نکات کلیدی برای انتخاب روتور موتور شار محوری تحت شرایط عملیاتی مختلف - موتورهای هاب، اتصالات ربات، پیشرانه پهپاد

مقدمه: تغییر پارادایم از 'سیلندر' به 'دیسک'

هنگامی که مردم به موتورهای الکتریکی فکر می کنند، اکثر آنها سیلندر بلندی را تصور می کنند که در آن استاتور روتور را محصور می کند و میدان مغناطیسی به صورت شعاعی منتشر می شود. با این حال، موتوری که این شکل متعارف را به چالش می کشد، یک انقلاب تکنولوژیکی جدید را به حرکت در می آورد موتور شار محوری . استاتور و روتور را به یک دیسک تقریباً مسطح فشرده می‌کند، به اندازه یک کوکی ساندویچی.

هسته این انقلاب مسطح در تغییر اساسی در جهت مسیر مغناطیسی نهفته است. در موتورهای شار شعاعی سنتی، میدان مغناطیسی از محور به سمت بیرون تابش می کند. در یک موتور شار محوری، میدان مغناطیسی به موازات محور جریان دارد و استاتور و روتور در یک آرایش دیسکی روبروی یکدیگر قرار دارند. این جابجایی مزایای عملکرد شگفت انگیزی را به همراه دارد:  با استفاده از مواد مشابه، گشتاور یک موتور شار محوری متناسب با مکعب قطر روتور است (در حالی که برای یک موتور شعاعی سنتی فقط مربع قطر است)، با دستیابی به افزایش چگالی گشتاور 2-3 برابر و بازدهی بیش از 96٪.  در عین حال، طول محوری آن تنها 1/3 تا 1/2 از یک موتور معمولی است، با کاهش حجم بیش از 50٪ و وزن تقریباً 40٪ - 50٪ با همان قدرت کاهش می یابد.

کلید دستیابی به چنین چگالی توان و چگالی گشتاور بالایی در موتورهای شار محوری در طراحی مبتکرانه ساختار روتور نهفته است. سناریوهای کاربردی مختلف الزامات عملکردی متمایزی را تحمیل می‌کنند و انتخاب ساختار مدار مغناطیسی روتور، مواد آهنربای دائمی و توپولوژی اغلب مستقیماً تعیین می‌کند که آیا موتور می‌تواند به طور کامل مزایای آن را درک کند. این مقاله با سه سناریو کاربردی معمولی – موتورهای هاب، مفاصل ربات و نیروی محرکه پهپاد – شروع می شود و به طور سیستماتیک نقاط اصلی انتخاب روتور را تجزیه و تحلیل می کند.

1. موتورهای هاب: معاوضه بین چگالی گشتاور و محدوده سرعت گسترده

موتورهای توپی در داخل رینگ چرخ نصب می شوند، جایی که فضا بسیار محدود است - این محدودیت طراحی اولیه است. آنها باید به طور همزمان چگالی گشتاور بالا (برای شروع و صعود)، محدوده سرعت گسترده (از خزیدن با سرعت پایین تا سرعت بالا) و قابلیت اتلاف گرما خوب را ارائه دهند.

از نظر انتخاب ساختار روتور، موتورهای هاب معمولاً  از انواع سطحی و پره ای (داخلی) استفاده می کنند که هر کدام دارای اولویت های طراحی متفاوتی هستند. آهنرباهای دائمی روی سطح مستقیماً به سطح هسته روتور متصل می شوند و ساختاری ساده، چگالی شار شکاف هوای بالا و مناسب بودن برای کاربردهایی که چگالی توان نهایی را دنبال می کنند ارائه می دهند. با این حال، چرخش با سرعت بالا یک روتور با قطر بزرگ، نیروی گریز از مرکز عظیمی ایجاد می‌کند که به یک آستین نگهدارنده برای محکم کردن آهنرباهای نصب شده روی سطح نیاز دارد. این به مواد غیر مغناطیسی با استحکام بالا نیاز دارد و خود آستین شکاف هوا را افزایش می دهد و در نتیجه خروجی را کاهش می دهد.

