Ključne točke za odabir rotora motora s aksijalnim fluksom u različitim radnim uvjetima – motori s glavčinama, zglobovi robota, pogon drona

Uvod: Promjena paradigme s 'cilindra' na 'disk'

Kada ljudi razmišljaju o električnim motorima, većina zamišlja dugački cilindar gdje stator okružuje rotor, a magnetsko polje se širi radijalno. Međutim, motor koji prkosi ovom konvencionalnom obliku pokreće novu tehnološku revoluciju – the motor s aksijalnim fluksom . Sabija stator i rotor u gotovo ravan disk, kompaktan poput kolačića za sendvič.

Srž ove revolucije spljoštenja leži u temeljnoj promjeni smjera magnetskog puta. U tradicionalnom motoru radijalnog toka, magnetsko polje zrači prema van od osi; u motoru s aksijalnim fluksom, magnetsko polje teče paralelno s osi, sa statorom i rotorom okrenutim jedan prema drugom u rasporedu diskova. Ovaj pomak donosi zapanjujuće prednosti u radu:  s istom upotrebom materijala, zakretni moment motora s aksijalnim fluksom proporcionalan je kubu promjera rotora (dok je za tradicionalni radijalni motor samo kvadrat promjera), postižući povećanje gustoće zakretnog momenta od 2-3 puta i učinkovitost veću od 96%.  U isto vrijeme, njegova aksijalna duljina je samo 1/3 do 1/2 od konvencionalnog motora, s volumenom smanjenim za više od 50% i težinom smanjenom za približno 40%-50% pod istom snagom.

Ključ za postizanje tako velike gustoće snage i gustoće momenta u motorima s aksijalnim fluksom leži u genijalnom dizajnu strukture rotora. Različiti scenariji primjene nameću različite zahtjeve performansi, a odabir strukture magnetskog kruga rotora, materijala trajnog magneta i topologije često izravno određuje može li motor u potpunosti ostvariti svoje prednosti. Ovaj članak počinje s tri tipična scenarija primjene – motori glavčine, zglobovi robota i pogon drona – i sustavno analizira ključne točke odabira rotora.

1. Motori s glavčinama: kompromis između gustoće momenta i širokog raspona brzine

Motori glavčine ugrađeni su unutar naplatka kotača, gdje je prostor iznimno ograničen - to je primarno ograničenje dizajna. Moraju istodobno osigurati visoku gustoću okretnog momenta (za start i penjanje), širok raspon brzina (od niske brzine puzanja do velike brzine) i dobru sposobnost odvođenja topline.

Što se tiče odabira strukture rotora, motori s glavčinama obično koriste  površinski montirane i žbice (unutarnje) tipove , svaki s različitim prioritetima dizajna. Površinski postavljeni trajni magneti izravno su pričvršćeni na površinu jezgre rotora, nudeći jednostavnu strukturu, visoku gustoću toka zračnog raspora i prikladnost za aplikacije koje traže konačnu gustoću snage. Međutim, velika brzina rotacije rotora velikog promjera stvara ogromnu centrifugalnu silu, zahtijevajući pričvrsnu čahuru za učvršćivanje površinski montiranih magneta. To zahtijeva nemagnetske materijale visoke čvrstoće, a sama čahura povećava zračni raspor, čime se smanjuje učinak.

Trajni magneti tipa žbica (unutarnji) ugrađeni su unutar rotora. Kroz koncentraciju fluksa, oni značajno poboljšavaju gustoću zakretnog momenta i sposobnost produljenja brzine pri slabljenju fluksa. Na primjer, STAF-PMSM motor s glavčinom tipa žbica koji je dizajniralo Sveučilište Jiangsu koristi strukturu s dva rotora za povećanje područja pobude zračnog raspora, postižući pobudu koncentracije fluksa. Isporučuje najveći okretni moment od 280 N·m i maksimalnu snagu od 15 kW, što ga čini prikladnim za nova energetska vozila s distribuiranim pogonom na kotače. Štoviše, unutarnja struktura učinkovito štiti trajne magnete od izravnog izlaganja visokoj temperaturi i mehaničkim udarcima, prevladavajući rizik odvajanja magneta s kojim se površinski montirani tipovi suočavaju pri velikim brzinama.

