Ulemperne er lidt lavere magnetisk energiprodukt og højere omkostninger. For forbrugerdroner er højtydende NdFeB tilstrækkelig til de fleste behov; men for industrielle droner og bemandet eVTOL under høje temperaturer og højeffektforhold er SmCo – på trods af dets omkostninger – et nødvendigt valg for pålidelighed.

4. Hurtigt overblik over rotortyper: Sammenligning af overflademonteret vs. interiør

Baseret på ovenstående analyse er de vigtigste rotorstrukturtyper for aksialfluxmotorer opsummeret i følgende tabel:

5. SDM: En nøgledriver til overflademonterede aksiale fluxmotorrotorer

Efter at have analyseret de vigtigste rotorudvælgelsespunkter for de tre store scenarier, når vi frem til et kerneelement -  ingeniørevnen for højtydende permanente magneter og overflademonterede rotorstrukturer . Det er netop her, SDM's tekniske fordele ligger.

SDM er en national højteknologisk virksomhed med fokus på magneter og magnetiske løsninger, med 16 års erfaring i professionel magnetproduktion. Virksomheden har et strategisk samarbejde med China Aluminium, den største minedriftsvirksomhed for sjældne jordarter i Kina, hvilket sikrer en stabil og sikker forsyning af sjældne jordarters råmaterialer. Samtidig udfører SDM dybdegående kollaborativ forskning med det  kinesiske videnskabsakademi  og arbejder med kunder om finite element analyse (FEA), hvilket giver nøjagtig simuleringsstøtte helt fra begyndelsen af ​​magnetisk kredsløbsdesign, og derved forkorter udviklingscyklusser og reducerer trial-and-error omkostninger.

Inden for overflademonterede aksiale fluxmotorrotorer tilbyder SDM systematiske fremstillings- og designfordele:

For det første et komplet produktionssystem med certificeringer på højt niveau.  Virksomheden har IATF 16949 (bilkvalitetsstyringssystem), har opretholdt en rekord med nul-defekter (0 PPM) som Tier-2-leverandør til General Motors siden 2010 og har også ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, CO2-fodaftryk og BSCI-certificeringer. Dens produkter overholder RoHS, REACH og SGS testkrav. Det betyder, at hver batch af permanente magneter gennemgår en streng kvalitetskontrol, fra sporbarhed af råmaterialer til forsendelse af færdigt produkt.

For det andet moden integreret procesteknologi til overflademonterede rotorstrukturer.  I en aksial fluxmotor skal en overflademonteret permanentmagnetrotorskive samtidig løse tre store tekniske vanskeligheder:  højstyrkefastgørelse af magneter, stabilitet under højhastighedsdrift og fremstillingsevne/montering . SDM tilbyder forskellige muligheder for magnetiske materialer, herunder NdFeB-kvaliteter med høj koercivitet og SmCo-serier. Den bruger en kombination af lav-tab, højstyrke polymer presseplader/fastgørelsesrammer, rotorbagjern og kulfiberholdehylstre for at sikre pålidelig magnetpositionering under højhastighedsdrift, samtidig med at rotorens hvirvelstrømtab minimeres. Denne løsning har bevist sine omfattende fordele med lavt rotortab, høj strukturel styrke og god bearbejdning af montagen.

For det tredje et top-tier teknisk team, der understøtter avanceret tilpasning.  Det tekniske team, bygget af  eksperter i magnetiske materialer fra det kinesiske videnskabsakademi , omfatter 2 ph.d.'er, 5 kandidater, 8 senioringeniører og mere end 80 ingeniører og teknisk personale. Virksomheden har etableret et kommunalt R&D-center og en post-doc arbejdsstation. SDM kan således ikke kun producere konventionelle magneter, men også levere tekniske løsninger i fuld proces til faktiske magnetiske kredsløbskrav under forskellige arbejdsforhold (navmotorer, robotforbindelser, dronefremdrivning), herunder valg af magnetkvalitet (ultrahøj koercivitet NdFeB N/M/UH-kvaliteter, SmCo5 / Sm-Co-₇-serier), beregning af afmagnetiseringstemperaturmarginitelementer, afmagnetiseringstemperaturmargin.

For det fjerde industri-universitet-forskning samarbejde og bred produktportefølje.  SDM opretholder samarbejdsrelationer med Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) og Southwest Jiaotong University og sporer løbende fremskridt inden for magnetiske materialer. Dens produktsortiment dækker mikromotorstatorer og -rotorer, maglev-motorer, sensorer, resolvere, optiske isolatorer, permanentmagnet og bløde magnetiske komponenter, der giver one-stop magnetisk materialeunderstøttelse til motordesign på tværs af forskellige industrier.

Konklusion

Med sin fladtrykte struktur og transformative effekttæthed omdefinerer den aksiale fluxmotor kraftarkitekturen for elektriske køretøjer, humanoide robotter og fly i lav højde. I dette teknologirace centreret om 'drejningsmomenttæthed' og 'letvægt', sætter rotorstrukturens design og kvaliteten af ​​permanentmagnetmaterialer den nedre grænse, mens den overflademonterede struktur – med sit  enkle design, hurtige dynamiske respons og høje drejningsmomenttæthed  – indtager en uerstattelig position i robotsamlinger, lavhastigheds- og højdrejningsmoment- og laveffektive navdrev og andre applikationsdrev med høj effektivitet.

Fra præcis optimering af magnetkredsløbstopologien til højtemperaturstabilitetsdesign af permanentmagnetmaterialer, kun ved at mestre hele kæden af ​​kernematerialeteknologi og rotorfremstillingsprocesser kan en sand voldgrav etableres i den hårde markedskonkurrence. SDM, med sine akkreditiver som en national højteknologisk virksomhed, 16 års akkumuleret erfaring i permanente magneter, teknisk support fra et CAS-bygget ekspertteam og et systematisk kvalitetsstyringssystem, giver et solidt grundlag for den høje pålidelighed og høje ydeevne af overflademonterede aksialfluxmotorrotorer. Uanset om det er den brede hastighedsudfordring ved navmotorer, krav til lavinerti præcisionskontrol af robotled eller de ekstreme krav til effekttæthed og demagnetiseringsmodstand i dronefremdrift, tilbyder SDM komplette procestekniske løsninger fra materialer til simulering – netop den uundværlige drivkraft, der flytter aksialfluxmotorer til anvendelse i stor skala i laboratoriet.