Wichtige Punkte für die Rotorauswahl von Axialflussmotoren unter verschiedenen Betriebsbedingungen – Nabenmotoren, Robotergelenke, Drohnenantrieb

Einführung: Paradigmenwechsel vom „Zylinder“ zur „Scheibe“

Wenn man an Elektromotoren denkt, stellen sich die meisten einen langen Zylinder vor, bei dem der Stator den Rotor umschließt und sich das Magnetfeld radial ausbreitet. Ein Motor, der sich dieser herkömmlichen Form widersetzt, treibt jedoch eine neue technologische Revolution voran – den Axialflussmotor . Es komprimiert Stator und Rotor zu einer nahezu flachen Scheibe, so kompakt wie ein Sandwichkeks.

Der Kern dieser Abflachungsrevolution liegt in einer grundlegenden Änderung der magnetischen Pfadrichtung. Bei einem herkömmlichen Radialflussmotor strahlt das Magnetfeld von der Achse nach außen; Bei einem Axialflussmotor verläuft das Magnetfeld parallel zur Achse, wobei Stator und Rotor scheibenförmig einander gegenüberstehen. Diese Verschiebung bringt erstaunliche Leistungsvorteile mit sich:  Bei gleichem Materialeinsatz ist das Drehmoment eines Axialflussmotors proportional zur dritten Potenz des Rotordurchmessers (während es bei einem herkömmlichen Radialmotor nur dem Quadrat des Durchmessers entspricht), wodurch eine Steigerung der Drehmomentdichte um das Zwei- bis Dreifache und ein Wirkungsgrad von über 96 % erreicht werden.  Gleichzeitig beträgt seine axiale Länge nur 1/3 bis 1/2 der eines herkömmlichen Motors, wobei das Volumen um mehr als 50 % und das Gewicht bei gleicher Leistung um etwa 40–50 % reduziert werden.

Der Schlüssel zum Erreichen einer solch hohen Leistungsdichte und Drehmomentdichte bei Axialflussmotoren liegt in der ausgeklügelten Konstruktion der Rotorstruktur. Unterschiedliche Anwendungsszenarien stellen unterschiedliche Leistungsanforderungen, und die Auswahl der Struktur des Rotormagnetkreises, des Permanentmagnetmaterials und der Topologie bestimmt oft direkt, ob der Motor seine Vorteile voll ausschöpfen kann. Dieser Artikel beginnt mit drei typischen Anwendungsszenarien – Nabenmotoren, Robotergelenken und Drohnenantrieb – und analysiert systematisch die Kernpunkte der Rotorauswahl.

1. Nabenmotoren: Kompromiss zwischen Drehmomentdichte und großem Drehzahlbereich

Nabenmotoren werden im Inneren der Radfelge eingebaut, wo der Platz äußerst begrenzt ist – dies ist die wichtigste Designbeschränkung. Sie müssen gleichzeitig eine hohe Drehmomentdichte (zum Anfahren und Steigen), einen großen Geschwindigkeitsbereich (vom Kriechgang bei niedriger Geschwindigkeit bis zum Fahren mit hoher Geschwindigkeit) und eine gute Wärmeableitungsfähigkeit bieten.

Im Hinblick auf die Auswahl der Rotorstruktur werden bei Nabenmotoren häufig  oberflächenmontierte und Speichenmotoren (innen) verwendet , die jeweils unterschiedliche Designprioritäten aufweisen. Oberflächenmontierte Permanentmagnete werden direkt an der Oberfläche des Rotorkerns angebracht und bieten eine einfache Struktur, eine hohe Luftspaltflussdichte und Eignung für Anwendungen, die höchste Leistungsdichte anstreben. Allerdings erzeugt die Hochgeschwindigkeitsrotation eines Rotors mit großem Durchmesser eine enorme Zentrifugalkraft, die eine Haltehülse zur Befestigung der oberflächenmontierten Magnete erfordert. Dies erfordert hochfeste, nicht magnetische Materialien, und die Hülse selbst vergrößert den Luftspalt und reduziert dadurch die Leistung.

