Mga Pangunahing Punto para sa Pagpili ng Axial Flux Motor Rotor Sa Iba't Ibang Kundisyon ng Operating – Hub Motors, Robot Joints, Drone Propulsion

Panimula: Paglipat ng Paradigm mula sa 'Cylinder' patungo sa 'Disc'

Kapag iniisip ng mga tao ang mga de-koryenteng motor, naiisip ng karamihan ang isang mahabang silindro kung saan ang stator ay nakapaloob sa rotor at ang magnetic field ay kumakalat nang radially. Gayunpaman, ang isang motor na lumalaban sa kumbensyonal na hugis na ito ay nagtutulak ng isang bagong teknolohikal na rebolusyon - ang axial flux motor . Pinipilit nito ang stator at rotor sa halos flat disc, kasing siksik ng sandwich cookie.

Ang core ng flattening revolution na ito ay nakasalalay sa isang pangunahing pagbabago sa direksyon ng magnetic path. Sa isang tradisyunal na radial flux motor, ang magnetic field ay lumalabas palabas mula sa axis; sa isang axial flux motor, ang magnetic field ay tumatakbo parallel sa axis, na may stator at rotor na magkaharap sa isang disc arrangement. Ang paglilipat na ito ay nagdudulot ng kahanga-hangang mga pakinabang sa pagganap:  sa parehong paggamit ng materyal, ang torque ng isang axial flux motor ay proporsyonal sa kubo ng diameter ng rotor (samantalang para sa isang tradisyunal na radial motor ito ay parisukat lamang ng diameter), nakakamit ang isang pagtaas ng densidad ng metalikang kuwintas na 2-3 beses at kahusayan na higit sa 96%.  Kasabay nito, ang haba ng axial nito ay 1/3 hanggang 1/2 lamang ng isang maginoo na motor, na may volume na nabawasan ng higit sa 50% at nababawasan ang timbang ng humigit-kumulang 40%–50% sa ilalim ng parehong kapangyarihan.

Ang susi sa pagkamit ng gayong mataas na densidad ng kapangyarihan at densidad ng metalikang kuwintas sa mga axial flux motor ay nakasalalay sa mapanlikhang disenyo ng istruktura ng rotor. Ang iba't ibang mga sitwasyon ng aplikasyon ay nagpapataw ng natatanging mga kinakailangan sa pagganap, at ang pagpili ng istruktura ng rotor magnetic circuit, permanenteng materyal ng magnet, at topology ay kadalasang direktang tinutukoy kung ang motor ay maaaring ganap na mapagtanto ang mga pakinabang nito. Nagsisimula ang artikulong ito sa tatlong tipikal na sitwasyon ng aplikasyon – hub motors, robot joints, at drone propulsion – at sistematikong sinusuri ang mga pangunahing punto ng pagpili ng rotor.

1. Hub Motors: Trade-off sa pagitan ng Torque Density at Wide Speed ​​Range

Ang mga hub motor ay naka-install sa loob ng wheel rim, kung saan ang espasyo ay lubhang limitado - ito ang pangunahing hadlang sa disenyo. Dapat silang sabay na magbigay ng mataas na torque density (para sa pagsisimula at pag-akyat), isang malawak na hanay ng bilis (mula sa mababang bilis ng pag-crawl hanggang sa high-speed na pag-cruise), at mahusay na kakayahan sa pag-alis ng init.

Sa mga tuntunin ng pagpili ng rotor structure, ang mga hub motor ay karaniwang gumagamit  ng surface-mounted at spoke (interior) na mga uri , bawat isa ay may iba't ibang priyoridad sa disenyo. Ang mga permanenteng magnet na naka-mount sa ibabaw ay direktang nakakabit sa ibabaw ng rotor core, na nag-aalok ng isang simpleng istraktura, mataas na air-gap flux density, at pagiging angkop para sa mga application na humahabol sa ultimate power density. Gayunpaman, ang mataas na bilis ng pag-ikot ng isang malaking diameter na rotor ay bumubuo ng napakalaking sentripugal na puwersa, na nangangailangan ng isang retaining sleeve upang ma-secure ang mga magnet na naka-mount sa ibabaw. Nangangailangan ito ng mataas na lakas na di-magnetic na materyales, at ang manggas mismo ay nagpapataas ng puwang ng hangin, sa gayon ay binabawasan ang output.

