Kulcspontok az axiális fluxusmotor forgórészének kiválasztásához különböző üzemi körülmények között – agymotorok, robotcsuklók, drónhajtás

Bevezetés: Paradigmaváltás 'Cylinder'-ről 'Disc'-re

Amikor az emberek villanymotorokra gondolnak, a legtöbben egy hosszú hengert képzelnek el, ahol az állórész körülveszi a forgórészt, és a mágneses tér sugárirányban terjed. Azonban egy motor, amely dacol ezzel a hagyományos formával, egy új technológiai forradalmat hajt végre – a axiális fluxus motor . Az állórészt és a forgórészt szinte lapos koronggá tömöríti, olyan kompakt, mint egy szendvicssüti.

Ennek az ellaposodó forradalomnak a lényege a mágneses út irányának alapvető megváltozása. A hagyományos radiális fluxusmotorban a mágneses mező a tengelytől kifelé sugárzik; axiális fluxusmotorban a mágneses tér a tengellyel párhuzamosan fut, az állórész és a forgórész egymással szemben tárcsás elrendezésben. Ez az eltolódás elképesztő teljesítményelőnyöket hoz:  azonos anyagfelhasználás mellett az axiális fluxusmotor nyomatéka arányos a forgórész átmérőjének kockájával (míg a hagyományos radiális motornál ez csak az átmérő négyzete), így 2-3-szoros nyomatéksűrűség-növekedést és 96%-ot meghaladó hatásfokot ér el.  Ugyanakkor axiális hossza csak 1/3-1/2 a hagyományos motorénak, a térfogat több mint 50%-kal, a tömeg pedig körülbelül 40-50%-kal csökken ugyanazon teljesítmény mellett.

Az axiális fluxusmotorok ilyen nagy teljesítménysűrűsége és nyomatéksűrűsége elérésének kulcsa a forgórész szerkezetének ötletes kialakításában rejlik. A különböző alkalmazási forgatókönyvek eltérő teljesítménykövetelményeket támasztanak, és a rotor mágneses áramköri felépítése, az állandó mágnes anyaga és a topológia kiválasztása gyakran közvetlenül meghatározza, hogy a motor teljes mértékben ki tudja-e használni előnyeit. Ez a cikk három tipikus alkalmazási forgatókönyvvel kezdődik – agymotorok, robotcsuklók és drónhajtás –, és szisztematikusan elemzi a forgórész kiválasztásának fő pontjait.

1. Agymotorok: kompromisszum a nyomatéksűrűség és a széles fordulatszám-tartomány között

A kerékagy motorokat a keréktárcsába építik be, ahol rendkívül korlátozott a hely – ez az elsődleges tervezési korlát. Egyszerre kell biztosítaniuk a nagy nyomatéksűrűséget (induláshoz és mászáshoz), széles sebességtartományt (alacsony sebességű kúszástól a nagy sebességű cirkálásig) és jó hőelvezetési képességet.

A rotorszerkezet kiválasztását illetően az agymotorok általában  felületre szerelt és küllős (belső) típusokat használnak , amelyek mindegyike eltérő tervezési prioritású. A felületre szerelt állandó mágnesek közvetlenül a rotormag felületéhez vannak rögzítve, egyszerű szerkezetet, nagy légrés fluxussűrűséget kínálva, és alkalmasak a végső teljesítménysűrűség elérésére törekvő alkalmazásokhoz. A nagy átmérőjű rotor nagy sebességű forgása azonban óriási centrifugális erőt hoz létre, amihez tartóhüvelyre van szükség a felületre szerelt mágnesek rögzítéséhez. Ehhez nagy szilárdságú, nem mágneses anyagokra van szükség, és maga a hüvely növeli a légrést, ezáltal csökkenti a teljesítményt.