Im Inneren des Rotors sind speichenartige (innenliegende) Permanentmagnete eingebettet. Durch die Konzentration des Flusses verbessern sie die Drehmomentdichte und die Fähigkeit zur Geschwindigkeitserweiterung bei Schwächung des Flusses erheblich. Beispielsweise verwendet der von der Universität Jiangsu entwickelte Speichennabenmotor STAF-PMSM eine Doppelrotorstruktur, um die Luftspalt-Anregungsfläche zu vergrößern und so eine Anregung der Flusskonzentration zu erreichen. Es liefert ein maximales Drehmoment von 280 N·m und eine maximale Leistung von 15 kW und eignet sich somit für Fahrzeuge mit verteilter Allradantrieb-Technologie. Darüber hinaus schützt die Innenstruktur die Permanentmagnete wirksam vor direkter Einwirkung von hohen Temperaturen und mechanischen Stößen und vermeidet so das Risiko einer Magnetablösung, die bei oberflächenmontierten Typen bei hohen Geschwindigkeiten auftritt.

Das Wärmemanagement ist eine weitere zentrale Herausforderung für Nabenmotoren. Bei Betrieb mit hoher Leistung konzentrieren sich die elektromagnetischen Verluste und die Kühlbedingungen sind schlecht. Dies erfordert eine genaue thermische Modellierung auf der Grundlage einer Verlustanalyse, um eine effektive Kühlung zu erreichen. Derzeit verbessert der Dual-Stator-Einzelrotor-Axialflussmotor (AFIR) die Leistungsdichte, indem er die elektrische Belastung mit zwei Statoren erhöht, während der jochlose Axialflussmotor (YASA) das Statorjoch eliminiert, um den Eisenverlust zu reduzieren, die thermische Belastung zu senken und gleichzeitig den Wirkungsgrad und die Drehmomentdichte zu verbessern.

Insgesamt muss die Rotorauswahl für Nabenmotoren ein Gleichgewicht zwischen  Drehmomentdichte, Geschwindigkeitserweiterungsfähigkeit und Zuverlässigkeit gewährleisten . Für Anforderungen bei niedrigen Drehzahlen und hohem Drehmoment werden oberflächenmontierte Strukturen oder Speichenstrukturen bevorzugt. Wenn jedoch ein großer Geschwindigkeitsbereich benötigt wird, ist der Speichentyp aufgrund seiner Flusskonzentration und der Fähigkeit zur Flussschwächung besser geeignet.

2. Robotergelenke: Doppelte Anforderungen an geringe Trägheit und Präzisionssteuerung

Robotergelenke verlangen deutlich andere Eigenschaften als Nabenmotoren. Bei großen Gelenken wie Hüfte, Taille und Beinen sind ein hohes Drehmoment und extremes Leichtgewicht die Kernanforderungen – im Vergleich zu herkömmlichen Radialmotoren können Axialflussmotoren in diesen Szenarien den Platzbedarf um 30–60 % und das Gewicht um mehr als 30 % reduzieren, wobei einige Designs sogar 60–70 % erreichen. Bei kleinen Gelenken wie Handgelenken und Fingern haben Präzision und geringe Trägheit höhere Priorität.

Das Drehmoment-Trägheits-Verhältnis  ist ein wichtiger Konstruktionsparameter für Robotergelenkmotoren. Untersuchungen zeigen, dass das Drehmoment eines Axialflussmotors proportional zur dritten Potenz des Rotordurchmessers ist, was bedeutet, dass im kompakten Raum einer abgeflachten Verbindung eine extrem hohe Drehmomentabgabe bei niedriger Drehzahl erreicht werden kann, während die dünne Scheibenstruktur direkt in die Verbindung eingebettet werden kann und die Wärmeableitung vereinfacht.

Bei der Rotorauswahl bevorzugen Robotergelenke oberflächenmontierte Strukturen oder Halbach-Arrays. Die oberflächenmontierte Struktur mit geringem Rotorverlust und geringem Trägheitsmoment ermöglicht  eine schnellere dynamische Reaktion  – die Beschleunigungsreaktionszeit kann von 15 ms auf 5–8 ms reduziert werden, was für Roboterbewegungen, die einen schnellen Start/Stopp und eine präzise Positionierung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist. Ein Halbach-Array verstärkt durch ein spezifisches Magnetisierungsrichtungsmuster das Magnetfeld auf einer Seite, während es es auf der anderen Seite nahezu aufhebt, was den Wegfall des Rotorkerns ermöglicht und die Trägheit und Verluste des Rotors weiter reduziert.