آهنرباهای دائمی از نوع اسپیکی (داخلی) در داخل روتور تعبیه شده است. از طریق غلظت شار، آنها به طور قابل توجهی چگالی گشتاور و قابلیت تضعیف شار را بهبود می بخشند. به عنوان مثال، موتور توپی از نوع STAF-PMSM که توسط دانشگاه جیانگسو طراحی شده است، از ساختار دو روتور برای افزایش ناحیه تحریک شکاف هوا استفاده می کند و به تحریک غلظت شار دست می یابد. حداکثر گشتاور 280 نیوتن متر و حداکثر قدرت 15 کیلووات را ارائه می دهد که آن را برای خودروهای پرانرژی جدید در چرخ محرک مناسب می کند. علاوه بر این، ساختار داخلی به طور موثری از آهنرباهای دائمی در برابر قرار گرفتن در معرض مستقیم دمای بالا و ضربه مکانیکی محافظت می کند و بر خطر جدا شدن آهنربا که انواع سوار شده روی سطح در سرعت های بالا با آن مواجه می شوند، غلبه می کند.

مدیریت حرارتی چالش اصلی دیگری برای موتورهای هاب است. تحت عملکرد با توان بالا، تلفات الکترومغناطیسی متمرکز شده و شرایط خنک کننده ضعیف است. این نیاز به مدل سازی حرارتی دقیق بر اساس تجزیه و تحلیل تلفات برای دستیابی به خنک کننده موثر دارد. در حال حاضر، موتور شار محوری تک روتور دوگانه (AFIR) چگالی توان را با افزایش بارگذاری الکتریکی با دو استاتور بهبود می‌بخشد، در حالی که موتور شار محوری بدون یوغ (YASA) یوغ استاتور را حذف می‌کند تا تلفات آهن را کاهش دهد، بار حرارتی را کاهش می‌دهد و در عین حال راندمان و چگالی گشتاور را بهبود می‌بخشد.

به طور کلی، انتخاب روتور برای موتورهای هاب باید  چگالی گشتاور، قابلیت افزایش سرعت و قابلیت اطمینان را متعادل کند . برای نیازهای گشتاور بالا با سرعت پایین، سازه‌های روی سطح یا از نوع اسپیکر ترجیح داده می‌شوند، اما اگر محدوده سرعت وسیعی مورد نیاز باشد، نوع اسپیکر به دلیل غلظت شار و توانایی تضعیف شار مناسب‌تر است.

2. اتصالات ربات: الزامات دوگانه اینرسی کم و کنترل دقیق

اتصالات ربات مشخصات متفاوتی نسبت به موتورهای هاب دارند. در مفاصل بزرگ مانند باسن، کمر و پاها، گشتاور خروجی بالا و وزن بسیار سبک از الزامات اصلی هستند - در مقایسه با موتورهای شعاعی سنتی، موتورهای شار محوری در این سناریوها می‌توانند اشغال فضا را 30 تا 60 درصد و وزن را بیش از 30 درصد کاهش دهند، در برخی از طرح‌ها به 60 تا 70 درصد می‌رسد. در مفاصل کوچک مانند مچ دست و انگشتان، دقت و اینرسی کم اولویت بالاتری دارد.

نسبت گشتاور به اینرسی  یک پارامتر طراحی کلیدی برای موتورهای مشترک ربات است. تحقیقات نشان می دهد که گشتاور یک موتور شار محوری با مکعب قطر روتور متناسب است، به این معنی که گشتاور خروجی با سرعت بسیار پایین می تواند در فضای فشرده یک اتصال مسطح به دست آید، در حالی که ساختار دیسک نازک را می توان مستقیماً در اتصال تعبیه کرد و اتلاف گرما را ساده می کند.

برای انتخاب روتور، اتصالات ربات به سازه های روی سطح یا آرایه های هالباخ ​​اولویت می دهند. ساختار نصب شده روی سطح، با تلفات روتور کم و ممان اینرسی کم،  پاسخ دینامیکی سریع‌تر را امکان‌پذیر می‌کند  – زمان پاسخ شتاب را می‌توان از ۱۵ میلی‌ثانیه به ۵ تا ۸ میلی‌ثانیه کاهش داد، که برای حرکات ربات که نیاز به شروع/توقف سریع و موقعیت‌یابی دقیق دارند، بسیار مهم است. آرایه هالباخ، از طریق یک الگوی جهت مغناطیسی خاص، میدان مغناطیسی را در یک طرف افزایش می‌دهد در حالی که تقریباً آن را از طرف دیگر خنثی می‌کند، که اجازه حذف هسته روتور و کاهش بیشتر اینرسی و تلفات روتور را می‌دهد.