Külső típusú (belső) állandó mágnesek vannak beágyazva a rotor belsejébe. A fluxuskoncentráció révén jelentősen javítják a nyomatéksűrűséget és a fluxusgyengítő fordulatszám-növelési képességet. Például a Jiangsu Egyetem által tervezett STAF-PMSM küllős agymotor kettős rotoros szerkezetet használ a légrés gerjesztési területének növelésére, így fluxuskoncentráció-gerjesztést ér el. Maximális forgatónyomatéka 280 N·m és maximális teljesítménye 15 kW, így alkalmas elosztott kerékhajtású új energiájú járművekhez. Ezen túlmenően a belső szerkezet hatékonyan védi az állandó mágneseket a magas hőmérsékletnek és a mechanikai hatásoknak való közvetlen kitettségtől, elkerülve a mágnesek leválásának kockázatát, amellyel a felületre szerelt típusok nagy sebességnél szembesülnek.

A hőkezelés egy másik alapvető kihívás az agymotorok számára. Nagy teljesítményű üzemben az elektromágneses veszteségek koncentrálódnak és a hűtési feltételek rosszak. Ehhez pontos, veszteségelemzésen alapuló hőmodellezésre van szükség a hatékony hűtés eléréséhez. Jelenleg a két állórészes egyrotoros axiális fluxusmotor (AFIR) az elektromos terhelés növelésével két állórészrel javítja a teljesítménysűrűséget, míg a járom nélküli axiális fluxusmotor (YASA) megszünteti az állórész jármát, hogy csökkentse a vasveszteséget, csökkenti a hőterhelést, miközben javítja a hatékonyságot és a nyomatéksűrűséget.

Összességében az agymotorok rotorválasztásának egyensúlyban kell lennie  a nyomatéksűrűséggel, a fordulatszám-növelési képességgel és a megbízhatósággal . Alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékigény esetén a felületre szerelt vagy küllős szerkezeteket részesítik előnyben, de ha széles fordulatszám-tartományra van szükség, akkor fluxuskoncentrációja és fluxusgyengítő képessége miatt a küllős típus alkalmasabb.

2. Robotcsuklók: az alacsony tehetetlenségi nyomaték és a precíziós vezérlés kettős követelményei

A robotcsuklók határozottan eltérő tulajdonságokat követelnek meg az agymotoroktól. A nagy ízületeknél, mint például a csípő, a derék és a lábak, a nagy forgatónyomaték és az extrém könnyű súly az alapvető követelmények – a hagyományos radiális motorokhoz képest az axiális fluxusmotorok ezekben a forgatókönyvekben 30–60%-kal csökkenthetik a helyfoglalást, és több mint 30%-kal csökkenthetik a súlyt, egyes kialakítások pedig elérhetik a 60–70%-ot. A kis ízületekben, például a csuklókban és az ujjakban a pontosság és az alacsony tehetetlenség fontosabbá válik.

A nyomaték/tehetetlenség arány  kulcsfontosságú tervezési paraméter a robotcsuklós motoroknál. A kutatások azt mutatják, hogy az axiális fluxusmotor nyomatéka arányos a forgórész átmérőjének kockájával, ami azt jelenti, hogy a lapított kötés kompakt terében rendkívül nagy nyomatékkibocsátás érhető el alacsony fordulatszámon, míg a vékony tárcsaszerkezet közvetlenül a kötésbe ágyazható, és egyszerűsíti a hőleadást.

A rotor kiválasztásához a robotcsuklók előnyben részesítik a felületre szerelt szerkezeteket vagy a Halbach-tömböket. A felületre szerelt szerkezet alacsony rotorveszteségével és alacsony tehetetlenségi nyomatékával  gyorsabb dinamikus reakciót tesz lehetővé  – a gyorsulás válaszideje 15 ms-ról 5-8 ms-ra csökkenthető, ami döntő fontosságú a gyors indítást/leállítást és pontos pozicionálást igénylő robotmozgásoknál. A Halbach-tömb egy meghatározott mágnesezési irányminta révén fokozza a mágneses teret az egyik oldalon, míg a másik oldalon majdnem kioltja azt, lehetővé téve a rotormag eltávolítását és tovább csökkentve a rotor tehetetlenségét és veszteségeit.