Upravljanje toplinom još je jedan ključni izazov za motore u glavčini. U radu velike snage, elektromagnetski gubici su koncentrirani, a uvjeti hlađenja su loši. To zahtijeva precizno toplinsko modeliranje na temelju analize gubitaka kako bi se postiglo učinkovito hlađenje. Trenutno, motor s aksijalnim fluksom s dva statora i jednim rotorom (AFIR) poboljšava gustoću snage povećanjem električnog opterećenja s dva statora, dok motor s aksijalnim fluksom bez jarma (YASA) eliminira jarmer statora kako bi se smanjio gubitak željeza, smanjujući toplinsko opterećenje uz poboljšanje učinkovitosti i gustoće momenta.

Općenito, odabir rotora za motore s glavčinama mora uravnotežiti  gustoću zakretnog momenta, sposobnost povećanja brzine i pouzdanost . Za zahtjeve za malim brzinama i visokim momentom poželjne su površinski montirane strukture ili strukture tipa žbica, ali ako je potreban širok raspon brzina, tip žbice je prikladniji zbog svoje koncentracije fluksa i sposobnosti slabljenja fluksa.

2. Zglobovi robota: dvostruki zahtjevi male inercije i precizne kontrole

Zglobovi robota zahtijevaju izrazito različite karakteristike od motora u glavčini. U velikim zglobovima kao što su kukovi, strukovi i noge, veliki izlazni moment i ekstremna mala težina ključni su zahtjevi – u usporedbi s tradicionalnim radijalnim motorima, motori s aksijalnim fluksom u ovim scenarijima mogu smanjiti zauzetost prostora za 30%–60% i težinu za više od 30%, a neki dizajni dosežu 60%–70%. U malim zglobovima kao što su zapešća i prsti, preciznost i niska inercija postaju veći prioriteti.

Omjer zakretnog momenta i inercije  ključni je parametar konstrukcije za zglobne motore robota. Istraživanja pokazuju da je zakretni moment motora s aksijalnim fluksom proporcionalan kubu promjera rotora, što znači da se može postići iznimno visok izlaz zakretnog momenta pri niskim brzinama u kompaktnom prostoru spljoštenog spoja, dok se struktura tankog diska može ugraditi izravno u spoj i pojednostavljuje raspršivanje topline.

Za odabir rotora, zglobovi robota daju prednost površinski montiranim strukturama ili nizovima Halbach. Struktura postavljena na površinu, s niskim gubitkom rotora i niskim momentom inercije, omogućuje  brži dinamički odziv  – vrijeme odziva ubrzanja može se smanjiti s 15 ms na 5–8 ms, što je ključno za kretanja robota koja zahtijevaju brzo pokretanje/zaustavljanje i precizno pozicioniranje. Halbachov niz, kroz specifičan uzorak smjera magnetizacije, pojačava magnetsko polje s jedne strane dok ga gotovo poništava s druge strane, dopuštajući eliminaciju jezgre rotora i daljnje smanjenje inercije i gubitaka rotora.

Dizajn magnetskog kruga i odabir materijala trajnog magneta također zahtijevaju preciznu kontrolu. Motori s aksijalnim fluksom koriste prstenasti raspored magneta, koji skraćuje duljinu magnetskog puta i povećava gustoću momenta u usporedbi s radijalnim rasporedom tradicionalnih motora s radijalnim fluksom. Također, budući da zglobovi robota često uključuju reduktore ili čak sheme kvaziizravnog pogona (QDD), potrebna je veća koercitivnost i toplinska stabilnost. Kada to trošak dopušta, visokokoercitivni stupnjevi s teškim rijetkim metalima kao što su disprozij i terbij mogu učinkovito spriječiti demagnetizaciju od obrnutih magnetskih polja tijekom rada.

Za minijaturne spojeve u rasponu od 16-18 mm, motori s aksijalnim fluksom PCB-a pokazuju jedinstvene prednosti. Korištenjem jetkanja umjesto tradicionalnih bakrenih namota, oni nude visoku konzistentnost proizvodnje, mali gubitak željeza i ekstremno laganu težinu.

3. Pogon drona: Ekstremni izazovi gustoće snage i otpornosti na toplinsku demagnetizaciju

Pogonski sustavi drona suočavaju se s temeljnom kontradikcijom:  svaki dodatni gram težine smanjuje vrijeme leta, a svaki stupanj porasta temperature smanjuje snagu . Podaci pokazuju da za motor s aksijalnim fluksom s omjerom potiska i težine većim od 25:1, smanjenje mase za 1 kg može povećati domet za oko 10 km. Stoga su mala težina i velika gustoća snage primarni kriteriji dizajna pogonskih motora drona.

