Punti chiave per la selezione del rotore del motore a flusso assiale in diverse condizioni operative: motori con mozzo, giunti di robot, propulsione di droni

Introduzione: Cambio di paradigma da 'Cilindro' a 'Disco'

Quando si pensa ai motori elettrici, la maggior parte immagina un lungo cilindro in cui lo statore racchiude il rotore e il campo magnetico si propaga radialmente. Tuttavia, un motore che sfida questa forma convenzionale sta guidando una nuova rivoluzione tecnologica: il motore a flusso assiale . Comprime lo statore e il rotore in un disco quasi piatto, compatto come un biscotto sandwich.

Il nucleo di questa rivoluzione di appiattimento risiede in un cambiamento fondamentale nella direzione del percorso magnetico. In un tradizionale motore a flusso radiale, il campo magnetico si irradia dall'asse verso l'esterno; in un motore a flusso assiale, il campo magnetico corre parallelo all'asse, con statore e rotore uno di fronte all'altro in una disposizione a disco. Questo spostamento porta sorprendenti vantaggi prestazionali:  a parità di materiale utilizzato, la coppia di un motore a flusso assiale è proporzionale al cubo del diametro del rotore (mentre per un motore radiale tradizionale è solo al quadrato del diametro), ottenendo un aumento della densità di coppia di 2–3 volte e un’efficienza superiore al 96%.  Allo stesso tempo, la sua lunghezza assiale è solo da 1/3 a 1/2 di quella di un motore convenzionale, con un volume ridotto di oltre il 50% e un peso ridotto di circa il 40%–50% a parità di potenza.

La chiave per ottenere una densità di potenza e una densità di coppia così elevate nei motori a flusso assiale risiede nel design ingegnoso della struttura del rotore. Diversi scenari applicativi impongono requisiti prestazionali distinti e la scelta della struttura del circuito magnetico del rotore, del materiale del magnete permanente e della topologia spesso determina direttamente se il motore può realizzare pienamente i suoi vantaggi. Questo articolo inizia con tre scenari applicativi tipici – motori del mozzo, giunti di robot e propulsione di droni – e analizza sistematicamente i punti fondamentali della selezione del rotore.

1. Motori con mozzo: compromesso tra densità di coppia e ampio intervallo di velocità

I motori nel mozzo sono installati all’interno del cerchione, dove lo spazio è estremamente limitato: questo è il principale vincolo progettuale. Devono fornire contemporaneamente un'elevata densità di coppia (per l'avviamento e la salita), un'ampia gamma di velocità (dalla scansione a bassa velocità alla crociera ad alta velocità) e una buona capacità di dissipazione del calore.

In termini di selezione della struttura del rotore, i motori con mozzo utilizzano comunemente  tipi a montaggio superficiale e a raggi (interni) , ciascuno con priorità di progettazione diverse. I magneti permanenti montati sulla superficie sono fissati direttamente alla superficie del nucleo del rotore, offrendo una struttura semplice, un'elevata densità di flusso del traferro e l'idoneità per applicazioni che perseguono la massima densità di potenza. Tuttavia, la rotazione ad alta velocità di un rotore di grande diametro genera un’enorme forza centrifuga, che richiede un manicotto di ritenzione per fissare i magneti montati in superficie. Ciò richiede materiali non magnetici ad alta resistenza e il manicotto stesso aumenta il traferro, riducendo così la produzione.

I magneti permanenti a raggi (interni) sono incorporati all'interno del rotore. Attraverso la concentrazione del flusso, migliorano significativamente la densità di coppia e la capacità di estensione della velocità di indebolimento del flusso. Ad esempio, il motore con mozzo a raggi STAF-PMSM progettato dall'Università di Jiangsu utilizza una struttura a doppio rotore per aumentare l'area di eccitazione del traferro, ottenendo un'eccitazione con concentrazione di flusso. Fornisce una coppia massima di 280 N·m e una potenza massima di 15 kW, rendendolo adatto ai veicoli a nuova energia con trazione integrale distribuita. Inoltre, la struttura interna protegge efficacemente i magneti permanenti dall'esposizione diretta alle alte temperature e agli impatti meccanici, superando il rischio di distacco del magnete che i tipi con montaggio superficiale affrontano ad alte velocità.

La gestione termica è un’altra sfida fondamentale per i motori dei mozzi. Durante il funzionamento ad alta potenza, le perdite elettromagnetiche sono concentrate e le condizioni di raffreddamento sono scarse. Ciò richiede un’accurata modellazione termica basata sull’analisi delle perdite per ottenere un raffreddamento efficace. Attualmente, il motore a flusso assiale a rotore singolo e doppio statore (AFIR) migliora la densità di potenza aumentando il carico elettrico con due statori, mentre il motore a flusso assiale senza giogo (YASA) elimina il giogo dello statore per ridurre la perdita di ferro, abbassando il carico termico e migliorando l'efficienza e la densità di coppia.

