Tärkeimmät kohdat aksiaalivuomoottorin roottorin valinnassa erilaisissa käyttöolosuhteissa – napamoottorit, robotin nivelet, drone-käyttö

Esittely: Paradigman vaihto 'sylinteristä' 'levyyn'

Kun ihmiset ajattelevat sähkömoottoreita, useimmat kuvittelevat pitkän sylinterin, jossa staattori sulkee sisäänsä roottorin ja magneettikenttä etenee säteittäisesti. Kuitenkin moottori, joka uhmaa tätä tavanomaista muotoa, ajaa uutta teknologista vallankumousta aksiaalivuomoottori . Se puristaa staattorin ja roottorin lähes litteäksi levyksi, joka on yhtä kompakti kuin voileipäkeksi.

Tämän litistyvän vallankumouksen ydin on magneettisen polun suunnan perustavanlaatuinen muutos. Perinteisessä radiaalivuomoottorissa magneettikenttä säteilee ulospäin akselista; aksiaalivuomoottorissa magneettikenttä kulkee yhdensuuntaisesti akselin kanssa staattorin ja roottorin ollessa vastakkain levyjärjestelyssä. Tämä siirto tuo hämmästyttäviä suorituskykyetuja:  samalla materiaalikäytöllä aksiaalivuomoottorin vääntömomentti on verrannollinen roottorin halkaisijan kuutioon (kun taas perinteisessä radiaalimoottorissa se on vain halkaisijan neliö), jolloin vääntötiheys kasvaa 2–3 kertaa ja hyötysuhde ylittää 96%.  Samanaikaisesti sen aksiaalinen pituus on vain 1/3 - 1/2 perinteisen moottorin pituudesta, tilavuutta pienennettynä yli 50 % ja painoa noin 40-50 % samalla teholla.

Avain tällaisen suuren tehotiheyden ja vääntömomenttitiheyden saavuttamiseen aksiaalisissa vuomoottoreissa on roottorirakenteen nerokkaassa suunnittelussa. Erilaiset sovellusskenaariot asettavat erilaiset suorituskykyvaatimukset, ja roottorin magneettipiirin rakenteen, kestomagneettimateriaalin ja topologian valinta määrää usein suoraan, pystyykö moottori täysin hyödyntämään etunsa. Tämä artikkeli alkaa kolmella tyypillisellä sovellusskenaariolla – napamoottorit, robottiliitokset ja drone-propulsio – ja analysoidaan systemaattisesti roottorin valinnan ydinkohdat.

1. Napamoottorit: vääntömomenttitiheyden ja laajan nopeusalueen välinen kompromissi

Napamoottorit asennetaan pyörän vanteen sisään, missä tilaa on erittäin vähän – tämä on ensisijainen suunnittelurajoitus. Niiden on samanaikaisesti tarjottava korkea vääntömomenttitiheys (käynnistystä ja kiipeämistä varten), laaja nopeusalue (hitasta ryömimisestä nopeaan risteilyyn) ja hyvä lämmönpoistokyky.

Roottorirakenteen valinnassa napamoottoreissa käytetään yleisesti  pinta-asennettavia ja pinnallisia (sisä)tyyppejä , joilla kullakin on erilaiset suunnitteluprioriteetit. Pinta-asennetut kestomagneetit on kiinnitetty suoraan roottorin sydämen pintaan, mikä tarjoaa yksinkertaisen rakenteen, suuren ilmavälin vuotiheyden ja soveltuvuuden sovelluksiin, joissa tavoitellaan äärimmäistä tehotiheyttä. Halkaisijaltaan suuren roottorin nopea pyöriminen tuottaa kuitenkin valtavan keskipakovoiman, mikä vaatii kiinnitysholkin pinta-asennettujen magneettien kiinnittämiseksi. Tämä vaatii lujia ei-magneettisia materiaaleja, ja holkki itsessään lisää ilmarakoa, mikä vähentää tehoa.

