Satu Terikat, Satu Tertanam: Perbedaan Penting Antara Rotor yang Dipasang di Permukaan dan Rotor Interior pada Motor Fluks Aksial

Motor fluks aksial menjadi pilihan populer untuk sistem penggerak listrik. Untuk keluaran daya yang sama, volume dan beratnya dapat dikurangi sekitar 50%, kepadatan dayanya dapat mencapai empat kali lipat motor fluks radial konvensional, dan efisiensinya dapat melebihi 96%. Namun jika Anda membuka manual produk dari berbagai produsen motor fluks aksial, Anda akan menemukan fenomena yang membingungkan: meskipun semuanya adalah 'motor tipe cakram', beberapa rotor terlihat seperti cakram yang dilapisi magnet, sementara yang lain terlihat seperti 'cakram besi' dengan batang logam tertanam di dalamnya. Kedua jenis rotor ini—yang dipasang di permukaan dan di dalam ruangan—apa sebenarnya perbedaannya, dan bagaimana cara memilihnya?

Jawabannya terletak pada “posisi” magnet. Dan perbedaan posisi ini menentukan hampir keseluruhan perbedaan kinerja antara kedua jenis rotor dalam hal kepadatan torsi, kemampuan pelemahan medan, risiko demagnetisasi, dan kekuatan mekanis.

Dimana Magnet Ditempatkan Menentukan Bagaimana Medan Magnet Bergerak

Celah udara motor fluks aksial berbentuk datar; fluks magnet melewati celah udara dalam arah aksial, dan stator serta rotor disusun secara paralel sebagai cakram. Di dalam 'cakram' ini terdapat dua opsi dasar untuk memasang magnet permanen.

Rotor yang dipasang di permukaan  adalah pendekatan yang paling intuitif: magnet permanen diikat langsung ke permukaan cakram rotor, menghadap celah udara. Magnet biasanya dimagnetisasi secara aksial, dengan magnet yang berdekatan dimagnetisasi dalam arah yang berlawanan dan disusun secara bergantian. Sirkuit magnetik pada struktur ini sangat 'bersih'—hampir seluruh fluks yang dihasilkan oleh magnet mengalir langsung melalui celah udara ke dalam stator, dengan sedikit kebocoran dan pemanfaatan magnet permanen yang tinggi.

Rotor interior  menyematkan magnet permanen di dalam inti rotor atau besi belakang, dengan lapisan sepatu kutub rotor antara magnet dan celah udara. Lapisan besi ini mengubah jalur sirkuit magnet: medan magnet yang dihasilkan oleh reaksi jangkar terutama melewati besi belakang dan hampir tidak menyapu permukaan magnet secara langsung. Lebih penting lagi, rotor interior mempunyai sirkuit magnetik sumbu dq asimetris, yang berarti bahwa selain torsi magnet permanen, motor juga dapat memanfaatkan torsi keengganan—rotor interior menghasilkan torsi magnet permanen dan torsi keengganan, sedangkan tipe yang dipasang di permukaan hanya dapat menggunakan torsi magnet permanen.

Kepadatan Torsi: 'Keunggulan Inheren' dari Rotor yang Dipasang di Permukaan

Jika hanya satu metrik yang dipertimbangkan—berapa banyak torsi yang dapat dihasilkan per satuan volume—rotor yang dipasang di permukaan hampir menjadi pilihan yang tidak perlu dipersoalkan pada motor fluks aksial. Topologi pemasangan permukaan fluks aksial sendiri dikenal dengan torsi spesifiknya yang tinggi. Dalam perbandingan kuantitatif motor fluks aksial modular-stator rotor ganda, struktur rotor yang dipasang di permukaan mencapai EMF balik dan torsi keluaran tertinggi. Studi perbandingan motor fluks aksial stator ganda juga menunjukkan bahwa meskipun rotor yang dipasang di permukaan tidak dapat memanfaatkan torsi keengganan dan memiliki kandungan harmonik yang relatif tinggi dalam kerapatan fluks celah udara, strukturnya yang sederhana dan amplitudo kerapatan fluks celah udara yang tinggi masih memberikan keunggulan dalam keluaran torsi.