Nel complesso, la scelta del rotore per i motori con mozzo deve bilanciare  densità di coppia, capacità di estensione della velocità e affidabilità . Per i requisiti di coppia elevata a bassa velocità, sono preferibili strutture montate in superficie o a raggi, ma se è necessario un ampio intervallo di velocità, il tipo a raggi è più adatto a causa della sua concentrazione di flusso e della sua capacità di indebolimento del flusso.

2. Giunti robot: duplici requisiti di bassa inerzia e controllo di precisione

I giunti dei robot richiedono caratteristiche nettamente diverse dai motori dei mozzi. Nelle articolazioni di grandi dimensioni come fianchi, vita e gambe, coppia elevata e leggerezza estrema sono i requisiti fondamentali: rispetto ai tradizionali motori radiali, i motori a flusso assiale in questi scenari possono ridurre l'occupazione di spazio del 30%-60% e il peso di oltre il 30%, con alcuni progetti che raggiungono il 60%-70%. Nelle articolazioni piccole, come polsi e dita, la precisione e la bassa inerzia diventano priorità assolute.

Il rapporto coppia-inerzia  è un parametro di progettazione chiave per i motori dei giunti dei robot. La ricerca mostra che la coppia di un motore a flusso assiale è proporzionale al cubo del diametro del rotore, il che significa che è possibile ottenere una coppia estremamente elevata a bassa velocità nello spazio compatto di un giunto appiattito, mentre la struttura del disco sottile può essere incorporata direttamente nel giunto e semplifica la dissipazione del calore.

Per la selezione del rotore, i giunti del robot danno la priorità alle strutture montate in superficie o agli array Halbach. La struttura montata in superficie, con la bassa perdita del rotore e il basso momento di inerzia, consente  una risposta dinamica più rapida  : il tempo di risposta dell'accelerazione può essere ridotto da 15 ms a 5–8 ms, il che è fondamentale per i movimenti del robot che richiedono avvio/arresto rapido e posizionamento preciso. Un array Halbach, attraverso uno specifico schema di direzione della magnetizzazione, migliora il campo magnetico da un lato mentre quasi lo annulla dall'altro, consentendo l'eliminazione del nucleo del rotore e riducendo ulteriormente l'inerzia e le perdite del rotore.

Anche la progettazione del circuito magnetico e la selezione del materiale del magnete permanente richiedono un controllo preciso. I motori a flusso assiale utilizzano una disposizione anulare del magnete, che riduce la lunghezza del percorso magnetico e aumenta la densità di coppia rispetto alla disposizione radiale dei tradizionali motori a flusso radiale. Inoltre, poiché i giunti dei robot spesso includono riduttori o addirittura schemi di azionamento quasi diretto (QDD), sono necessarie una maggiore coercività e stabilità termica. Quando il costo lo consente, i gradi ad alta coercività con terre rare pesanti come disprosio e terbio possono prevenire efficacemente la smagnetizzazione dovuta ai campi magnetici inversi durante il funzionamento.

Per i giunti miniaturizzati nella gamma 16-18 mm, i motori a flusso assiale di tipo PCB mostrano vantaggi unici. Utilizzando l'incisione al posto dei tradizionali avvolgimenti in rame, offrono un'elevata uniformità di produzione, una bassa perdita di ferro e un'estrema leggerezza.

3. Propulsione dei droni: sfide estreme di densità di potenza e resistenza alla smagnetizzazione termica

I sistemi di propulsione dei droni si trovano ad affrontare una contraddizione fondamentale:  ogni grammo in più di peso riduce il tempo di volo e ogni grado di aumento della temperatura riduce la potenza . I dati mostrano che per un motore a flusso assiale con un rapporto spinta-peso superiore a 25:1, riducendo la massa di 1 kg è possibile aumentare l'autonomia di circa 10 km. Pertanto, la leggerezza e l’elevata densità di potenza sono i criteri di progettazione principali per i motori di propulsione dei droni.

In termini di densità di potenza, i motori a flusso assiale mostrano enormi vantaggi nella propulsione dei droni. La loro densità di potenza volumetrica può raggiungere  i 14,9 kW/kg , superando di gran lunga quella dei tradizionali motori radiali. Le densità di potenza misurate vanno da  5,8 a 21 kW/kg , con densità di coppia da  15 a 25 Nm/kg . L'ultimo sistema di propulsione a flusso assiale della serie T 'Yufeng' raggiunge una densità di potenza continua di 10 Nm/kg e una densità di coppia di picco di 20 Nm/kg, rendendolo adatto per la propulsione a trasmissione diretta in velivoli avanzati come eVTOL con equipaggio e droni ad ala composta.

Oltre alla densità di potenza, i motori di propulsione dei droni affrontano anche il rischio di smagnetizzazione in ambienti ad alta temperatura. Durante il volo, i motori funzionano ad alta potenza per periodi prolungati, provocando un rapido aumento della temperatura negli avvolgimenti e nei magneti permanenti. Se le missioni vengono condotte nella calura estiva o in aree desertiche, la combinazione di temperatura ambiente e autoriscaldamento crea gravi sfide di smagnetizzazione per i magneti permanenti.