Pinnatyyppiset (sisäiset) kestomagneetit on upotettu roottorin sisään. Vuon keskittymisen ansiosta ne parantavat merkittävästi vääntömomenttitiheyttä ja vuota heikentävän nopeuden pidentämiskykyä. Esimerkiksi Jiangsun yliopiston suunnittelemassa STAF-PMSM-puolatyyppisessä napamoottorissa käytetään kaksiroottorirakennetta ilmavälin viritysalueen lisäämiseksi, jolloin saavutetaan vuokonsentraatioviritys. Sen maksimivääntömomentti on 280 N·m ja maksimiteho 15 kW, mikä tekee siitä sopivan hajautettuihin pyörävetoisiin uusiin energia-ajoneuvoihin. Lisäksi sisärakenne suojaa tehokkaasti kestomagneetteja suoralta altistumiselta korkeille lämpötiloille ja mekaanisille iskuille, mikä välttää magneettien irtoamisen riskin, jota pinta-asennetut tyypit kohtaavat suurilla nopeuksilla.

Lämmönhallinta on toinen keskeinen haaste napamoottoreille. Suurella teholla sähkömagneettiset häviöt keskittyvät ja jäähdytysolosuhteet ovat huonot. Tämä vaatii tarkkaa lämpömallinnusta, joka perustuu häviöanalyysiin tehokkaan jäähdytyksen saavuttamiseksi. Tällä hetkellä kaksistaattorinen yksiroottorinen aksiaalivuomoottori (AFIR) parantaa tehotiheyttä lisäämällä sähköistä kuormitusta kahdella staattorilla, kun taas ikeetön aksiaalivuomoottori (YASA) eliminoi staattorin ikeen rautahäviön vähentämiseksi, alentaa lämpökuormitusta ja parantaa tehokkuutta ja vääntömomenttitiheyttä.

Kaiken kaikkiaan napamoottoreiden roottorin valinnassa on tasapainotettava  vääntömomenttitiheys, nopeuden laajentamiskyky ja luotettavuus . Pienten nopeuksien ja suurien vääntömomenttien vaatimuksiin suositellaan pinta-asennettavia tai pinnan tyyppisiä rakenteita, mutta jos tarvitaan laajaa nopeusaluetta, pinnat sopivat paremmin vuokonsentraation ja vuota heikentävän kyvyn vuoksi.

2. Robotin nivelet: Alhaisen hitauden ja tarkkuusohjauksen kaksoisvaatimukset

Robottiliitokset vaativat selvästi erilaisia ​​ominaisuuksia napamoottoreilta. Suurissa nivelissä, kuten lantiossa, vyötäröllä ja jaloissa, suuri vääntömomentti ja äärimmäinen keveys ovat keskeisiä vaatimuksia – perinteisiin radiaalimoottoreihin verrattuna aksiaalivuomoottorit voivat näissä skenaarioissa vähentää tilankäyttöä 30–60 % ja painoa yli 30 %, joidenkin mallien ollessa jopa 60–70 %. Pienissä nivelissä, kuten ranteissa ja sormissa, tarkkuus ja alhainen inertia ovat tärkeämpiä.

Vääntömomentti-inertia-suhde  on tärkeä suunnitteluparametri robottinivelmoottoreille. Tutkimukset osoittavat, että aksiaalivuomoottorin vääntömomentti on verrannollinen roottorin halkaisijan kuutioon, mikä tarkoittaa, että litistetyn liitoksen kompaktissa tilassa voidaan saavuttaa erittäin suuri pieninopeuksinen vääntömomentti, kun taas ohut levyrakenne voidaan upottaa suoraan liitokseen ja yksinkertaistaa lämmönpoistoa.

Roottorin valinnassa robottiliitokset antavat etusijalle pinta-asennetut rakenteet tai Halbach-ryhmät. Pinta-asennettu rakenne, jonka roottorihäviö on pieni ja hitausmomentti, mahdollistaa  nopeamman dynaamisen vasteen  – kiihtyvyyden vasteaika voidaan lyhentää 15 ms:sta 5–8 ms:iin, mikä on ratkaisevan tärkeää nopeaa käynnistystä/pysähdystä ja tarkkaa paikannusta vaativissa robotin liikkeissä. Halbach-ryhmä vahvistaa tietyn magnetointisuuntakuvion kautta magneettikenttää toisella puolella ja melkein kumoaa sen toisella, mikä mahdollistaa roottorin ytimen eliminoinnin ja edelleen pienentää roottorin inertiaa ja häviöitä.