Das Design des Magnetkreises und die Auswahl des Permanentmagnetmaterials erfordern ebenfalls eine präzise Steuerung. Axialflussmotoren verwenden eine ringförmige Magnetanordnung, die im Vergleich zur radialen Anordnung herkömmlicher Radialflussmotoren die magnetische Pfadlänge verkürzt und die Drehmomentdichte erhöht. Da Robotergelenke häufig Reduzierstücke oder sogar Quasi-Direktantriebssysteme (QDD) umfassen, sind außerdem eine höhere Koerzitivfeldstärke und thermische Stabilität erforderlich. Wenn es die Kosten zulassen, können Sorten mit hoher Koerzitivkraft und schweren seltenen Erden wie Dysprosium und Terbium die Entmagnetisierung durch umgekehrte Magnetfelder während des Betriebs wirksam verhindern.

Bei Miniaturgelenken im Bereich von 16–18 mm zeigen Axialflussmotoren in Leiterplattenbauweise einzigartige Vorteile. Durch die Verwendung von Ätzverfahren anstelle herkömmlicher Kupferwicklungen bieten sie eine hohe Fertigungskonsistenz, einen geringen Eisenverlust und ein extremes Leichtgewicht.

3. Drohnenantrieb: Extreme Herausforderungen hinsichtlich Leistungsdichte und Widerstandsfähigkeit gegen thermische Entmagnetisierung

Drohnenantriebssysteme stehen vor einem grundlegenden Widerspruch:  Jedes zusätzliche Gramm Gewicht verkürzt die Flugzeit und jedes Grad Temperaturanstieg verringert die Leistung . Daten zeigen, dass bei einem Axialflussmotor mit einem Schub-Gewichts-Verhältnis von mehr als 25:1 eine Reduzierung der Masse um 1 kg die Reichweite um etwa 10 km erhöhen kann. Daher sind geringes Gewicht und hohe Leistungsdichte die wichtigsten Designkriterien für Drohnenantriebsmotoren.

Hinsichtlich der Leistungsdichte zeigen Axialflussmotoren beim Drohnenantrieb überwältigende Vorteile. Ihre volumetrische Leistungsdichte kann  14,9 kW/kg erreichen und liegt damit weit über der herkömmlicher Radialmotoren. Die gemessenen Leistungsdichten liegen zwischen  5,8 und 21 kW/kg , die Drehmomentdichten zwischen  15 und 25 Nm/kg . Das neueste Axialflussantriebssystem der T-Serie von „Yufeng“ erreicht eine kontinuierliche Leistungsdichte von 10 Nm/kg und eine Spitzendrehmomentdichte von 20 Nm/kg und eignet sich damit gut für den Direktantriebsantrieb in fortschrittlichen Flugzeugen wie bemannten eVTOL und Verbundflügeldrohnen.

Über die Leistungsdichte hinaus besteht bei Drohnenantriebsmotoren auch das Risiko der Entmagnetisierung in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Während des Fluges arbeiten die Motoren über längere Zeiträume mit hoher Leistung, was zu einem schnellen Temperaturanstieg in Wicklungen und Permanentmagneten führt. Wenn Missionen in Sommerhitze oder Wüstengebieten durchgeführt werden, stellt die Kombination aus Umgebungstemperatur und Selbsterhitzung große Herausforderungen bei der Entmagnetisierung der Permanentmagnete dar.