A mágneses áramkör kialakítása és az állandó mágnes anyagának kiválasztása is pontos szabályozást igényel. Az axiális fluxusmotorok gyűrű alakú mágneses elrendezést használnak, ami lerövidíti a mágneses út hosszát és növeli a nyomatéksűrűséget a hagyományos radiális fluxusmotorok radiális elrendezéséhez képest. Továbbá, mivel a robotcsuklók gyakran tartalmaznak szűkítőket vagy akár kvázi közvetlen meghajtású (QDD) rendszereket, nagyobb koercitív és hőstabilitás szükséges. Ha a költségek megengedik, a nagy koercitív fokozatok nehéz ritkaföldfémekkel, például diszpróziummal és terbiummal hatékonyan megakadályozzák a fordított mágneses mezők által okozott lemágnesezést működés közben.

A 16–18 mm-es tartomány miniatűr kötéseinél a PCB típusú axiális fluxusmotorok egyedülálló előnyöket mutatnak. Hagyományos réztekercselés helyett maratást alkalmaznak, magas gyártási konzisztenciát, alacsony vasveszteséget és rendkívül könnyű súlyt biztosítanak.

3. Drón meghajtás: Az erősűrűség és a termikus lemágnesezéssel szembeni ellenállás extrém kihívásai

A drónok meghajtórendszerei alapvető ellentmondással szembesülnek:  minden plusz gramm súly csökkenti a repülési időt, és minden fokú hőmérséklet-emelkedés csökkenti a teljesítményt . Az adatok azt mutatják, hogy a 25:1-nél nagyobb tolóerő-tömeg arányú axiális fluxusmotorok esetében a tömeg 1 kg-mal történő csökkentése körülbelül 10 km-rel növelheti a hatótávolságot. Ezért a könnyű súly és a nagy teljesítménysűrűség az elsődleges tervezési kritérium a drón hajtómotoroknál.

A teljesítménysűrűség tekintetében az axiális fluxusmotorok elsöprő előnyöket mutatnak a drónok meghajtásában. Térfogati teljesítménysűrűségük elérheti  a 14,9 kW/kg-ot , ami messze meghaladja a hagyományos radiális motorokéét. A mért teljesítménysűrűség 5,8-21  kW/kg , a nyomatéksűrűség pedig  15-25 Nm/kg . A legújabb 'Yufeng' T-sorozatú axiális fluxus meghajtó rendszer 10 Nm/kg folyamatos teljesítménysűrűséget és 20 Nm/kg csúcsnyomatéksűrűséget ér el, így kiválóan alkalmas közvetlen hajtású fejlett repülőgépek, például pilóta eVTOL és összetett szárnyú drónok meghajtására.

A teljesítménysűrűségen túl a drónok meghajtómotorjai a lemágnesezés kockázatával is szembesülnek magas hőmérsékletű környezetben. Repülés közben a motorok hosszabb ideig nagy teljesítménnyel működnek, ami gyors hőmérséklet-emelkedést okoz a tekercsekben és az állandó mágnesekben. Ha a küldetéseket nyári melegben vagy sivatagi területeken hajtják végre, a környezeti hőmérséklet és az önmelegedés kombinációja komoly lemágnesezési kihívásokat okoz az állandó mágnesek számára.