Magneettipiirin suunnittelu ja kestomagneettimateriaalin valinta edellyttävät myös tarkkaa ohjausta. Aksiaalivuomoottorit käyttävät rengasmaista magneettiasettelua, joka lyhentää magneettireitin pituutta ja lisää vääntömomenttitiheyttä verrattuna perinteisten säteittäisten vuomoottoreiden radiaaliseen sijoitteluun. Lisäksi, koska robottiliitokset sisältävät usein supistimet tai jopa kvasisuorakäyttöiset (QDD) -järjestelmät, tarvitaan suurempaa koersitiivista ja lämpöstabiilisuutta. Kun kustannukset sallivat, korkean koersitiivisen teräslaadut raskailla harvinaisilla maametallilla, kuten dysprosiumilla ja terbiumilla, voivat tehokkaasti estää demagnetisoitumisen käänteisistä magneettikentistä käytön aikana.

Piirilevytyyppiset aksiaalivuomoottorit tarjoavat ainutlaatuisia etuja 16–18 mm:n pienikokoisissa liitoksissa. Käyttämällä syövytystä perinteisten kuparikäämien sijaan ne tarjoavat korkean valmistuskonsistenssin, alhaisen rautahäviön ja äärimmäisen keveyden.

3. Drone Propulsio: Tehon tiheyden ja lämpödemagnetisoinnin kestävyyden äärimmäiset haasteet

Drone-propulsiojärjestelmät kohtaavat perustavanlaatuisen ristiriidan:  jokainen ylimääräinen painogramma lyhentää lentoaikaa ja jokainen lämpötilan nousu vähentää tehoa . Tiedot osoittavat, että aksiaalivuomoottorilla, jonka työntövoima-painosuhde on yli 25:1, massan vähentäminen 1 kg:lla voi lisätä kantamaa noin 10 km. Siksi keveys ja suuri tehotiheys ovat droonien propulsiomoottorien ensisijaiset suunnittelukriteerit.

Mitä tulee tehotiheyteen, aksiaalisilla vuomoottoreilla on ylivoimaisia ​​etuja droonien propulsiossa. Niiden tilavuustehotiheys voi olla  14,9 kW/kg , mikä ylittää huomattavasti perinteisten radiaalimoottorien. Mitatut tehotiheydet vaihtelevat välillä  5,8 - 21 kW/kg ja vääntömomenttiheydet  15 - 25 Nm/kg . Uusin 'Yufeng' T-sarjan aksiaalivuon propulsiojärjestelmä saavuttaa jatkuvan tehotiheyden 10 Nm/kg ja huippuvääntömomenttitiheyden 20 Nm/kg, joten se soveltuu hyvin suoravetokäyttöön kehittyneissä lentokoneissa, kuten miehitetyissä eVTOL:issa ja yhdistelmäsiipisissä droneissa.

Tehotiheyden lisäksi droonien propulsiomoottorit kohtaavat myös demagnetisoitumisen riskin korkeissa lämpötiloissa. Lennon aikana moottorit toimivat suurella teholla pitkiä aikoja, mikä aiheuttaa nopean lämpötilan nousun käämeissä ja kestomagneeteissa. Jos tehtävät suoritetaan kesähelteillä tai aavikkoalueilla, ympäristön lämpötilan ja itsekuumenemisen yhdistelmä luo vakavia demagnetointihaasteita kestomagneeteille.