Die Auswahl des Permanentmagnetmaterials wirkt sich direkt auf die Hochtemperaturzuverlässigkeit von Drohnenmotoren aus.  Unter den gängigen Permanentmagnetmaterialien bietet Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) die höchste magnetische Leistung, Standardgüten (N-Serie) haben jedoch eine maximale Betriebstemperatur von nur 80–100 °C, und oberhalb von 200 °C kann es zu irreversiblen magnetischen Verlusten kommen. NdFeB-Sorten mit hoher Koerzitivkraft (Serie SH, UH, EH, AH) können bis zu 150–240 °C betrieben werden, ihre Hochtemperaturstabilität ist jedoch immer noch schlechter als die von Samarium-Kobalt (SmCo). SmCo-Magnete können stabil über  300 °C arbeiten , wobei die Curie-Temperatur 720 °C übersteigt, und ihre magnetischen Eigenschaften variieren nur 1/4–1/3 so stark wie die von NdFeB mit der Temperatur. Die Nachteile sind ein etwas geringeres magnetisches Energieprodukt und höhere Kosten. Für Verbraucherdrohnen ist Hochleistungs-NdFeB für die meisten Anforderungen ausreichend; Aber für Industriedrohnen und bemannte eVTOL unter Hochtemperatur- und Hochleistungsbedingungen ist SmCo – trotz seiner Kosten – eine notwendige Wahl für Zuverlässigkeit.

4. Kurzer Überblick über Rotortypen: Vergleich von oberflächenmontierten Rotoren und Innenrotoren

Basierend auf der obigen Analyse werden die wichtigsten Rotorstrukturtypen für Axialflussmotoren in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

5. SDM: Ein wichtiger Treiber für oberflächenmontierte Rotoren von Axialflussmotoren

Nach der Analyse der wichtigsten Rotorauswahlpunkte für die drei Hauptszenarien kommen wir zu einem Kernelement –  ​​der technischen Fähigkeit für Hochleistungspermanentmagnete und oberflächenmontierte Rotorstrukturen . Genau hier liegen die technischen Vorteile von SDM.

SDM ist ein nationales High-Tech-Unternehmen mit Schwerpunkt auf Magneten und Magnetlösungen mit 16 Jahren Erfahrung in der professionellen Magnetproduktion. Das Unternehmen unterhält eine strategische Kooperation mit China Aluminium, dem größten Bergbauunternehmen für Seltene Erden in China, um eine stabile und sichere Versorgung mit Rohstoffen für Seltene Erden zu gewährleisten. Gleichzeitig führt SDM eine umfassende gemeinsame Forschung mit der  Chinesischen Akademie der Wissenschaften durch  und arbeitet mit Kunden an der Finite-Elemente-Analyse (FEA) und bietet so von Anfang an beim Entwurf magnetischer Schaltkreise präzise Simulationsunterstützung, wodurch Entwicklungszyklen verkürzt und Versuch-und-Irrtum-Kosten gesenkt werden.

Im Bereich der oberflächenmontierten Rotoren von Axialflussmotoren bietet SDM systematische Fertigungs- und Designvorteile:

Erstens ein komplettes Produktionssystem mit hochrangigen Zertifizierungen.  Das Unternehmen ist nach IATF 16949 (Qualitätsmanagementsystem für die Automobilindustrie) zertifiziert, hat als Tier-2-Lieferant von General Motors seit 2010 einen Null-Fehler-Rekord (0 PPM) und verfügt außerdem über ISO 9001-, ISO 14001-, ISO 45001-, CO2-Fußabdruck- und BSCI-Zertifizierungen. Seine Produkte entsprechen den Prüfanforderungen von RoHS, REACH und SGS. Das bedeutet, dass jede Charge von Permanentmagneten einer strengen Qualitätskontrolle unterzogen wird, von der Rückverfolgbarkeit des Rohmaterials bis zum Versand des fertigen Produkts.

Zweitens ausgereifte integrierte Prozesstechnologie für oberflächenmontierte Rotorstrukturen.  In einem Axialflussmotor muss eine oberflächenmontierte Permanentmagnet-Rotorscheibe gleichzeitig drei große technische Schwierigkeiten lösen:  hochfeste Befestigung der Magnete, Stabilität bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb und Herstellbarkeit/Montage . SDM bietet verschiedene Optionen für magnetische Materialien, darunter NdFeB-Sorten mit hoher Koerzitivfeldstärke und SmCo-Serien. Es verwendet eine Kombination aus verlustarmen, hochfesten Polymer-Pressplatten/Befestigungsrahmen, Rotor-Hintereisen und Kohlefaser-Haltehülsen, um eine zuverlässige Magnetpositionierung bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu gewährleisten und gleichzeitig die Wirbelstromverluste des Rotors zu minimieren. Diese Lösung hat ihre umfassenden Vorteile wie geringe Rotorverluste, hohe Strukturfestigkeit und gute Verarbeitbarkeit bei der Montage unter Beweis gestellt.

