Poin Penting dalam Pemilihan Rotor Motor Fluks Aksial Dalam Kondisi Pengoperasian Berbeda – Motor Hub, Sambungan Robot, Penggerak Drone

Pendahuluan: Pergeseran Paradigma dari 'Silinder' ke 'Disk'

Ketika orang memikirkan motor listrik, kebanyakan orang membayangkan sebuah silinder panjang dengan stator yang membungkus rotor dan medan magnet merambat secara radial. Namun, motor yang menentang bentuk konvensional ini mendorong revolusi teknologi baru – yaitu motor fluks aksial . Ini memampatkan stator dan rotor menjadi cakram yang hampir datar, sekompak kue sandwich.

Inti dari revolusi perataan ini terletak pada perubahan mendasar arah jalur magnet. Pada motor fluks radial tradisional, medan magnet memancar keluar dari sumbu; pada motor fluks aksial, medan magnet berjalan sejajar dengan sumbu, dengan stator dan rotor saling berhadapan dalam susunan cakram. Pergeseran ini memberikan keunggulan kinerja yang luar biasa:  dengan penggunaan material yang sama, torsi motor fluks aksial sebanding dengan pangkat tiga diameter rotor (sedangkan untuk motor radial tradisional hanya kuadrat diameternya), sehingga mencapai peningkatan kepadatan torsi 2–3 kali lipat dan efisiensi melebihi 96%.  Pada saat yang sama, panjang aksialnya hanya 1/3 hingga 1/2 panjang aksial motor konvensional, dengan volume berkurang lebih dari 50% dan bobot berkurang sekitar 40%–50% dengan daya yang sama.

Kunci untuk mencapai kepadatan daya dan kepadatan torsi yang tinggi pada motor fluks aksial terletak pada desain struktur rotor yang cerdik. Skenario aplikasi yang berbeda memberlakukan persyaratan kinerja yang berbeda, dan pemilihan struktur sirkuit magnetik rotor, bahan magnet permanen, dan topologi sering kali secara langsung menentukan apakah motor dapat sepenuhnya mewujudkan keunggulannya. Artikel ini dimulai dengan tiga skenario aplikasi umum – motor hub, sambungan robot, dan penggerak drone – dan secara sistematis menganalisis poin inti pemilihan rotor.

1. Motor Hub: Pertukaran Antara Kepadatan Torsi dan Rentang Kecepatan Lebar

Motor hub dipasang di dalam pelek roda, dimana ruang sangat terbatas – ini adalah kendala desain utama. Mereka secara bersamaan harus memberikan kepadatan torsi yang tinggi (untuk memulai dan mendaki), rentang kecepatan yang luas (dari penjelajahan kecepatan rendah hingga jelajah kecepatan tinggi), dan kemampuan pembuangan panas yang baik.

Dalam hal pemilihan struktur rotor, motor hub biasanya menggunakan  tipe yang dipasang di permukaan dan tipe jari-jari (interior) , masing-masing dengan prioritas desain yang berbeda. Magnet permanen yang dipasang di permukaan dipasang langsung ke permukaan inti rotor, menawarkan struktur sederhana, kerapatan fluks celah udara yang tinggi, dan kesesuaian untuk aplikasi yang mengejar kepadatan daya tertinggi. Namun, putaran kecepatan tinggi dari rotor berdiameter besar menghasilkan gaya sentrifugal yang sangat besar, sehingga memerlukan selongsong penahan untuk mengamankan magnet yang dipasang di permukaan. Hal ini memerlukan bahan non-magnetik berkekuatan tinggi, dan selongsong itu sendiri meningkatkan celah udara, sehingga mengurangi keluaran.

Magnet permanen tipe jari-jari (interior) tertanam di dalam rotor. Melalui konsentrasi fluks, mereka secara signifikan meningkatkan kepadatan torsi dan kemampuan ekstensi kecepatan yang melemahkan fluks. Misalnya, motor hub tipe jari-jari STAF-PMSM yang dirancang oleh Universitas Jiangsu menggunakan struktur rotor ganda untuk meningkatkan area eksitasi celah udara, sehingga mencapai eksitasi konsentrasi fluks. Mesin ini menghasilkan torsi maksimum 280 N·m dan daya maksimum 15 kW, sehingga cocok untuk kendaraan energi baru berpenggerak in-wheel yang didistribusikan. Selain itu, struktur interior secara efektif melindungi magnet permanen dari paparan langsung terhadap suhu tinggi dan dampak mekanis, mengatasi risiko pelepasan magnet yang dihadapi jenis magnet yang dipasang di permukaan pada kecepatan tinggi.