طراحی مدار مغناطیسی و انتخاب مواد آهنربای دائمی نیز نیاز به کنترل دقیق دارد. موتورهای شار محوری از طرح آهنربای حلقوی استفاده می کنند که طول مسیر مغناطیسی را کوتاه می کند و چگالی گشتاور را در مقایسه با طرح شعاعی موتورهای شار شعاعی سنتی افزایش می دهد. همچنین، از آنجا که مفاصل ربات اغلب شامل کاهنده‌ها یا حتی طرح‌های درایو شبه مستقیم (QDD) می‌شوند، اجبار و پایداری حرارتی بالاتری مورد نیاز است. هنگامی که هزینه اجازه می دهد، گریدهای با اجبار بالا با خاک های کمیاب سنگین مانند دیسپروزیم و تربیوم می توانند به طور موثری از مغناطیس زدایی ناشی از میدان های مغناطیسی معکوس در حین کار جلوگیری کنند.

برای اتصالات مینیاتوری در محدوده 16-18 میلی متر، موتورهای شار محوری نوع PCB مزایای منحصر به فردی از خود نشان می دهند. با استفاده از اچینگ به جای سیم‌پیچ‌های مسی سنتی، قوام تولید بالا، اتلاف آهن کم و وزن بسیار سبک را ارائه می‌دهند.

3. پیشرانه پهپاد: چالش های شدید چگالی توان و مقاومت در برابر مغناطیس زدایی حرارتی

سیستم های پیشران هواپیماهای بدون سرنشین با یک تناقض اساسی روبرو هستند:  هر گرم وزن اضافی زمان پرواز را کاهش می دهد و هر درجه افزایش دما باعث کاهش قدرت می شود . داده ها نشان می دهد که برای یک موتور شار محوری با نسبت رانش به وزن بیش از 25:1، کاهش جرم به میزان 1 کیلوگرم می تواند برد را حدود 10 کیلومتر افزایش دهد. بنابراین، سبک وزن و چگالی توان بالا، معیارهای طراحی اولیه برای موتورهای پیشران پهپاد است.

از نظر چگالی توان، موتورهای شار محوری مزایای قابل توجهی را در پیشرانه پهپاد نشان می‌دهند. چگالی توان حجمی آنها می تواند به  14.9 کیلووات بر کیلوگرم برسد که بسیار بیشتر از موتورهای شعاعی سنتی است. چگالی توان اندازه گیری شده از  5.8 تا 21 کیلووات بر کیلوگرم ، با چگالی گشتاور  15 تا 25 نیوتن متر بر کیلوگرم متغیر است . جدیدترین سیستم نیروی محرکه شار محوری سری T 'Yufeng' به چگالی توان پیوسته 10 نیوتن متر بر کیلوگرم و حداکثر چگالی گشتاور 20 نیوتن متر بر کیلوگرم دست می یابد که آن را برای پیشرانه مستقیم در هواپیماهای پیشرفته مانند eVTOL سرنشین دار و پهپادهای بال مرکب مناسب می کند.

فراتر از چگالی توان، موتورهای محرکه پهپادها نیز با خطر مغناطیس زدایی در محیط های با دمای بالا مواجه هستند. در طول پرواز، موتورها برای مدت طولانی با قدرت بالا کار می کنند و باعث افزایش سریع دما در سیم پیچ ها و آهنرباهای دائمی می شوند. اگر ماموریت‌ها در گرمای تابستان یا مناطق بیابانی انجام شوند، ترکیب دمای محیط و خود گرمایشی چالش‌های مغناطیس‌زدایی شدیدی را برای آهنرباهای دائمی ایجاد می‌کند.