'Senjata rahasia' dari tipe yang dipasang di permukaan terletak pada jalur magnetnya yang pendek dan keengganan magnetnya yang rendah. Magnet permanen menghadap celah udara secara langsung, sehingga fluks yang dihasilkan tidak perlu melewati jalur besi tambahan, dan jalur kebocoran lebih sedikit. Dengan jumlah bahan magnet permanen yang sama, struktur yang dipasang di permukaan dapat memberikan fluks efektif yang lebih besar dibandingkan tipe interior. Selain itu, motor fluks aksial itu sendiri merupakan konfigurasi yang memperkuat torsi melalui 'tuas radius,' sehingga kerapatan fluks celah udara yang tinggi dari rotor yang dipasang di permukaan semakin diperkuat dalam konfigurasi ini.

Rotor interior bukannya tanpa sarana untuk meningkatkan kepadatan torsi. Melalui konsentrasi fluks—misalnya, magnet bermagnet tangensial yang memusatkan fluks ke dalam sepatu kutub—tipe interior dapat 'memeras' lebih banyak fluks ke dalam celah udara, sehingga sebagian mengimbangi kerugian yang disebabkan oleh jalur magnet yang lebih panjang. Namun harganya adalah struktur rotor yang lebih kompleks, konsumsi besi yang lebih besar, dan peningkatan berat dan volume keseluruhan.

Pelemahan Lapangan dan Regulasi Kecepatan: 'Kembalinya' Rotor Interior

Keuntungan dari rotor yang dipasang di permukaan ditampilkan sepenuhnya pada 'kecepatan rendah dan torsi tinggi,' namun ketika motor perlu dijalankan pada kecepatan tinggi dan memerlukan pelemahan medan untuk perluasan kecepatan, situasinya akan berbalik sepenuhnya.

Rotor yang dipasang di permukaan memiliki induktansi sumbu d dan sumbu q yang kecil serta kemampuan pelemahan medan yang buruk. Alasannya adalah magnet yang dipasang di permukaan menghadap langsung ke celah udara, dan medan demagnetisasi yang dihasilkan oleh belitan jangkar bekerja pada magnet hampir tanpa hambatan. Untuk melemahkan medan, arus sumbu d yang besar harus diterapkan, dan arus ini tidak menghasilkan torsi—hanya menghasilkan panas. Lebih buruk lagi, dalam kondisi kecepatan tinggi, arus demagnetisasi yang besar dapat dengan mudah menyebabkan demagnetisasi magnet yang tidak dapat diubah. Pada motor fluks aksial, rentang kecepatan pelemahan medan dari topologi yang dipasang di permukaan sangat terbatas, dan penerapannya dalam aplikasi kecepatan tinggi sangat dibatasi.

Rotor interior secara alami memiliki sirkuit magnetik sumbu dq asimetris, dengan induktansi sumbu d jauh lebih besar daripada induktansi sumbu q, sehingga menghasilkan efek arti-penting yang signifikan. Ini berarti motor dapat memanfaatkan torsi magnet permanen dan torsi keengganan. Dalam kondisi pelemahan medan, efek demagnetisasi arus sumbu d lebih 'efisien'—arus yang sama dapat menghasilkan efek pelemahan medan yang lebih besar tanpa seluruhnya diubah menjadi panas. Sebuah studi perbandingan motor fluks aksial YASA dengan rotor tangensial interior dengan jelas menunjukkan bahwa dengan tetap mempertahankan keunggulan tipe yang dipasang di permukaan, rotor interior telah secara signifikan meningkatkan kemampuan pelemahan medan, kehilangan arus eddy magnet permanen yang lebih rendah, dan ketahanan demagnetisasi yang lebih kuat.

Perbedaan ini secara langsung tercermin dalam metrik teknik. Motor fluks aksial interior kelas 100 kW dapat mencapai kecepatan maksimum lebih dari 18.000 putaran/menit, kepadatan daya puncak 10 kW/kg, dan efisiensi maksimum 97,8%. Kombinasi kecepatan dan kepadatan daya seperti itu sulit dicapai oleh rotor yang dipasang di permukaan dalam konfigurasi fluks aksial.