Manajemen termal merupakan tantangan inti lainnya untuk motor hub. Dalam operasi daya tinggi, kerugian elektromagnetik terkonsentrasi dan kondisi pendinginan buruk. Hal ini memerlukan pemodelan termal yang akurat berdasarkan analisis kehilangan untuk mencapai pendinginan yang efektif. Saat ini, motor fluks aksial rotor tunggal (AFIR) dual-stator meningkatkan kepadatan daya dengan meningkatkan pembebanan listrik dengan dua stator, sedangkan motor fluks aksial tanpa kuk (YASA) menghilangkan kuk stator untuk mengurangi kehilangan besi, menurunkan beban termal sekaligus meningkatkan efisiensi dan kepadatan torsi.

Secara keseluruhan, pemilihan rotor untuk motor hub harus menyeimbangkan  kepadatan torsi, kemampuan ekstensi kecepatan, dan keandalan . Untuk kebutuhan torsi tinggi kecepatan rendah, lebih disukai struktur yang dipasang di permukaan atau tipe jari-jari, tetapi jika diperlukan rentang kecepatan yang luas, tipe jari-jari lebih cocok karena konsentrasi fluks dan kemampuan melemahkan fluks.

2. Sambungan Robot: Persyaratan Ganda Inersia Rendah dan Kontrol Presisi

Sambungan robot memerlukan karakteristik yang sangat berbeda dari motor hub. Pada sambungan besar seperti pinggul, pinggang, dan kaki, keluaran torsi tinggi dan bobot yang sangat ringan merupakan persyaratan inti – dibandingkan dengan motor radial tradisional, motor fluks aksial dalam skenario ini dapat mengurangi penggunaan ruang sebesar 30%–60% dan bobot lebih dari 30%, dengan beberapa desain mencapai 60%–70%. Pada sendi kecil seperti pergelangan tangan dan jari, presisi dan inersia rendah menjadi prioritas lebih tinggi.

Rasio torsi terhadap inersia  adalah parameter desain utama untuk motor sambungan robot. Penelitian menunjukkan bahwa torsi motor fluks aksial sebanding dengan pangkat tiga diameter rotor, yang berarti bahwa keluaran torsi kecepatan rendah yang sangat tinggi dapat dicapai dalam ruang kompak pada sambungan pipih, sedangkan struktur cakram tipis dapat tertanam langsung ke dalam sambungan dan menyederhanakan pembuangan panas.

Untuk pemilihan rotor, sambungan robot memberikan prioritas pada struktur yang dipasang di permukaan atau susunan Halbach. Struktur yang dipasang di permukaan, dengan kehilangan rotor yang rendah dan momen inersia yang rendah, memungkinkan  respons dinamis yang lebih cepat  – waktu respons akselerasi dapat dikurangi dari 15 mdtk menjadi 5–8 mdtk, yang sangat penting untuk gerakan robot yang memerlukan start/stop cepat dan penentuan posisi yang tepat. Susunan Halbach, melalui pola arah magnetisasi tertentu, meningkatkan medan magnet di satu sisi dan hampir meniadakannya di sisi lain, memungkinkan penghapusan inti rotor dan selanjutnya mengurangi inersia dan kerugian rotor.

Desain sirkuit magnetik dan pemilihan material magnet permanen juga memerlukan kontrol yang tepat. Motor fluks aksial menggunakan tata letak magnet annular, yang memperpendek panjang jalur magnet dan meningkatkan kepadatan torsi dibandingkan dengan tata letak radial motor fluks radial tradisional. Selain itu, karena sambungan robot sering kali menyertakan skema reduksi atau bahkan penggerak kuasi-langsung (QDD), diperlukan koersivitas dan stabilitas termal yang lebih tinggi. Jika biaya memungkinkan, kadar koersivitas tinggi dengan tanah jarang yang berat seperti disprosium dan terbium dapat secara efektif mencegah demagnetisasi dari medan magnet terbalik selama pengoperasian.

Untuk sambungan miniatur dalam kisaran 16–18 mm, motor fluks aksial tipe PCB menunjukkan keunggulan unik. Menggunakan etsa sebagai pengganti gulungan tembaga tradisional, produk ini menawarkan konsistensi produksi yang tinggi, kehilangan besi yang rendah, dan bobot yang sangat ringan.

3. Penggerak Drone: Tantangan Ekstrim pada Kepadatan Daya dan Ketahanan terhadap Demagnetisasi Termal

Sistem penggerak drone menghadapi kontradiksi mendasar:  setiap gram tambahan berat akan mengurangi waktu terbang, dan setiap derajat kenaikan suhu akan mengurangi daya . Data menunjukkan bahwa untuk motor fluks aksial dengan rasio dorong terhadap berat melebihi 25:1, mengurangi massa sebesar 1 kg dapat meningkatkan jangkauan sekitar 10 km. Oleh karena itu, bobot yang ringan dan kepadatan daya yang tinggi merupakan kriteria desain utama motor penggerak drone.

