Põhipunktid aksiaalvoomootori rootori valimisel erinevates töötingimustes – rummumootorid, robotliigendid, drooni tõukejõud

Sissejuhatus: paradigma nihe 'silindrist' plaadile '

Kui inimesed mõtlevad elektrimootoritele, näevad enamik ette pikka silindrit, kus staator ümbritseb rootorit ja magnetväli levib radiaalselt. Seda tavapärast kuju trotsiv mootor juhib aga uut tehnoloogilist revolutsiooni – aksiaalvoo mootor . See surub staatori ja rootori peaaegu tasaseks kettaks, mis on sama kompaktne kui võileivaküpsis.

Selle lameda revolutsiooni tuum seisneb magnetilise tee suuna fundamentaalses muutuses. Traditsioonilises radiaalvoomootoris kiirgab magnetväli teljest väljapoole; aksiaalvoomootoris kulgeb magnetväli teljega paralleelselt, staator ja rootor on kettakujuliselt vastamisi. See nihe toob kaasa hämmastavaid jõudluse eeliseid:  sama materjalikasutuse korral on aksiaalvoomootori pöördemoment võrdeline rootori läbimõõdu kuubikuga (tavalise radiaalmootori puhul on see vaid läbimõõdu ruut), saavutades pöördemomendi tiheduse 2–3-kordse tõusu ja efektiivsuse üle 96%.  Samal ajal on selle teljesuunaline pikkus vaid 1/3 kuni 1/2 tavalise mootori omast, sama võimsuse juures väheneb maht enam kui 50% ja kaal ligikaudu 40–50%.

Aksiaalvoomootorites nii suure võimsustiheduse ja pöördemomenditiheduse saavutamise võti peitub rootori konstruktsiooni leidlikus disainis. Erinevad rakendusstsenaariumid kehtestavad erinevad jõudlusnõuded ning rootori magnetahela struktuuri, püsimagneti materjali ja topoloogia valik määrab sageli otseselt kindlaks, kas mootor suudab oma eeliseid täielikult realiseerida. See artikkel algab kolme tüüpilise rakendusstsenaariumiga – rummumootorid, roboti liigendid ja drooni tõukejõud – ning analüüsib süstemaatiliselt rootori valiku põhipunkte.

1. Rummu mootorid: kompromiss pöördemomendi tiheduse ja laia kiirusvahemiku vahel

Rummu mootorid on paigaldatud ratta velje sisse, kus ruumi on äärmiselt vähe – see on peamine disainipiirang. Need peavad samaaegselt tagama suure pöördemomenditiheduse (stardiks ja ronimiseks), laia kiirusvahemiku (madala kiirusega roomamisest kuni suure kiirusega sõitmiseni) ja hea soojuse hajumise võime.

Rootori konstruktsiooni valikul kasutatakse rummumootorites tavaliselt  pinnale paigaldatavaid ja kodaratega (sisemisi) tüüpe , millest igaühel on erinevad disainiprioriteedid. Pinnale paigaldatavad püsimagnetid kinnitatakse otse rootori südamiku pinnale, pakkudes lihtsat struktuuri, suurt õhupilu voo tihedust ja sobivust rakendustele, mis taotlevad ülimat võimsustihedust. Suure läbimõõduga rootori kiire pöörlemine tekitab aga tohutu tsentrifugaaljõu, mistõttu on pinnapealsete magnetite kinnitamiseks vaja kinnitushülsi. See nõuab ülitugevaid mittemagnetilisi materjale ja hülss ise suurendab õhuvahet, vähendades seeläbi väljundit.

Rootori sees on kodaratüüpi (sisemised) püsimagnetid. Voolu kontsentratsiooni kaudu parandavad need märkimisväärselt pöördemomendi tihedust ja voogu nõrgendavat kiiruse pikendamise võimet. Näiteks Jiangsu ülikooli projekteeritud STAF-PMSM kodaratüüpi rummumootor kasutab kahe rootori struktuuri, et suurendada õhupilu ergastusala, saavutades vookontsentratsiooni ergastuse. Selle maksimaalne pöördemoment on 280 N·m ja maksimaalne võimsus 15 kW, mistõttu sobib see hajutatud rattaveoga uutele energiasõidukitele. Lisaks kaitseb sisemine struktuur tõhusalt püsimagneteid otsese kokkupuute eest kõrge temperatuuri ja mehaanilise mõju eest, ületades magneti eraldumise ohu, millega pindpaigaldatud tüübid suurel kiirusel kokku puutuvad.