Drittens ein erstklassiges technisches Team, das High-End-Anpassungen unterstützt.  Das technische Team besteht aus  Experten für magnetische Materialien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und besteht aus zwei Doktoranden, fünf Master-Absolventen, acht leitenden Ingenieuren und mehr als 80 Ingenieuren und Technikern. Das Unternehmen hat ein städtisches Forschungs- und Entwicklungszentrum und einen Postdoktorandenarbeitsplatz eingerichtet. Somit kann SDM nicht nur herkömmliche Magnete herstellen, sondern auch prozessübergreifende technische Lösungen für tatsächliche Magnetkreisanforderungen unter verschiedenen Arbeitsbedingungen (Nabenmotoren, Robotergelenke, Drohnenantrieb) bereitstellen, einschließlich der Auswahl der Magnetqualität (NdFeB N/M/UH-Qualitäten mit ultrahoher Koerzitivfeldstärke, SmCo5/Sm-Co-₇-Serie), Berechnung der Entmagnetisierungstemperaturspanne und Finite-Elemente-Simulation.

Viertens: Zusammenarbeit zwischen Industrie, Universität und Forschung und ein breites Produktportfolio.  SDM unterhält Kooperationsbeziehungen mit dem Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) und der Southwest Jiaotong University und verfolgt kontinuierlich Fortschritte bei magnetischen Materialien. Die Produktpalette umfasst Statoren und Rotoren für Mikromotoren, Magnetschwebemotoren, Sensoren, Resolver, optische Isolatoren, Permanentmagnet- und weichmagnetische Komponenten und bietet umfassende Unterstützung für magnetische Materialien für Motordesigns in verschiedenen Branchen.

Abschluss

Mit seiner abgeflachten Struktur und transformativen Leistungsdichte definiert der Axialflussmotor die Leistungsarchitektur von Elektrofahrzeugen, humanoiden Robotern und Tiefflugflugzeugen neu. In diesem Technologiewettlauf um „Drehmomentdichte“ und „Leichtbau“ setzen das Design der Rotorstruktur und die Qualität der Permanentmagnetmaterialien die Untergrenze, während die oberflächenmontierte Struktur – mit ihrem  einfachen Design, der schnellen dynamischen Reaktion und der hohen Drehmomentdichte  – eine unersetzliche Position in Robotergelenken, Nabenantrieben mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment und anderen Anwendungen einnimmt, die einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Trägheit erfordern.

Von der präzisen Optimierung der Magnetkreistopologie bis zum Hochtemperaturstabilitätsdesign von Permanentmagnetmaterialien – nur durch die Beherrschung der gesamten Kette der Kernmaterialtechnologie und Rotorherstellungsprozesse kann im harten Wettbewerb auf dem Markt ein echter Burggraben errichtet werden. SDM bietet mit seinen Referenzen als nationales High-Tech-Unternehmen, 16 Jahren gesammelter Erfahrung im Bereich Permanentmagnete, technischem Support durch ein CAS-Expertenteam und einem systematischen Qualitätsmanagementsystem eine solide Grundlage für die hohe Zuverlässigkeit und hohe Leistung von oberflächenmontierten Axialflussmotorrotoren. Ganz gleich, ob es sich um die Herausforderung eines breiten Drehzahlbereichs von Nabenmotoren, um die Präzisionssteuerungsanforderungen von Robotergelenken mit geringer Trägheit oder um die extremen Anforderungen an Leistungsdichte und Entmagnetisierungswiderstand beim Drohnenantrieb handelt, SDM bietet umfassende prozesstechnische Lösungen von den Materialien bis zur Simulation – genau die unverzichtbare Antriebskraft, die Axialflussmotoren vom Labor zur Großanwendung bringt.