Kestomagneettimateriaalin valinta vaikuttaa suoraan drone-moottoreiden korkeiden lämpötilojen luotettavuuteen.  Yleisimmistä kestomagneettimateriaaleista neodyymi-rauta-boori (NdFeB) tarjoaa parhaan magneettisen suorituskyvyn, mutta standardilaatujen (N-sarja) maksimikäyttölämpötila on vain 80–100 °C, ja palautumatonta magneettista häviötä voi esiintyä yli 200 °C:ssa. Korkean koersitiivisen NdFeB-laadut (SH, UH, EH, AH sarjat) voivat toimia jopa 150–240 °C:ssa, mutta niiden korkeiden lämpötilojen stabiilisuus on silti huonompi kuin samarium-koboltti (SmCo). SmCo-magneetit voivat toimia vakaasti yli  300 °C: ssa Curie-lämpötilan ollessa yli 720 °C, ja niiden magneettiset ominaisuudet vaihtelevat vain 1/4–1/3 yhtä paljon kuin NdFeB:n lämpötilan mukaan. Haittoja ovat hieman alhaisempi magneettinen energiatuote ja korkeammat kustannukset. Kuluttajadroneille korkean suorituskyvyn NdFeB riittää useimpiin tarpeisiin; mutta teollisuusdrooneille ja miehitetyille eVTOL:lle korkeissa lämpötiloissa ja suuritehoisissa olosuhteissa SmCo on hinnastaan ​​huolimatta välttämätön valinta luotettavuuden kannalta.

4. Nopea yleiskatsaus roottorityypeistä: Pinta-asennetun ja sisäpuolen vertailu

Yllä olevan analyysin perusteella aksiaalivuomoottorien pääroottorirakennetyypit on koottu seuraavaan taulukkoon:

5. SDM: Pinta-asennettavien aksiaalivuomoottoriroottoreiden avainohjain

Analysoituamme kolmen pääskenaarion tärkeimmät roottorin valintapisteet pääsemme ydinelementtiin –  korkean suorituskyvyn kestomagneettien ja pinta-asennettujen roottorirakenteiden suunnittelukykyyn . Juuri tässä SDM:n tekniset edut piilevät.

SDM on magneetteihin ja magneettiratkaisuihin keskittyvä kansallinen korkean teknologian yritys, jolla on 16 vuoden kokemus ammattimaisesta magneettituotannosta. Yhtiöllä on strateginen yhteistyö Kiinan suurimman harvinaisten maametallien kaivosyhtiön China Aluminiumin kanssa, mikä varmistaa vakaan ja turvallisen harvinaisten maametallien raaka-aineiden saannin. Samaan aikaan SDM tekee syvällistä yhteistyötä  Kiinan tiedeakatemian kanssa  ja työskentelee asiakkaiden kanssa äärelliselementtianalyysissä (FEA), joka tarjoaa tarkkaa simulaatiotukea magneettipiirien suunnittelun alusta lähtien, mikä lyhentää kehityssyklejä ja pienentää yrityksen ja virheen kustannuksia.

Pinta-asennettujen aksiaalivuomoottoriroottoreiden alalla SDM tarjoaa systemaattisia valmistus- ja suunnitteluetuja:

Ensinnäkin täydellinen tuotantojärjestelmä korkean tason sertifikaateilla.  Yhtiöllä on IATF 16949 (autojen laadunhallintajärjestelmä), se on ylläpitänyt nollavikaa (0 PPM) General Motorsin Tier-2-toimittajana vuodesta 2010 lähtien, ja sillä on myös ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, hiilijalanjälki ja BSCI-sertifikaatit. Sen tuotteet täyttävät RoHS-, REACH- ja SGS-testausvaatimukset. Tämä tarkoittaa, että jokainen kestomagneettierä käy läpi tiukan laadunvalvonnan raaka-aineen jäljitettävyydestä valmiin tuotteen toimitukseen.

Toiseksi kypsä integroitu prosessitekniikka pinta-asennetuille roottorirakenteille.  Aksiaalivuomoottorissa pinta-asennetun kestomagneettiroottorilevyn on ratkaistava samanaikaisesti kolme suurta teknistä ongelmaa:  magneettien luja kiinnitys, stabiilisuus nopeassa käytössä ja valmistettavuus/kokoonpano . SDM tarjoaa erilaisia ​​magneettisia materiaalivaihtoehtoja, mukaan lukien korkean koersitiivisen NdFeB-laadut ja SmCo-sarjat. Se käyttää yhdistelmää pienihäviöisiä, lujia polymeeripuristuslevyjä/kiinnityskehyksiä, roottorin takaraudoita ja hiilikuitua pitäviä holkkeja varmistaakseen luotettavan magneetin asennon nopeassa käytössä ja minimoiden samalla roottorin pyörrevirtahäviöt. Tämä ratkaisu on osoittanut kattavat etunsa: pieni roottorihäviö, korkea rakenteellinen lujuus ja hyvä kokoonpanon prosessoitavuus.