Ang mga spoke-type (interior) permanenteng magnet ay naka-embed sa loob ng rotor. Sa pamamagitan ng konsentrasyon ng flux, makabuluhang pinapabuti nila ang densidad ng torque at kakayahan sa pagpapalawak ng bilis ng pagpapahina ng flux. Halimbawa, ang STAF-PMSM spoke-type hub motor na idinisenyo ng Jiangsu University ay gumagamit ng dual-rotor structure upang mapataas ang air-gap excitation area, na makamit ang flux concentration excitation. Naghahatid ito ng maximum na torque na 280 N·m at maximum na lakas na 15 kW, na ginagawang angkop para sa mga distributed in-wheel drive na bagong enerhiyang sasakyan. Bukod dito, epektibong pinoprotektahan ng panloob na istraktura ang mga permanenteng magnet mula sa direktang pagkakalantad sa mataas na temperatura at mekanikal na epekto, na nalampasan ang panganib ng magnet detachment na nahaharap sa mga uri na naka-mount sa ibabaw sa mataas na bilis.

Ang thermal management ay isa pang pangunahing hamon para sa mga hub motor. Sa ilalim ng mataas na kapangyarihan na operasyon, ang mga pagkalugi ng electromagnetic ay puro at ang mga kondisyon ng paglamig ay hindi maganda. Nangangailangan ito ng tumpak na thermal modeling batay sa pagtatasa ng pagkawala upang makamit ang epektibong paglamig. Sa kasalukuyan, pinapabuti ng dual-stator single-rotor axial flux motor (AFIR) ang power density sa pamamagitan ng pagtaas ng electrical loading gamit ang dalawang stator, habang inaalis ng yoke-less axial flux motor (YASA) ang stator yoke upang mabawasan ang pagkawala ng bakal, binabawasan ang thermal load habang pinapabuti ang kahusayan at torque density.

Sa pangkalahatan, ang pagpili ng rotor para sa mga hub motor ay dapat balansehin  ang torque density, bilis-extension na kakayahan, at pagiging maaasahan . Para sa mga kinakailangan sa mababang bilis ng high-torque, ang mga istrukturang naka-mount sa ibabaw o spoke-type ay mas gusto, ngunit kung kailangan ng isang malawak na hanay ng bilis, ang spoke-type ay mas angkop dahil sa flux concentration at kakayahang humina ng flux.

2. Robot Joints: Dual Requirements of Low Inertia and Precision Control

Ang mga robot joint ay nangangailangan ng kakaibang katangian mula sa hub motors. Sa malalaking joints tulad ng hips, waist, at legs, ang mataas na torque output at extreme lightweighting ay ang mga pangunahing kinakailangan - kumpara sa tradisyonal na radial motors, ang axial flux motors sa mga sitwasyong ito ay maaaring mabawasan ang space occupation ng 30%–60% at timbang ng higit sa 30%, na may ilang mga disenyo na umaabot sa 60%–70%. Sa maliliit na kasukasuan tulad ng mga pulso at daliri, ang katumpakan at mababang pagkawalang-galaw ay nagiging mas mataas na priyoridad.

Ang torque-to-inersia ratio  ay isang pangunahing parameter ng disenyo para sa mga robot joint motors. Ipinakikita ng pananaliksik na ang torque ng isang axial flux motor ay proporsyonal sa cube ng diameter ng rotor, ibig sabihin, ang napakataas na low-speed na torque na output ay maaaring makamit sa compact space ng isang flattened joint, habang ang manipis na disc structure ay maaaring direktang i-embed sa joint at pinapasimple ang heat dissipation.

Para sa pagpili ng rotor, binibigyang-priyoridad ng mga robot joint ang mga istrukturang naka-mount sa ibabaw o mga array ng Halbach. Ang surface-mounted structure, na may mababang rotor loss at mababang moment of inertia, ay nagbibigay-daan sa  mas mabilis na dynamic na pagtugon  - ang acceleration response time ay maaaring bawasan mula 15 ms hanggang 5-8 ms, na napakahalaga para sa mga robot na galaw na nangangailangan ng mabilis na pagsisimula/paghinto at tumpak na pagpoposisyon. Ang Halbach array, sa pamamagitan ng isang partikular na pattern ng direksyon ng magnetization, ay nagpapahusay sa magnetic field sa isang gilid habang halos kanselahin ito sa kabilang panig, na nagpapahintulot sa pag-aalis ng rotor core at higit na binabawasan ang rotor inertia at mga pagkalugi.