Što se tiče gustoće snage, motori s aksijalnim fluksom pokazuju nevjerojatne prednosti u pogonu drona. Njihova volumetrijska gustoća snage može doseći  14,9 kW/kg , daleko premašujući onu tradicionalnih radijalnih motora. Izmjerene gustoće snage kreću se od  5,8 do 21 kW/kg , s gustoćama momenta od  15 do 25 Nm/kg . Najnoviji propulzijski sustav 'Yufeng' T-serije postiže kontinuiranu gustoću snage od 10 Nm/kg i vršnu gustoću zakretnog momenta od 20 Nm/kg, što ga čini prikladnim za propulziju s izravnim pogonom u naprednim zrakoplovima kao što su eVTOL s ljudskom posadom i dronovi sa složenim krilima.

Osim gustoće snage, pogonski motori bespilotnih letjelica također se suočavaju s rizikom demagnetizacije u okruženjima visoke temperature. Tijekom leta, motori dulje vrijeme rade velikom snagom, uzrokujući brz porast temperature u namotima i trajnim magnetima. Ako se misije provode u ljetnim vrućinama ili pustinjskim područjima, kombinacija temperature okoline i samozagrijavanja stvara ozbiljne izazove demagnetizacije za trajne magnete.

Odabir materijala trajnog magneta izravno utječe na visokotemperaturnu pouzdanost motora drona.  Među uobičajenim trajnim magnetskim materijalima, neodim-željezo-bor (NdFeB) nudi najveće magnetske performanse, ali standardne kvalitete (N serija) imaju maksimalnu radnu temperaturu od samo 80-100°C, a nepovratni magnetski gubitak može se pojaviti iznad 200°C. Vrste NdFeB visoke koercitivnosti (serije SH, UH, EH, AH) mogu raditi do 150–240°C, ali njihova stabilnost na visokim temperaturama još uvijek je inferiorna u odnosu na samarij-kobalt (SmCo). SmCo magneti mogu raditi stabilno iznad  300°C , s Curiejevom temperaturom većom od 720°C, a njihova magnetska svojstva variraju samo 1/4–1/3 onoliko koliko ima NdFeB s temperaturom. Nedostaci su nešto niža magnetska energija proizvoda i veća cijena. Za potrošačke dronove, NdFeB visokih performansi dovoljan je za većinu potreba; ali za industrijske bespilotne letjelice i eVTOL s ljudskom posadom u uvjetima visoke temperature i velike snage, SmCo je – unatoč svojoj cijeni – nužan izbor za pouzdanost.

4. Kratki pregled tipova rotora: Usporedba rotora za površinsku montažu u odnosu na unutarnju

Na temelju gornje analize, tipovi strukture glavnog rotora za motore s aksijalnim fluksom sažeti su u sljedećoj tablici:

5. SDM: Ključni pokretač za površinski montirane rotore motora s aksijalnim fluksom

Nakon analize ključnih točaka odabira rotora za tri glavna scenarija, dolazimo do ključnog elementa –  inženjerske sposobnosti za trajne magnete visokih performansi i površinski montirane strukture rotora . Upravo tu leže tehničke prednosti SDM-a.

SDM je nacionalno visokotehnološko poduzeće usmjereno na magnete i magnetska rješenja, sa 16 godina iskustva u profesionalnoj proizvodnji magneta. Tvrtka ima stratešku suradnju s China Aluminiumom, najvećim poduzećem za rudarenje rijetkih zemalja u Kini, čime se osigurava stabilna i sigurna opskrba sirovinama rijetkih zemalja. Istodobno, SDM provodi dubinska suradnička istraživanja s  Kineskom akademijom znanosti  i radi s korisnicima na analizi konačnih elemenata (FEA), pružajući točnu podršku simulaciji od samog početka dizajna magnetskog kruga, čime se skraćuju razvojni ciklusi i smanjuju troškovi pokušaja i pogrešaka.

U području površinski montiranih rotora motora s aksijalnim fluksom, SDM nudi sustavne prednosti proizvodnje i dizajna:

Prvo, kompletan proizvodni sustav s certifikatima visoke razine.  Tvrtka posjeduje IATF 16949 (sustav upravljanja kvalitetom u automobilskoj industriji), održava evidenciju bez grešaka (0 PPM) kao Tier-2 dobavljač General Motorsa od 2010., a također posjeduje certifikate ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, ugljični otisak i BSCI. Njegovi proizvodi udovoljavaju RoHS, REACH i SGS zahtjevima testiranja. To znači da svaka serija trajnih magneta prolazi rigoroznu kontrolu kvalitete, od sljedivosti sirovina do otpreme gotovog proizvoda.