Soojusjuhtimine on rummumootorite jaoks veel üks põhiprobleem. Suure võimsusega töötamisel on elektromagnetkaod kontsentreeritud ja jahutustingimused on halvad. See nõuab tõhusa jahutuse saavutamiseks täpset termilist modelleerimist, mis põhineb kadude analüüsil. Praegu parandab kahe staatoriga ühe rootoriga aksiaalvoomootor (AFIR) võimsustihedust, suurendades kahe staatoriga elektrilist koormust, samas kui ikketa aksiaalvoo mootor (YASA) kõrvaldab staatori ikke, et vähendada rauakadusid, alandades soojuskoormust, parandades samal ajal tõhusust ja pöördemomendi tihedust.

Üldiselt peab rummumootorite rootori valik tasakaalustama  pöördemomendi tiheduse, kiiruse pikendamise võime ja töökindluse . Madala kiirusega suure pöördemomendi nõudmisel eelistatakse pinnapealseid või kodaratüüpi konstruktsioone, kuid kui on vaja laia kiirusvahemikku, on kodaratüüp sobivam oma voo kontsentratsiooni ja voo nõrgendamise võime tõttu.

2. Robotliigendid: madala inertsi ja täppisjuhtimise kaks nõuet

Robotliigendid nõuavad rummumootoritelt selgelt erinevaid omadusi. Suurtes liigestes, nagu puusad, taljed ja jalad, on põhinõuded suur pöördemoment ja äärmine kerge kaal – võrreldes traditsiooniliste radiaalmootoritega võivad aksiaalvoomootorid nendes stsenaariumides vähendada ruumi hõivatust 30–60% ja kaalu rohkem kui 30%, mõnede konstruktsioonide puhul ulatudes 60–70%. Väikestes liigestes, nagu randmed ja sõrmed, muutuvad täpsus ja madal inerts prioriteetseks.

Pöördemomendi ja inertsi suhe  on roboti liigendmootorite peamine disainiparameeter. Uuringud näitavad, et aksiaalvoomootori pöördemoment on võrdeline rootori läbimõõdu kuubikuga, mis tähendab, et tasandatud liigendi kompaktses ruumis on võimalik saavutada ülikõrge pöördemomendi väljund madalal kiirusel, samas kui õhukese ketta konstruktsiooni saab sisestada otse liigendisse ja see lihtsustab soojuse hajumist.

Rootori valikul eelistavad roboti liigendid pinnale paigaldatavaid konstruktsioone või Halbachi massiive. Pinnapealne konstruktsioon oma väikese rootori kadu ja väikese inertsmomendiga võimaldab  kiiremat dünaamilist reageerimist  – kiirenduse reaktsiooniaega saab vähendada 15 ms-lt 5–8 ms-le, mis on ülioluline kiiret käivitamist/seiskamist ja täpset positsioneerimist nõudvate roboti liikumiste puhul. Spetsiifilise magnetiseerimissuuna mustri kaudu suurendab Halbachi massiiv magnetvälja ühel küljel, samal ajal peaaegu tühistades selle teisel küljel, võimaldades rootori südamiku kõrvaldada ja veelgi vähendada rootori inertsi ja kadusid.

Magnetahela disain ja püsimagnetmaterjalide valik nõuavad samuti täpset juhtimist. Aksiaalvoomootorites kasutatakse rõngakujulist magneti paigutust, mis lühendab magnetilise tee pikkust ja suurendab pöördemomendi tihedust võrreldes traditsiooniliste radiaalvoomootorite radiaalse paigutusega. Kuna robotliigendid sisaldavad sageli reduktoreid või isegi kvaasi-otseajami (QDD) skeeme, on vaja suuremat koertsitiivsust ja termilist stabiilsust. Kui kulud lubavad, võivad suure koertsitiivsusega klassid raskete haruldaste muldmetallidega, nagu düsproosium ja terbium, tõhusalt ära hoida demagnetiseerumist pöördmagnetväljadest töö ajal.

Miniatuursete ühenduste puhul vahemikus 16–18 mm on PCB-tüüpi aksiaalvoomootoritel ainulaadsed eelised. Kasutades traditsiooniliste vaskmähiste asemel söövitamist, pakuvad need kõrget tootmiskonsistentsi, madalat rauakadu ja äärmiselt kerget kaalu.

3. Drooni tõukejõud: võimsustiheduse ja termilise demagnetiseerimise vastupidavuse äärmuslikud väljakutsed

Drooni jõusüsteemid seisavad silmitsi põhimõttelise vastuoluga:  iga lisagramm vähendab lennuaega ja iga temperatuuri tõus vähendab võimsust . Andmed näitavad, et aksiaalvoomootori puhul, mille tõukejõu ja massi suhe ületab 25:1, võib massi vähendamine 1 kg võrra suurendada ulatust umbes 10 km võrra. Seetõttu on kergekaalulisus ja suur võimsustihedus drooni tõukejõumootorite esmased disainikriteeriumid.