Dalam hal kepadatan daya, motor fluks aksial menunjukkan keunggulan luar biasa dalam penggerak drone. Kepadatan daya volumetriknya dapat mencapai  14,9 kW/kg , jauh melebihi motor radial tradisional. Kepadatan daya terukur berkisar antara  5,8 hingga 21 kW/kg , dengan kepadatan torsi  15 hingga 25 Nm/kg . Sistem propulsi fluks aksial seri T 'Yufeng' terbaru mencapai kepadatan daya kontinu sebesar 10 Nm/kg dan kepadatan torsi puncak sebesar 20 Nm/kg, sehingga cocok untuk penggerak langsung pada pesawat canggih seperti eVTOL berawak dan drone sayap majemuk.

Selain kepadatan daya, motor penggerak drone juga menghadapi risiko demagnetisasi di lingkungan bersuhu tinggi. Selama penerbangan, motor beroperasi dengan daya tinggi untuk waktu yang lama, menyebabkan kenaikan suhu yang cepat pada belitan dan magnet permanen. Jika misi dilakukan di musim panas atau daerah gurun, kombinasi suhu lingkungan dan pemanasan sendiri menciptakan tantangan demagnetisasi yang parah pada magnet permanen.

Pemilihan material magnet permanen secara langsung mempengaruhi keandalan motor drone pada suhu tinggi.  Di antara bahan magnet permanen yang umum, neodymium-iron-boron (NdFeB) menawarkan kinerja magnet tertinggi, tetapi grade standar (seri N) memiliki suhu pengoperasian maksimum hanya 80–100°C, dan kehilangan magnet permanen dapat terjadi di atas 200°C. Nilai NdFeB koersivitas tinggi (seri SH, UH, EH, AH) dapat beroperasi hingga 150–240°C, namun stabilitas suhu tinggi masih kalah dengan samarium-cobalt (SmCo). Magnet SmCo dapat beroperasi secara stabil di atas  300°C , dengan suhu Curie melebihi 720°C, dan sifat kemagnetannya hanya bervariasi 1/4–1/3 dari NdFeB terhadap suhu. Kerugiannya adalah produk energi magnet yang sedikit lebih rendah dan biaya yang lebih tinggi. Untuk drone konsumen, NdFeB berperforma tinggi sudah cukup untuk sebagian besar kebutuhan; namun untuk drone industri dan eVTOL berawak dalam kondisi suhu dan daya tinggi, SmCo – terlepas dari biayanya – adalah pilihan penting dalam hal keandalan.

4. Ikhtisar Singkat Jenis Rotor: Perbandingan Pemasangan di Permukaan vs

Berdasarkan analisa di atas, jenis struktur rotor utama untuk motor fluks aksial dirangkum dalam tabel berikut:

5. SDM: Penggerak Utama untuk Rotor Motor Fluks Aksial yang Dipasang di Permukaan

Setelah menganalisis titik pemilihan rotor utama untuk tiga skenario utama, kami sampai pada elemen inti –  kemampuan rekayasa untuk magnet permanen berkinerja tinggi dan struktur rotor yang dipasang di permukaan . Di sinilah letak keunggulan teknis SDM.

SDM adalah perusahaan teknologi tinggi nasional yang berfokus pada magnet dan solusi magnetis, dengan pengalaman 16 tahun dalam produksi magnet profesional. Perusahaan ini menjalin kerja sama strategis dengan China Aluminium, perusahaan pertambangan logam tanah jarang terbesar di Tiongkok, untuk memastikan pasokan bahan baku tanah jarang yang stabil dan aman. Pada saat yang sama, SDM melakukan penelitian kolaboratif mendalam dengan  Chinese Academy of Sciences  dan bekerja sama dengan pelanggan dalam analisis elemen hingga (FEA), memberikan dukungan simulasi yang akurat sejak awal desain sirkuit magnetik, sehingga memperpendek siklus pengembangan dan mengurangi biaya coba-coba.

Di bidang rotor motor fluks aksial yang dipasang di permukaan, SDM menawarkan keunggulan manufaktur dan desain yang sistematis:

Pertama, sistem produksi lengkap dengan sertifikasi tingkat tinggi.  Perusahaan ini memegang IATF 16949 (sistem manajemen kualitas otomotif), telah mempertahankan rekor nihil cacat (0 PPM) sebagai pemasok Tier-2 untuk General Motors sejak tahun 2010, dan juga memiliki sertifikasi ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, jejak karbon, dan BSCI. Produknya mematuhi persyaratan pengujian RoHS, REACH, dan SGS. Artinya, setiap batch magnet permanen menjalani kontrol kualitas yang ketat, mulai dari penelusuran bahan mentah hingga pengiriman produk jadi.