Az állandó mágneses anyag kiválasztása közvetlenül befolyásolja a drónmotorok magas hőmérsékletű megbízhatóságát.  Az elterjedt állandó mágneses anyagok közül a neodímium-vas-bór (NdFeB) nyújtja a legnagyobb mágneses teljesítményt, de a standard minőségek (N sorozat) maximális üzemi hőmérséklete mindössze 80-100°C, és 200°C felett visszafordíthatatlan mágneses veszteség léphet fel. A nagy koercitív NdFeB minőségek (SH, UH, EH, AH sorozat) 150-240°C-ig működnek, de magas hőmérsékleti stabilitásuk még mindig rosszabb, mint a szamárium-kobalt (SmCo). Az SmCo mágnesek stabilan működhetnek  300°C felett , Curie hőmérséklete meghaladja a 720°C-ot, és mágneses tulajdonságaik csak 1/4-1/3-ban változnak, mint az NdFeB hőmérséklettől függően. Hátránya a valamivel alacsonyabb mágneses energiatermék és a magasabb költség. A fogyasztói drónok esetében a nagy teljesítményű NdFeB a legtöbb igényhez elegendő; de az ipari drónokhoz és az emberes eVTOL-hoz magas hőmérsékletű, nagy teljesítményű körülmények között az SmCo – költsége ellenére – szükséges választás a megbízhatóság érdekében.

4. A rotortípusok gyors áttekintése: A felületre szerelt és a belső tér összehasonlítása

A fenti elemzés alapján az axiális fluxusmotorok fő rotorszerkezet-típusait a következő táblázat foglalja össze:

5. SDM: A felületre szerelt axiális fluxusmotor forgórészeinek kulcsa

A három fő forgatókönyv kulcsfontosságú forgórész-kiválasztási pontjainak elemzése után eljutunk egy alapvető elemhez –  a nagy teljesítményű állandó mágnesek és a felületre szerelt rotorszerkezetek mérnöki képességeihez . Pontosan ebben rejlenek az SDM technikai előnyei.

Az SDM egy nemzeti high-tech vállalkozás, amely mágnesekre és mágneses megoldásokra összpontosít, 16 éves tapasztalattal a professzionális mágnesgyártásban. A vállalat stratégiai együttműködést folytat a China Aluminiummal, a legnagyobb kínai ritkaföldfém-bányászati ​​vállalattal, biztosítva a ritkaföldfém-alapanyagok stabil és biztonságos ellátását. Ugyanakkor az SDM mélyreható együttműködési kutatásokat folytat a  Kínai Tudományos Akadémiával  , és együttműködik az ügyfelekkel a végeselem-elemzésen (FEA), pontos szimulációs támogatást nyújtva a mágneses áramkörök tervezésének kezdetétől, ezáltal lerövidítve a fejlesztési ciklusokat és csökkentve a próba és hiba költségeit.

A felületre szerelt axiális fluxusmotoros rotorok területén az SDM szisztematikus gyártási és tervezési előnyöket kínál:

Először is egy teljes gyártási rendszer magas szintű tanúsítvánnyal.  A cég rendelkezik IATF 16949 (autóipari minőségirányítási rendszer) minősítéssel, 2010 óta nulla hiba (0 PPM) rekordot tart fenn a General Motors Tier-2 beszállítójaként, valamint rendelkezik ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, szénlábnyom és BSCI tanúsítvánnyal. Termékei megfelelnek az RoHS, a REACH és az SGS tesztelési követelményeinek. Ez azt jelenti, hogy az állandó mágnesek minden tétele szigorú minőségellenőrzésen esik át, a nyersanyag nyomon követhetőségétől a késztermék kiszállításáig.

Másodszor, kiforrott integrált folyamattechnológia a felületre szerelt rotorszerkezetekhez.  Egy axiális fluxusmotorban a felületre szerelt állandó mágneses rotortárcsának három fő mérnöki nehézséget kell egyszerre megoldania:  a mágnesek nagy szilárdságú rögzítése, a nagy sebességű működési stabilitás és a gyárthatóság/összeszerelés . Az SDM különféle mágneses anyagokat kínál, beleértve a nagy koercitív NdFeB minőséget és az SmCo sorozatot. Alacsony veszteségű, nagy szilárdságú polimer préslapok/rögzítő keretek, forgórész hátulsó vasak és szénszálas rögzítő hüvelyek kombinációját használja, hogy megbízható mágnespozíciót biztosítson nagy sebességű működés mellett, miközben minimalizálja a rotor örvényáram-veszteségét. Ez a megoldás bebizonyította átfogó előnyeit az alacsony rotorveszteség, a nagy szerkezeti szilárdság és a jó összeszerelési feldolgozhatóság.