Võimsuse tiheduse osas on aksiaalsetel voomootoritel drooni tõukejõus ülekaalukad eelised. Nende mahuline võimsustihedus võib ulatuda  14,9 kW/kg-ni , mis ületab tunduvalt traditsiooniliste radiaalmootorite oma. Mõõdetud võimsustihedused jäävad vahemikku  5,8–21 kW/kg , pöördemomenditihedusega  15–25 Nm/kg . Uusim 'Yufeng' T-seeria aksiaalvoo tõukejõusüsteem saavutab pideva võimsustiheduse 10 Nm/kg ja pöördemomendi tipptiheduse 20 Nm/kg, mistõttu sobib see hästi otseveojõuga tõukejõuks arenenud õhusõidukites, nagu mehitatud eVTOL ja liittiibadega droonid.

Lisaks võimsustihedusele on droonide tõukemootoritel kõrge temperatuuriga keskkondades ka demagnetiseerumise oht. Lennu ajal töötavad mootorid suure võimsusega pikka aega, põhjustades mähiste ja püsimagnetite kiiret temperatuuritõusu. Kui missioone viiakse läbi suvises kuumuses või kõrbepiirkondades, tekitab ümbritseva õhu temperatuuri ja isekuumenemise kombinatsioon püsimagnetitele tõsiseid demagnetiseerimisprobleeme.

Püsimagnetmaterjalide valik mõjutab otseselt droonimootorite töökindlust kõrgel temperatuuril.  Levinud püsimagnetmaterjalidest pakub kõrgeimat magnetilist jõudlust neodüüm-raud-boor (NdFeB), kuid standardklasside (N-seeria) maksimaalne töötemperatuur on vaid 80–100 °C ja üle 200 °C võib tekkida pöördumatu magnetkadu. Kõrge koertsitiiviga NdFeB klassid (SH, UH, EH, AH seeriad) võivad töötada kuni 150–240 °C, kuid nende kõrge temperatuuri stabiilsus on siiski halvem kui samarium-koobalt (SmCo). SmCo magnetid võivad töötada stabiilselt temperatuuril üle  300 °C , Curie temperatuur ületab 720 °C ja nende magnetilised omadused varieeruvad ainult 1/4–1/3 NdFeB temperatuurist. Puuduseks on veidi madalam magnetenergia toode ja kõrgem hind. Tarbedroonide jaoks piisab enamiku vajaduste jaoks suure jõudlusega NdFeB-st; kuid tööstuslike droonide ja mehitatud eVTOL-i jaoks kõrgel temperatuuril ja suure võimsusega tingimustes on SmCo – vaatamata oma kuludele – töökindluse tagamiseks vajalik valik.

4. Rootoritüüpide kiire ülevaade: pinnale paigaldatava ja sisemuse võrdlus

Ülaltoodud analüüsi põhjal on aksiaalvoomootorite peamised rootori struktuuritüübid kokku võetud järgmises tabelis:

5. SDM: pindpaigaldatavate aksiaalvoomootori rootorite võtmedraiver

Pärast kolme peamise stsenaariumi võtmerootori valikupunktide analüüsimist jõuame põhielemendini –  suure jõudlusega püsimagnetite ja pindpaigaldatud rootorikonstruktsioonide insenerivõimekuseni . Just siin peituvad SDM-i tehnilised eelised.

SDM on magnetitele ja magnetlahendustele keskenduv riiklik kõrgtehnoloogiline ettevõte, millel on 16-aastane professionaalse magneti tootmise kogemus. Ettevõttel on strateegiline koostöö Hiina suurima haruldaste muldmetallide kaevandusettevõttega China Aluminium, mis tagab haruldaste muldmetallide tooraine stabiilse ja turvalise tarnimise. Samal ajal viib SDM läbi põhjalikke koostööuuringuid  Hiina Teaduste Akadeemiaga  ja teeb klientidega koostööd lõplike elementide analüüsi (FEA) kallal, pakkudes täpset simulatsioonituge juba magnetahela disaini algusest peale, lühendades seeläbi arendustsükleid ja vähendades katse-eksituse kulusid.

Pinnale paigaldatavate aksiaalvoomootori rootorite valdkonnas pakub SDM süstemaatilisi tootmis- ja disainieeliseid:

Esiteks terviklik tootmissüsteem kõrgetasemeliste sertifikaatidega.  Ettevõttel on IATF 16949 (autode kvaliteedijuhtimissüsteem), tal on alates 2010. aastast General Motorsi 2. taseme tarnija null-defekti (0 PPM) rekord ning tal on ka ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, süsiniku jalajälg ja BSCI sertifikaadid. Selle tooted vastavad RoHS-i, REACH-i ja SGS-i testimisnõuetele. See tähendab, et iga püsimagnetite partii läbib range kvaliteedikontrolli alates tooraine jälgitavusest kuni valmistoote saatmiseni.