Ang disenyo ng magnetic circuit at pagpili ng permanenteng magnet na materyal ay nangangailangan din ng tumpak na kontrol. Gumagamit ang axial flux motors ng annular magnet layout, na nagpapaikli sa haba ng magnetic path at nagpapataas ng torque density kumpara sa radial layout ng tradisyonal na radial flux motors. Gayundin, dahil ang mga robot joints ay kadalasang may kasamang mga reducer o kahit na quasi-direct drive (QDD) scheme, kinakailangan ang mas mataas na coercivity at thermal stability. Kapag pinahihintulutan ang gastos, ang mga high-coercivity na marka na may mabibigat na rare earth tulad ng dysprosium at terbium ay maaaring epektibong maiwasan ang demagnetization mula sa mga reverse magnetic field sa panahon ng operasyon.

Para sa mga miniature joints sa 16–18 mm range, ang PCB-type axial flux motors ay nagpapakita ng mga natatanging bentahe. Gamit ang pag-ukit sa halip na mga tradisyonal na copper windings, nag-aalok sila ng mataas na pagkakapare-pareho sa pagmamanupaktura, mababang pagkawala ng bakal, at matinding lightweighting.

3. Drone Propulsion: Extreme Challenges of Power Density at Resistance to Thermal Demagnetization

Ang mga sistema ng propulsion ng drone ay nahaharap sa isang pangunahing kontradiksyon:  bawat dagdag na gramo ng timbang ay binabawasan ang oras ng paglipad, at bawat antas ng pagtaas ng temperatura ay binabawasan ang kapangyarihan . Ipinapakita ng data na para sa isang axial flux motor na may thrust-to-weight ratio na lumalagpas sa 25:1, ang pagbabawas ng masa ng 1 kg ay maaaring tumaas ng saklaw ng humigit-kumulang 10 km. Samakatuwid, ang lightweighting at high power density ang pangunahing pamantayan sa disenyo para sa drone propulsion motors.

Sa mga tuntunin ng densidad ng kapangyarihan, ang mga axial flux na motor ay nagpapakita ng napakaraming mga pakinabang sa propulsion ng drone. Ang kanilang volumetric power density ay maaaring umabot sa  14.9 kW/kg , na higit pa kaysa sa tradisyonal na radial motors. Ang sinusukat na densidad ng kapangyarihan ay mula  5.8 hanggang 21 kW/kg , na may mga densidad ng torque na  15 hanggang 25 Nm/kg . Ang pinakabagong 'Yufeng' T-series axial flux propulsion system ay nakakamit ng tuluy-tuloy na power density na 10 Nm/kg at isang peak torque density na 20 Nm/kg, na ginagawa itong angkop para sa direct-drive na propulsion sa mga advanced na sasakyang panghimpapawid gaya ng manned eVTOL at compound-wing drones.

Higit pa sa densidad ng kapangyarihan, nahaharap din ang mga drone propulsion motor sa panganib ng demagnetization sa mga kapaligirang may mataas na temperatura. Sa panahon ng paglipad, ang mga motor ay nagpapatakbo sa mataas na kapangyarihan para sa pinalawig na mga panahon, na nagiging sanhi ng mabilis na pagtaas ng temperatura sa mga windings at permanenteng magnet. Kung ang mga misyon ay isinasagawa sa init ng tag-init o mga lugar ng disyerto, ang kumbinasyon ng temperatura ng kapaligiran at pag-init sa sarili ay lumilikha ng matinding hamon sa demagnetization para sa mga permanenteng magnet.