انتخاب مواد آهنربای دائمی به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان دمای بالای موتورهای پهپاد تأثیر می گذارد.  در میان مواد آهنربای دائم معمولی، نئودیمیم-آهن-بور (NdFeB) بالاترین عملکرد مغناطیسی را ارائه می دهد، اما گریدهای استاندارد (سری N) حداکثر دمای عملیاتی تنها 80-100 درجه سانتیگراد دارند و تلفات مغناطیسی برگشت ناپذیر ممکن است بالای 200 درجه سانتیگراد رخ دهد. گریدهای NdFeB با اجبار بالا (سری‌های SH، UH، EH، AH) می‌توانند تا دمای 150 تا 240 درجه سانتی‌گراد کار کنند، اما پایداری آن‌ها در دمای بالا هنوز از ساماریوم-کبالت (SmCo) پایین‌تر است. آهنرباهای SmCo می توانند به طور پایدار بالای  300 درجه سانتیگراد کار کنند ، با دمای کوری بیش از 720 درجه سانتیگراد، و خواص مغناطیسی آنها تنها 1/4-1/3 به اندازه NdFeB با دما متفاوت است. معایب محصول انرژی مغناطیسی کمی کمتر و هزینه بالاتر است. برای پهپادهای مصرفی، NdFeB با کارایی بالا برای اکثر نیازها کافی است. اما برای پهپادهای صنعتی و eVTOL سرنشین دار تحت شرایط دمای بالا و توان بالا، SmCo - علیرغم هزینه آن - یک انتخاب ضروری برای قابلیت اطمینان است.

4. بررسی اجمالی سریع انواع روتور: مقایسه سطح نصب شده در مقابل داخلی

بر اساس تحلیل فوق، انواع ساختار اصلی روتور برای موتورهای شار محوری در جدول زیر خلاصه شده است:

5. SDM: یک محرک کلیدی برای روتورهای موتور شار محوری نصب شده روی سطح

پس از تجزیه و تحلیل نقاط کلیدی انتخاب روتور برای سه سناریو اصلی، به یک عنصر اصلی می رسیم -  قابلیت مهندسی برای آهنرباهای دائمی با کارایی بالا و ساختارهای روتور نصب شده روی سطح . این دقیقاً جایی است که مزایای فنی SDM نهفته است.

SDM یک شرکت ملی با فناوری پیشرفته است که بر آهنرباها و راه حل های مغناطیسی متمرکز شده است، با 16 سال تجربه در تولید آهنربا حرفه ای. این شرکت با چین آلومینیوم، بزرگترین شرکت معدنی خاک کمیاب در چین، همکاری راهبردی دارد و تامین پایدار و مطمئن مواد خام خاکی کمیاب را تضمین می کند. در همان زمان، SDM تحقیقات مشترک عمیقی را با  آکادمی علوم چین انجام می دهد  و با مشتریان بر روی تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) کار می کند و از همان ابتدای طراحی مدار مغناطیسی پشتیبانی شبیه سازی دقیق را ارائه می دهد، در نتیجه چرخه های توسعه را کوتاه می کند و هزینه های آزمون و خطا را کاهش می دهد.

در زمینه روتورهای موتور شار محوری نصب شده روی سطح، SDM مزایای ساخت و طراحی سیستماتیک را ارائه می دهد:

اول، یک سیستم تولید کامل با گواهینامه های سطح بالا.  این شرکت دارای IATF 16949 (سیستم مدیریت کیفیت خودرو)، رکورد صفر نقص (0 PPM) را به عنوان تامین کننده Tier-2 برای جنرال موتورز از سال 2010 حفظ کرده است و همچنین دارای گواهینامه های ISO 9001، ISO 14001، ISO 45001، ردپای کربن و گواهینامه های BSCI است. محصولات آن با الزامات تست RoHS، REACH و SGS مطابقت دارند. این بدان معنی است که هر دسته از آهنرباهای دائمی تحت کنترل کیفیت دقیق قرار می گیرند، از قابلیت ردیابی مواد خام تا حمل و نقل محصول نهایی.

دوم، فناوری فرآیند یکپارچه بالغ برای ساختارهای روتور نصب شده روی سطح.  در یک موتور شار محوری، یک دیسک روتور آهنربای دائم نصب شده روی سطح باید به طور همزمان سه مشکل مهندسی عمده را حل کند:  تثبیت آهنرباها با استحکام بالا، پایداری تحت عملیات با سرعت بالا، و قابلیت ساخت/مونتاژ . SDM گزینه های مختلف مواد مغناطیسی از جمله نمرات NdFeB با اجبار بالا و سری SmCo را ارائه می دهد. این دستگاه از ترکیبی از صفحات پرس پلیمری کم تلفات و قاب های ثابت، آهن های پشتی روتور و آستین های نگهدارنده فیبر کربن استفاده می کند تا از موقعیت آهنربایی مطمئن تحت عملکرد با سرعت بالا اطمینان حاصل کند، در حالی که تلفات جریان گردابی روتور را به حداقل می رساند. این راه حل مزایای جامع خود را از دست دادن کم روتور، استحکام ساختاری بالا و قابلیت پردازش مونتاژ خوب ثابت کرده است.