Teiseks küps integreeritud protsessitehnoloogia pindpaigaldatud rootorkonstruktsioonide jaoks.  Aksiaalvoomootoris peab pinnale paigaldatud püsimagnetrootori ketas lahendama samaaegselt kolm peamist tehnilist raskust:  magnetite ülitugev fikseerimine, stabiilsus suurel kiirusel ja valmistatavus/monteeritavus . SDM pakub erinevaid magnetilisi materjale, sealhulgas suure koertsitsiivse NdFeB klassi ja SmCo seeriat. See kasutab väikese kadudega ülitugevate polümeerist pressplaatide/kinnitusraamide, rootori tagaraudade ja süsinikkiust kinnitushülsside kombinatsiooni, et tagada magneti usaldusväärne positsioneerimine suurel kiirusel töötades, minimeerides samal ajal rootori pöörisvoolukadusid. See lahendus on tõestanud oma kõikehõlmavaid eeliseid, milleks on madal rootori kadu, suur konstruktsiooni tugevus ja hea montaaži töödeldavus.

Kolmandaks tipptasemel tehniline meeskond, kes toetab tipptasemel kohandamist.  koostatud tehnilisse meeskonda  Hiina Teaduste Akadeemia magnetmaterjalide ekspertide kuulub 2 doktorikraadi, 5 magistrikraadi omanikku, 8 vaneminseneri ning enam kui 80 inseneri- ja tehnilist personali. Ettevõte on rajanud omavalitsuse teadus- ja arenduskeskuse ning järeldoktorantuuri. Seega ei saa SDM mitte ainult toota tavalisi magneteid, vaid pakkuda ka täisprotsessi tehnilisi lahendusi tegelike magnetahelate nõuete jaoks erinevates töötingimustes (rummu mootorid, roboti liigendid, drooni tõukejõud), sealhulgas magnetiklassi valik (ülikõrge koertsitiivsusega NdFeB N/M/UH klassid, SmCo5 / Sm-Co-₇ elemendid, simulatsiooni ja finiidi temperatuuri marginaali arvutamine).

Neljandaks, tööstuse, ülikooli ja teadustöö koostöö ning lai tooteportfell.  SDM säilitab koostöösuhteid Ningbo Materjalitehnoloogia ja Inseneriteaduse Instituudi (CAS) ja Southwest Jiaotongi ülikooliga, jälgides pidevalt magnetmaterjalide arengut. Selle tootevalik hõlmab mikromootori staatoreid ja rootoreid, maglev-mootoreid, andureid, lahusteid, optilisi isolaatoreid, püsimagneteid ja pehmeid magnetkomponente, pakkudes ühest kohast magnetmaterjalide tuge mootorikonstruktsioonide jaoks erinevates tööstusharudes.

Järeldus

Oma lameda struktuuri ja transformatiivse võimsustihedusega määratleb aksiaalne voomootor uuesti elektrisõidukite, humanoidrobotite ja madala kõrgusega lennukite võimsusarhitektuuri. Sellel tehnoloogiavõistlusel, mille keskmes on 'pöördemomendi tihedus' ja 'kergekaalus', seavad rootori konstruktsiooni konstruktsioon ja püsimagnetmaterjalide kvaliteet madalamaks piiriks, samal ajal kui pindpaigaldatud konstruktsioon oma  lihtsa disaini, kiire dünaamilise reaktsiooni ja suure pöördemomenditihedusega  asendamatul positsioonil robotliigendites, madala kiirusega suure pöördemomendiga ajamite ja muudes madala pöördemomendiga ajamites ja muudes rakendustes.

Alates magnetahela topoloogia täpsest optimeerimisest kuni püsimagnetmaterjalide kõrge temperatuuri stabiilsuse kujundamiseni saab karmis turukonkurentsis luua tõelise vallikraavi ainult põhimaterjalide tehnoloogia ja rootori tootmisprotsesside täieliku ahela valdamisega. SDM, millel on riikliku kõrgtehnoloogilise ettevõtte volitused, 16-aastane kogunenud kogemus püsimagnetite vallas, tehniline tugi CAS-i ehitatud ekspertmeeskonnalt ja süstemaatiline kvaliteedijuhtimissüsteem, loob kindla aluse pindpaigaldatud aksiaalvoomootori rootorite kõrgele töökindlusele ja suurele jõudlusele. Olgu selleks rummumootorite laia kiirusvahemiku väljakutse, robotliidete väikese inertsiga täppisjuhtimise nõuded või drooni tõukejõu võimsustiheduse ja demagnetiseerimistakistuse äärmuslikud nõuded, SDM pakub täisprotsesse hõlmavaid insenertehnilisi lahendusi materjalidest simulatsioonini – just asendamatut liikumapanevat jõudu, mis liigutab aksiaalvoomootoreid rakenduslaborist suuremahulistesse.