Kolmanneksi huippuluokan tekninen tiimi, joka tukee huippuluokan räätälöintiä.  muodostamaan tekniseen tiimiin  Kiinan tiedeakatemian magneettisten materiaalien asiantuntijoiden kuuluu 2 tohtorintutkintoa, 5 maisterin tutkinnon haltijaa, 8 vanhempaa insinööriä ja yli 80 insinööri- ja teknistä henkilökuntaa. Yhtiö on perustanut kunnallisen T&K-keskuksen ja post doc -työpisteen. Siten SDM voi paitsi tuottaa tavanomaisia ​​magneetteja, myös tarjota täyden prosessin teknisiä ratkaisuja todellisiin magneettipiirien vaatimuksiin erilaisissa työolosuhteissa (napamoottorit, robotin nivelet, drone-propulsio), mukaan lukien magneettilaadun valinta (erittäin korkea koersitiivisuus NdFeB N/M/UH -luokat, SmCo5 / Sm-Co-₇ -elementit, simulointi- ja finniitin lämpötilamarginaalisarjat), demagnetointi.

Neljänneksi teollisuus-yliopisto-tutkimusyhteistyö ja laaja tuotevalikoima.  SDM ylläpitää yhteistyösuhteita Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) ja Southwest Jiaotong Universityn kanssa ja seuraa jatkuvasti magneettisten materiaalien kehitystä. Sen tuotevalikoima kattaa mikromoottorin staattorit ja roottorit, maglev-moottorit, anturit, resolverit, optiset isolaattorit, kestomagneetti- ja pehmeät magneettikomponentit, jotka tarjoavat yhden luukun magneettista materiaalitukea moottoreiden suunnittelulle eri toimialoilla.

Johtopäätös

Litteän rakenteensa ja muuntavan tehotiheytensä ansiosta aksiaalivuomoottori määrittelee uudelleen sähköajoneuvojen, humanoidirobottien ja matalalla sijaitsevien lentokoneiden tehoarkkitehtuuria. Tässä 'vääntömomenttitiheyteen' ja 'kevytyksessä' keskittyvässä teknologiakilpailussa roottorirakenteen suunnittelu ja kestomagneettimateriaalien laatu asettavat alarajan, kun taas pinta-asennetulla rakenteella on  yksinkertainen rakenne, nopea dynaaminen vaste ja suuri vääntötiheys  , ja se on korvaamaton asema robottiliitoksissa, hitaiden nopeuksien, korkean vääntömomentin ja muiden alhaisten voimansiirtojen vaativissa sovelluksissa.

Magneettipiirin topologian tarkasta optimoinnista kestomagneettimateriaalien korkeiden lämpötilojen stabiilisuussuunnitteluun asti vain hallitsemalla ydinmateriaaliteknologian ja roottorin valmistusprosessien koko ketju voidaan luoda todellinen vallihauta kovassa markkinakilpailussa. SDM, jolla on valtakunnallinen korkean teknologian yritys, 16 vuoden kokemus kestomagneeteista, CAS:n rakentaman asiantuntijaryhmän tekninen tuki ja järjestelmällinen laadunhallintajärjestelmä, tarjoaa vankan perustan pinta-asennettavien aksiaalivuomoottoriroottoreiden korkealle luotettavuudelle ja korkealle suorituskyvylle. Olipa kyseessä napamoottoreiden laajan nopeusalueen haaste, robottiliitosten alhaisen inertian tarkkuusohjauksen vaatimukset tai äärimmäiset vaatimukset tehotiheydelle ja demagnetointivastukselle drone-propulsion aikana, SDM tarjoaa täyden prosessin suunnitteluratkaisuja materiaaleista simulaatioihin – juuri välttämättömän käyttövoiman, joka siirtää aksiaalivuomoottorit sovelluslaboratoriosta suuriin.