سوم، یک تیم فنی سطح بالا که از سفارشی سازی پیشرفته پشتیبانی می کند.  تیم فنی که توسط  متخصصان مواد مغناطیسی از آکادمی علوم چین ساخته شده است ، شامل 2 مدرک دکترا، 5 دارنده مدرک کارشناسی ارشد، 8 مهندس ارشد و بیش از 80 پرسنل مهندسی و فنی است. این شرکت یک مرکز تحقیق و توسعه شهری و یک ایستگاه کاری فوق دکترا ایجاد کرده است. بنابراین، SDM نه تنها می‌تواند آهن‌رباهای معمولی تولید کند، بلکه راه‌حل‌های فنی کامل را برای الزامات مدار مغناطیسی واقعی تحت شرایط کاری مختلف (موتورهای هاب، اتصالات ربات، نیروی محرکه هواپیماهای بدون سرنشین)، از جمله انتخاب درجه آهنربا (درجات NdFeB N/M/UH با اجبار فوق‌العاده بالا، SmCo5 / Sm-Co-₇، سری‌های درجه حرارت‌زدایی و مغناطیس‌زدایی) ارائه می‌کند.

چهارم، همکاری صنعت-دانشگاه-پژوهش و سبد محصولات گسترده.  SDM روابط همکاری را با موسسه فناوری و مهندسی مواد نینگبو (CAS) و دانشگاه جنوب غربی جیائوتنگ حفظ می کند و به طور مداوم پیشرفت ها در مواد مغناطیسی را ردیابی می کند. طیف محصولات آن استاتورها و روتورهای میکروموتور، موتورهای مگلو، حسگرها، جداکننده‌ها، جداکننده‌های نوری، آهنربای دائمی و اجزای مغناطیسی نرم را پوشش می‌دهد که پشتیبانی مواد مغناطیسی یک مرحله‌ای را برای طراحی‌های موتور در صنایع مختلف فراهم می‌کند.

نتیجه گیری

موتور شار محوری با ساختار مسطح و چگالی توان تغییردهنده خود، معماری قدرت وسایل نقلیه الکتریکی، روبات‌های انسان‌نما و هواپیماهای در ارتفاع پایین را بازتعریف می‌کند. در این مسابقه فناوری با محوریت «تراکم گشتاور» و «سبک‌وزن»، طراحی ساختار روتور و کیفیت مواد مغناطیس دائمی حد پایین‌تر را تعیین می‌کند، در حالی که ساختار روی سطح - با  طراحی ساده، پاسخ دینامیکی سریع، و چگالی گشتاور بالا  - جایگاهی غیرقابل جایگزین در اتصالات ربات، اتصالات با سرعت پایین، تقاضای با گشتاور بالا و سایر کاربردهای با گشتاور پایین دارد.

از بهینه سازی دقیق توپولوژی مدار مغناطیسی تا طراحی پایداری در دمای بالا مواد آهنربای دائم، تنها با تسلط بر زنجیره کامل فناوری مواد هسته و فرآیندهای ساخت روتور می توان یک خندق واقعی در رقابت شدید بازار ایجاد کرد. SDM، با اعتبار خود به عنوان یک شرکت ملی فناوری پیشرفته، 16 سال تجربه انباشته در آهنرباهای دائمی، پشتیبانی فنی از تیم متخصص ساخته شده توسط CAS، و سیستم مدیریت کیفیت سیستماتیک، پایه محکمی برای قابلیت اطمینان بالا و عملکرد بالا روتورهای موتور شار محوری نصب شده در سطح فراهم می کند. فرقی نمی‌کند که چالش محدوده سرعت گسترده موتورهای هاب، نیازهای کنترل دقیق اینرسی پایین اتصالات ربات، یا الزامات شدید برای چگالی توان و مقاومت در برابر مغناطیس زدایی در پیشرانه‌های پهپاد باشد، SDM راه‌حل‌های مهندسی کامل از مواد تا شبیه‌سازی را ارائه می‌کند - دقیقاً نیروی محرکه ضروری که از کاربردهای شار محوری به مقیاس بزرگ موتور منتقل می‌کند.