Ang pagpili ng permanenteng materyal ng magnet ay direktang nakakaapekto sa pagiging maaasahan ng mataas na temperatura ng mga motor ng drone.  Sa mga karaniwang permanenteng magnet na materyales, ang neodymium-iron-boron (NdFeB) ay nag-aalok ng pinakamataas na magnetic performance, ngunit ang mga standard na grado (N series) ay may maximum na operating temperature na 80–100°C lamang, at ang hindi maibabalik na magnetic loss ay maaaring mangyari sa itaas ng 200°C. Ang mga high-coercivity NdFeB grade (SH, UH, EH, AH series) ay maaaring gumana nang hanggang 150–240°C, ngunit ang kanilang mataas na temperatura na katatagan ay mas mababa pa rin sa samarium-cobalt (SmCo). Ang mga magnet ng SmCo ay maaaring gumana nang matatag sa itaas ng  300°C , na may temperatura ng Curie na lampas sa 720°C, at ang kanilang mga magnetic na katangian ay nag-iiba lamang ng 1/4–1/3 na kasing dami ng NdFeB na may temperatura. Ang mga disadvantages ay bahagyang mas mababang magnetic na produkto ng enerhiya at mas mataas na gastos. Para sa mga drone ng consumer, ang NdFeB na may mataas na pagganap ay sapat para sa karamihan ng mga pangangailangan; ngunit para sa mga pang-industriya na drone at pinapatakbong eVTOL sa ilalim ng mataas na temperatura, mataas na kapangyarihan na mga kondisyon, ang SmCo - sa kabila ng gastos nito - ay isang kinakailangang pagpipilian para sa pagiging maaasahan.

4. Mabilis na Pangkalahatang-ideya ng Mga Uri ng Rotor: Paghahambing ng Surface-Mounted vs. Interior

Batay sa pagsusuri sa itaas, ang mga pangunahing uri ng istruktura ng rotor para sa mga axial flux motors ay ibinubuod sa sumusunod na talahanayan:

5. SDM: Isang Pangunahing Driver para sa Surface-Mounted Axial Flux Motor Rotors

Pagkatapos suriin ang mga pangunahing punto ng pagpili ng rotor para sa tatlong pangunahing mga sitwasyon, nakarating kami sa isang pangunahing elemento -  ang kakayahan sa engineering para sa mga permanenteng magnet na may mataas na pagganap at mga istruktura ng rotor na naka-mount sa ibabaw . Ito ay tiyak kung saan namamalagi ang mga teknikal na pakinabang ng SDM.

Ang SDM ay isang pambansang high-tech na negosyo na nakatuon sa mga magnet at magnetic solution, na may 16 na taong karanasan sa propesyonal na paggawa ng magnet. Ang kumpanya ay may estratehikong pakikipagtulungan sa China Aluminum, ang pinakamalaking negosyo sa pagmimina ng bihirang lupa sa China, na tinitiyak ang isang matatag at ligtas na supply ng mga hilaw na materyales sa lupa. Kasabay nito, ang SDM ay nagsasagawa ng malalim na collaborative na pananaliksik kasama ang  Chinese Academy of Sciences  at nakikipagtulungan sa mga customer sa finite element analysis (FEA), na nagbibigay ng tumpak na suporta sa simulation mula pa sa simula ng magnetic circuit design, at sa gayon ay nagpapaikli sa mga development cycle at nagpapababa ng trial-and-error na mga gastos.

Sa larangan ng surface mounted axial flux motor rotors, nag-aalok ang SDM ng sistematikong pagmamanupaktura at mga pakinabang sa disenyo:

Una, isang kumpletong sistema ng produksyon na may mataas na antas ng mga sertipikasyon.  Ang kumpanya ay may hawak na IATF 16949 (automotive quality management system), ay nagpapanatili ng zero-defect (0 PPM) record bilang Tier-2 supplier sa General Motors mula noong 2010, at nagtataglay din ng ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, carbon footprint at BSCI certifications. Ang mga produkto nito ay sumusunod sa mga kinakailangan sa pagsubok ng RoHS, REACH, at SGS. Nangangahulugan ito na ang bawat batch ng mga permanenteng magnet ay sumasailalim sa mahigpit na kontrol sa kalidad, mula sa pagiging traceability ng hilaw na materyal hanggang sa pagpapadala ng tapos na produkto.