Harmadszor, egy csúcskategóriás műszaki csapat, amely támogatja a csúcskategóriás testreszabást.  által összeállított technikai csapatban  A Kínai Tudományos Akadémia mágneses anyagokkal foglalkozó szakértői 2 PhD, 5 mesterfokozatú, 8 vezető mérnök, valamint több mint 80 mérnöki és műszaki személyzet vesz részt. A cég önkormányzati K+F központot és posztdoktori munkaállomást hozott létre. Így az SDM nem csak hagyományos mágneseket tud előállítani, hanem teljes folyamatot átfogó műszaki megoldásokat is kínál a tényleges mágneses áramköri követelményekhez különböző munkakörülmények között (agymotorok, robotcsuklók, drónhajtás), beleértve a mágneses fokozatok kiválasztását (ultramagas koercitív NdFeB N/M/UH fokozatok, SmCo5 / Sm-Co-₇ kategóriák, SmCo5 / Sm-Co-₇ kategóriák), szimulációs és finnitest hőmérséklet-határszámítási sorozatot.

Negyedszer, ipar-egyetem-kutatási együttműködés és széles termékportfólió.  Az SDM együttműködési kapcsolatokat ápol a Ningbo Anyagtechnológiai és Mérnöki Intézettel (CAS) és a Southwest Jiaotong Egyetemmel, folyamatosan nyomon követve a mágneses anyagok fejlődését. Termékpalettája mikromotoros állórészeket és forgórészeket, maglev motorokat, érzékelőket, rezolvereket, optikai leválasztókat, állandó mágneseket és lágymágneses alkatrészeket foglal magában, amelyek egyablakos mágneses anyagtámogatást biztosítanak a motortervezésekhez különböző iparágakban.

Következtetés

Lapított szerkezetével és átalakító teljesítménysűrűségével az axiális fluxusmotor újradefiniálja az elektromos járművek, a humanoid robotok és az alacsony magasságú repülőgépek teljesítményarchitektúráját. Ebben a 'nyomatéksűrűség' és 'könnyűsúlyozás' középpontjában álló technológiai versenyben a rotorszerkezet kialakítása és az állandó mágneses anyagok minősége szabja meg az alsó határt, míg a felületre szerelt szerkezet –  egyszerű kialakításával, gyors dinamikus reakciójával és nagy nyomatéksűrűségével  – pótolhatatlan helyet foglal el a robotcsuklókban, a kis fordulatszámú, nagy nyomatékot igénylő hajtásokban és egyéb, nagy nyomatékigényű hajtásokban és egyéb alkalmazásokban.

A mágneses áramkör topológiájának precíz optimalizálásától az állandó mágneses anyagok magas hőmérsékletű stabilitású tervezéséig csak a maganyag-technológia és a rotorgyártási folyamatok teljes láncolatának elsajátításával lehet valódi árkot kialakítani a kiélezett piaci versenyben. Az SDM nemzeti csúcstechnológiai vállalkozásként, 16 éves állandó mágnesek terén felhalmozott tapasztalattal, a CAS által épített szakértői csapat technikai támogatásával és szisztematikus minőségirányítási rendszerével szilárd alapot biztosít a felületre szerelt axiális fluxusmotoros rotorok nagy megbízhatóságához és nagy teljesítményéhez. Legyen szó a kerékagymotorok széles fordulatszám-tartományának kihívásáról, a robotcsuklók kis tehetetlenségi nyomatékú precíziós vezérlési követelményeiről, vagy a drónhajtás teljesítménysűrűségével és lemágnesezési ellenállásával szemben támasztott extrém követelményekről, az SDM teljes folyamatra kiterjedő mérnöki megoldásokat kínál az anyagoktól a szimulációig – pontosan az a nélkülözhetetlen hajtóerő, amely az axiális fluxusmotorokat az alkalmazáslaboratóriumból a nagy léptékű motorokba mozgatja.