Kedua, teknologi proses terintegrasi yang matang untuk struktur rotor yang dipasang di permukaan.  Dalam motor fluks aksial, cakram rotor magnet permanen yang dipasang di permukaan harus secara bersamaan mengatasi tiga kesulitan teknik utama:  pemasangan magnet berkekuatan tinggi, stabilitas dalam pengoperasian kecepatan tinggi, dan kemampuan manufaktur/perakitan . SDM menyediakan berbagai pilihan material magnetik, termasuk grade NdFeB berkoersivitas tinggi dan seri SmCo. Ia menggunakan kombinasi pelat penekan/rangka pemasangan polimer berkekuatan tinggi dan kehilangan rendah, besi belakang rotor, dan selongsong penahan serat karbon untuk memastikan posisi magnet yang andal dalam pengoperasian kecepatan tinggi, sekaligus meminimalkan kehilangan arus eddy rotor. Solusi ini telah membuktikan keunggulan komprehensifnya berupa kehilangan rotor yang rendah, kekuatan struktural yang tinggi, dan kemampuan proses perakitan yang baik.

Ketiga, tim teknis tingkat atas yang mendukung penyesuaian kelas atas.  Tim teknis, yang dibangun oleh  para ahli bahan magnetik dari Akademi Ilmu Pengetahuan China , terdiri dari 2 orang PhD, 5 pemegang gelar master, 8 insinyur senior, dan lebih dari 80 tenaga teknik dan teknis. Perusahaan telah mendirikan pusat Litbang kota dan stasiun kerja pasca-doktoral. Dengan demikian, SDM tidak hanya dapat memproduksi magnet konvensional tetapi juga memberikan solusi teknis proses penuh untuk kebutuhan sirkuit magnetik aktual dalam kondisi kerja yang berbeda (motor hub, sambungan robot, penggerak drone), termasuk pemilihan tingkat magnet (tingkat koersivitas ultra-tinggi NdFeB N/M/UH, seri SmCo5 / Sm-Co-₇), perhitungan margin suhu demagnetisasi, dan simulasi elemen hingga.

Keempat, kolaborasi industri-universitas-penelitian dan portofolio produk yang luas.  SDM menjalin hubungan kerja sama dengan Institut Teknologi dan Rekayasa Material (CAS) Ningbo dan Universitas Jiaotong Barat Daya, terus memantau kemajuan dalam material magnetik. Rangkaian produknya mencakup stator dan rotor motor mikro, motor maglev, sensor, solver, isolator optik, magnet permanen, dan komponen magnet lunak, menyediakan dukungan material magnetik terpadu untuk desain motor di berbagai industri.

Kesimpulan

Dengan strukturnya yang rata dan kepadatan daya transformatif, motor fluks aksial mendefinisikan ulang arsitektur daya kendaraan listrik, robot humanoid, dan pesawat terbang rendah. Dalam perlombaan teknologi yang berpusat pada 'kepadatan torsi' dan 'ringan', desain struktur rotor dan kualitas bahan magnet permanen menetapkan batas bawah, sedangkan struktur yang dipasang di permukaan – dengan  desain sederhana, respons dinamis yang cepat, dan kepadatan torsi tinggi  – menempati posisi yang tak tergantikan dalam sambungan robot, penggerak hub torsi tinggi kecepatan rendah, dan aplikasi lain yang menuntut efisiensi tinggi dan inersia rendah.

Dari optimalisasi topologi sirkuit magnetik yang tepat hingga desain stabilitas suhu tinggi dari bahan magnet permanen, hanya dengan menguasai rantai lengkap teknologi bahan inti dan proses pembuatan rotor barulah parit sejati dapat dibangun dalam persaingan pasar yang ketat. SDM, dengan kredensialnya sebagai perusahaan teknologi tinggi nasional, 16 tahun akumulasi pengalaman di bidang magnet permanen, dukungan teknis dari tim ahli yang dibangun CAS, dan sistem manajemen mutu yang sistematis, memberikan landasan yang kokoh untuk keandalan dan kinerja tinggi dari rotor motor fluks aksial yang dipasang di permukaan. Baik itu tantangan rentang kecepatan yang luas pada motor hub, tuntutan kontrol presisi inersia rendah pada sambungan robot, atau persyaratan ekstrim untuk kepadatan daya dan ketahanan demagnetisasi pada penggerak drone, SDM menawarkan solusi rekayasa proses lengkap mulai dari material hingga simulasi – tepatnya kekuatan penggerak yang sangat diperlukan yang menggerakkan motor fluks aksial dari laboratorium ke aplikasi skala besar.