Pangalawa, mature integrated process technology para sa surface-mounted rotor structures.  Sa isang axial flux motor, ang isang surface-mount permanent magnet rotor disc ay dapat sabay-sabay na lutasin ang tatlong pangunahing mga paghihirap sa engineering:  mataas na lakas na pag-aayos ng mga magnet, katatagan sa ilalim ng mataas na bilis ng operasyon, at paggawa/pagbuo . Nagbibigay ang SDM ng iba't ibang opsyon sa magnetic material, kabilang ang high-coercivity na mga marka ng NdFeB at serye ng SmCo. Gumagamit ito ng kumbinasyon ng low-loss, high-strength polymer press plates/fixing frames, rotor back-irons, at carbon fiber retaining sleeves upang matiyak ang maaasahang pagpoposisyon ng magnet sa ilalim ng high-speed na operasyon, habang pinapaliit ang mga pagkalugi ng rotor eddy current. Napatunayan ng solusyong ito ang komprehensibong bentahe nito ng mababang pagkawala ng rotor, mataas na lakas ng istruktura, at mahusay na kakayahang maproseso ng pagpupulong.

Pangatlo, isang top-tier na technical team na sumusuporta sa high-end na pag-customize.  Ang technical team, na binuo ng  mga eksperto sa magnetic materials mula sa Chinese Academy of Sciences , ay kinabibilangan ng 2 PhD, 5 master's degree holder, 8 senior engineer, at higit sa 80 engineering at teknikal na tauhan. Ang kumpanya ay nagtatag ng isang munisipal na R&D center at isang post-doctoral workstation. Kaya, ang SDM ay hindi lamang makakagawa ng mga maginoo na magnet ngunit nagbibigay din ng ganap na proseso ng mga teknikal na solusyon para sa aktwal na magnetic circuit na kinakailangan sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon sa pagtatrabaho (hub motors, robot joints, drone propulsion), kabilang ang pagpili ng magnet grade (ultra-high coercivity NdFeB N/M/UH grades, SmCo5 / Sm-Co-₇ series), demagnetization temperature margin calculation, simulation temperature margin calculation.

Pang-apat, pagtutulungan ng industriya-unibersidad-pananaliksik at malawak na portfolio ng produkto.  Ang SDM ay nagpapanatili ng mga pakikipagtulungan sa Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) at Southwest Jiaotong University, na patuloy na sinusubaybayan ang mga pagsulong sa magnetic materials. Saklaw ng hanay ng produkto nito ang mga micro-motor stator at rotor, maglev motor, sensor, solver, optical isolator, permanent magnet at soft magnetic na bahagi, na nagbibigay ng one-stop na magnetic material na suporta para sa mga disenyo ng motor sa iba't ibang industriya.

Konklusyon

Sa flattened na istraktura at transformative power density nito, muling binibigyang-kahulugan ng axial flux motor ang power architecture ng mga electric vehicle, humanoid robot, at low-altitude aircraft. Sa teknolohiyang lahi na ito na nakasentro sa 'torque density' at 'lightweighting', ang disenyo ng rotor structure at ang kalidad ng permanenteng magnet na materyales ay nagtatakda ng mas mababang limitasyon, habang ang surface-mounted structure – na may  simpleng disenyo, mabilis na dynamic na tugon, at mataas na torque density  – ay sumasakop sa isang hindi mapapalitang posisyon sa mga robot joints, low-speed high-torque hub drive, at iba pang mga application na nangangailangan ng mataas na kahusayan.

Mula sa tumpak na pag-optimize ng magnetic circuit topology hanggang sa high-temperature stability na disenyo ng permanenteng magnet na materyales, tanging sa pamamagitan lamang ng pag-master ng kumpletong chain ng core material technology at rotor manufacturing process ay makakapagtatag ng isang tunay na moat sa mahigpit na kompetisyon sa merkado. Ang SDM, kasama ang mga kredensyal nito bilang isang pambansang high-tech na negosyo, 16 na taon ng naipon na karanasan sa mga permanenteng magnet, teknikal na suporta mula sa isang koponan ng dalubhasang binuo ng CAS, at isang sistematikong sistema ng pamamahala ng kalidad, ay nagbibigay ng matibay na pundasyon para sa mataas na pagiging maaasahan at mataas na pagganap ng surface-mounted axial flux motor rotors. Kung ito man ay ang malawak na hanay ng bilis na hamon ng mga hub motor, ang mababang-inertia precision control na hinihingi ng mga robot joints, o ang matinding mga kinakailangan para sa density ng kapangyarihan at demagnetization resistance sa drone propulsion, nag-aalok ang SDM ng full-process na mga solusyon sa engineering mula sa mga materyales hanggang sa simulation - tiyak ang kailangang-kailangan na puwersa sa pagmamaneho na naglilipat ng axial flux na mga motor mula sa aplikasyon patungo sa malakihan.