Demagnetisasi dan Kekuatan Mekanik: Dua 'Garis Keamanan' yang Berbeda

Demagnetisasi adalah mode kegagalan yang paling harus diwaspadai oleh motor magnet permanen. Magnet dari rotor yang dipasang di permukaan terkena langsung ke medan magnet celah udara, dan medan reaksi jangkar serta kenaikan suhu bekerja langsung pada magnet. Ketika suhu lokal melebihi suhu demagnetisasi ireversibel magnet, atau kekuatan medan demagnetisasi melebihi koersivitas magnet, kinerja magnet akan menurun secara permanen.

Rotor interior memiliki “margin keamanan” yang jauh lebih besar dalam hal ini. Sepatu kutub rotor bertindak sebagai penghalang fisik; medan reaksi jangkar terutama melewati sepatu kutub dan besi belakang, dan kekuatan medan demagnetisasi yang ditanggung oleh magnet sangat berkurang. Ketahanan yang lebih kuat dari rotor interior terhadap demagnetisasi ireversibel telah diverifikasi dalam beberapa studi perbandingan.

Namun kekuatan mekanik adalah sisi lain dari tipe interior. Magnet rotor yang dipasang di permukaan memerlukan selongsong atau pita untuk menahan gaya sentrifugal selama putaran kecepatan tinggi, namun strukturnya relatif sederhana dan jalur tegangannya jelas. Magnet rotor interior tertanam dalam slot inti, dan inti itu sendiri memberikan kendala mekanis, namun pemesinan slot—terutama slot berbentuk sektor—sulit dilakukan, dan desain jembatan magnetik serta penghalang fluks memerlukan pertukaran berulang antara kebocoran fluks dan kekuatan mekanis.

Tidak Ada Yang “Lebih Baik”, Yang Ada Hanya “Lebih Cocok”

Dengan menggabungkan kedua tipe rotor ini, logika pemilihannya sebenarnya cukup jelas.

Skenario yang berlaku untuk rotor yang dipasang di permukaan : aplikasi yang sensitif terhadap kepadatan torsi dan biaya serta beroperasi pada kecepatan rendah. Motor servo berdaya kecil dan menengah, motor dalam roda dengan persyaratan ekstrim untuk kompresi panjang aksial, dan aplikasi penggerak langsung yang tidak memerlukan rentang pengaturan kecepatan yang luas—struktur sederhana dan biaya produksi rendah dari rotor yang dipasang di permukaan masih memiliki daya tarik yang tak tergantikan.

Skenario yang berlaku untuk rotor interior : aplikasi yang memerlukan rentang pengaturan kecepatan yang luas, kecepatan tinggi, atau margin ketahanan demagnetisasi yang tinggi. Motor penggerak utama kendaraan listrik perlu beralih antara torsi tinggi kecepatan rendah dan jelajah kecepatan tinggi, dan kemampuan pelemahan medan serta torsi keengganan rotor interior sama persis dengan kebutuhan ini. Motor servo berkecepatan tinggi, beban kipas dan pompa yang memerlukan pengoperasian daya konstan, dan segala situasi yang mungkin menghadapi risiko demagnetisasi suhu tinggi atau arus tinggi—rotor interior adalah pilihan yang lebih andal.

Perlu disebutkan bahwa motor fluks aksial dan motor fluks radial tidak menggunakan “generasi teknologi” yang sama. Pada motor fluks radial, rotor interior telah menjadi arus utama karena proses manufaktur yang matang dan keunggulan pengaturan kecepatan; namun pada motor fluks aksial, rotor yang dipasang di permukaan telah lama menjadi pilihan default, dan proses pembuatan rotor fluks aksial interior masih berkembang pesat. Ini berarti bahwa ketika memilih motor, seseorang tidak bisa begitu saja menerapkan pengalaman motor fluks radial—label 'interior' yang sama mungkin berbeda secara substansial dalam kesulitan penerapan, biaya, dan manfaat kinerja dalam konfigurasi fluks aksial dibandingkan dengan motor fluks radial.

Pertanyaan utamanya bukanlah 'rotor mana yang lebih baik' namun 'pada kecepatan berapa, berapa banyak arus, dan berapa lama motor Anda perlu beroperasi.' Kepadatan torsi, kemampuan pelemahan medan, ketahanan terhadap demagnetisasi, dan kekuatan mekanis—keempat metrik ini menunjukkan distribusi yang hampir berlawanan antara kedua struktur rotor. Setelah Anda memahami logika fisik di balik posisi magnet, pemilihan rotor bukan lagi soal pilihan ganda, melainkan soal pencocokan.