Drugo, zrela integrirana procesna tehnologija za površinski montirane rotorske strukture.  U motoru s aksijalnim fluksom, površinski montirani rotorski disk s permanentnim magnetom mora istodobno riješiti tri glavne inženjerske poteškoće:  fiksiranje magneta visoke čvrstoće, stabilnost pri radu velikom brzinom i mogućnost izrade/montaže . SDM nudi razne mogućnosti magnetskog materijala, uključujući NdFeB stupnjeve visoke koercitivnosti i serije SmCo. Koristi kombinaciju polimernih pritisnih ploča/okvira za pričvršćivanje s malim gubicima, visoke čvrstoće, stražnjih okova rotora i potpornih rukavaca od ugljičnih vlakana kako bi se osiguralo pouzdano pozicioniranje magneta pri radu velike brzine, dok su gubici vrtložne struje rotora minimalizirani. Ovo rješenje je dokazalo svoje sveobuhvatne prednosti niskog gubitka rotora, visoke čvrstoće konstrukcije i dobre mogućnosti obrade sklopa.

Treće, vrhunski tehnički tim koji podržava vrhunsku prilagodbu.  Tehnički tim, koji su izgradili  stručnjaci za magnetske materijale s Kineske akademije znanosti , uključuje 2 doktora znanosti, 5 nositelja magisterija, 8 viših inženjera i više od 80 inženjera i tehničkog osoblja. Tvrtka je uspostavila općinski centar za istraživanje i razvoj i postdoktorsku radnu stanicu. Dakle, SDM ne samo da može proizvoditi konvencionalne magnete, već također pruža tehnička rješenja za potpuni proces za stvarne zahtjeve magnetskog kruga pod različitim radnim uvjetima (motori čvorišta, spojevi robota, pogon bespilotnih letjelica), uključujući odabir razreda magneta (vrhvisoke koercitivnosti NdFeB N/M/UH razredi, SmCo5 / Sm-Co-₇ serije), izračun margine temperature demagnetizacije i simulaciju konačnih elemenata.

Četvrto, suradnja industrije, sveučilišta i istraživanja i širok portfelj proizvoda.  SDM održava odnose suradnje s Ningbo institutom za tehnologiju i inženjerstvo materijala (CAS) i Sveučilištem Southwest Jiaotong, kontinuirano prateći napredak u magnetskim materijalima. Njegov asortiman proizvoda obuhvaća statore i rotore mikromotora, maglev motore, senzore, rezolvere, optičke izolatore, permanentne magnete i mekane magnetske komponente, pružajući sveobuhvatnu podršku magnetskog materijala za dizajn motora u različitim industrijama.

Zaključak

Sa svojom spljoštenom strukturom i transformativnom gustoćom snage, motor s aksijalnim fluksom redefinira arhitekturu snage električnih vozila, humanoidnih robota i zrakoplova na malim visinama. U ovoj tehnološkoj utrci usredotočenoj na 'gustoću zakretnog momenta' i 'laku težinu', dizajn strukture rotora i kvaliteta materijala s trajnim magnetima postavljaju donju granicu, dok površinski montirana struktura – sa svojim  jednostavnim dizajnom, brzim dinamičkim odzivom i velikom gustoćom zakretnog momenta  – zauzima nezamjenjivu poziciju u zglobovima robota, pogonima glavčina s malim brzinama i velikim zakretnim momentom i drugim primjenama koje zahtijevaju visoku učinkovitost i malu inerciju.

Od precizne optimizacije topologije magnetskog kruga do dizajna stabilnosti na visokim temperaturama materijala s trajnim magnetima, samo svladavanjem cjelovitog lanca tehnologije materijala jezgre i procesa proizvodnje rotora može se uspostaviti pravi jarak u oštroj tržišnoj konkurenciji. SDM, sa svojim vjerodajnicama kao nacionalno visokotehnološko poduzeće, 16 godina akumuliranog iskustva u trajnim magnetima, tehničkom podrškom stručnog tima izgrađenog u CAS-u i sustavnim sustavom upravljanja kvalitetom, pruža čvrst temelj za visoku pouzdanost i visoke performanse površinski montiranih rotora motora s aksijalnim fluksom. Bilo da se radi o izazovu širokog raspona brzina motora u glavčini, zahtjevima za precizno upravljanje spojevima robota s niskom inercijom ili ekstremnim zahtjevima za gustoću snage i otpornost na demagnetizaciju u pogonu bespilotnih letjelica, SDM nudi inženjerska rješenja za potpuni proces od materijala do simulacije – upravo nezamjenjiva pokretačka snaga koja pomiče motore s aksijalnim fluksom iz laboratorija u primjenu u velikim razmjerima.