La selezione del materiale del magnete permanente influisce direttamente sull'affidabilità alle alte temperature dei motori dei droni.  Tra i materiali magnetici permanenti comuni, il neodimio-ferro-boro (NdFeB) offre le prestazioni magnetiche più elevate, ma i gradi standard (serie N) hanno una temperatura operativa massima di soli 80–100°C e una perdita magnetica irreversibile può verificarsi oltre i 200°C. I gradi di NdFeB ad alta coercività (serie SH, UH, EH, AH) possono funzionare fino a 150–240°C, ma la loro stabilità alle alte temperature è ancora inferiore al samario-cobalto (SmCo). I magneti SmCo possono funzionare stabilmente sopra  i 300°C , con una temperatura Curie superiore a 720°C, e le loro proprietà magnetiche variano solo 1/4–1/3 rispetto al NdFeB con la temperatura. Gli svantaggi sono un prodotto di energia magnetica leggermente inferiore e un costo più elevato. Per i droni consumer, il NdFeB ad alte prestazioni è sufficiente per la maggior parte delle esigenze; ma per i droni industriali e gli eVTOL con equipaggio in condizioni di alta temperatura e alta potenza, SmCo, nonostante il suo costo, è una scelta necessaria per l’affidabilità.

4. Panoramica rapida dei tipi di rotore: confronto tra montaggio superficiale e interno

Sulla base dell'analisi di cui sopra, le principali tipologie di struttura del rotore per motori a flusso assiale sono riepilogate nella tabella seguente:

5. SDM: un fattore chiave per i rotori dei motori a flusso assiale montati in superficie

Dopo aver analizzato i punti chiave per la selezione del rotore per i tre scenari principali, arriviamo a un elemento fondamentale:  la capacità ingegneristica di magneti permanenti ad alte prestazioni e strutture di rotori montate in superficie . È proprio qui che risiedono i vantaggi tecnici di SDM.

SDM è un'impresa high-tech nazionale focalizzata su magneti e soluzioni magnetiche, con 16 anni di esperienza nella produzione di magneti professionali. L'azienda ha una cooperazione strategica con China Aluminium, la più grande impresa mineraria di terre rare in Cina, garantendo una fornitura stabile e sicura di materie prime di terre rare. Allo stesso tempo, SDM conduce un'approfondita ricerca in collaborazione con l'  Accademia cinese delle scienze  e lavora con i clienti sull'analisi degli elementi finiti (FEA), fornendo un accurato supporto di simulazione fin dall'inizio della progettazione del circuito magnetico, abbreviando così i cicli di sviluppo e riducendo i costi di tentativi ed errori.

Nel campo dei rotori per motori a flusso assiale montati in superficie, SDM offre vantaggi sistematici di produzione e progettazione:

Innanzitutto un sistema produttivo completo con certificazioni di alto livello.  L'azienda è certificata IATF 16949 (sistema di gestione della qualità nel settore automobilistico), ha mantenuto un record di zero difetti (0 PPM) come fornitore di livello 2 per General Motors dal 2010 e possiede anche le certificazioni ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, impronta di carbonio e BSCI. I suoi prodotti sono conformi ai requisiti di test RoHS, REACH e SGS. Ciò significa che ogni lotto di magneti permanenti è sottoposto a un rigoroso controllo di qualità, dalla tracciabilità delle materie prime alla spedizione del prodotto finito.

In secondo luogo, tecnologia di processo integrata matura per strutture di rotori montate in superficie.  In un motore a flusso assiale, un disco rotore a magnete permanente montato sulla superficie deve risolvere contemporaneamente tre principali difficoltà ingegneristiche:  fissaggio ad alta resistenza dei magneti, stabilità durante il funzionamento ad alta velocità e producibilità/assemblaggio . SDM offre varie opzioni di materiali magnetici, inclusi i gradi NdFeB ad alta coercività e le serie SmCo. Utilizza una combinazione di piastre di pressatura/telai di fissaggio polimerici a bassa perdita e ad alta resistenza, ferri posteriori del rotore e manicotti di ritenzione in fibra di carbonio per garantire un posizionamento affidabile del magnete durante il funzionamento ad alta velocità, riducendo al minimo le perdite di correnti parassite del rotore. Questa soluzione ha dimostrato i suoi vantaggi globali quali basse perdite del rotore, elevata resistenza strutturale e buona lavorabilità di assemblaggio.

In terzo luogo, un team tecnico di alto livello che supporta la personalizzazione di fascia alta.  Il team tecnico, costituito da  esperti in materiali magnetici dell'Accademia cinese delle scienze , comprende 2 dottorandi, 5 titolari di master, 8 ingegneri senior e oltre 80 ingegneri e personale tecnico. L'azienda ha creato un centro comunale di ricerca e sviluppo e una postazione di lavoro post-dottorato. Pertanto, SDM non solo può produrre magneti convenzionali ma anche fornire soluzioni tecniche a processo completo per i requisiti effettivi dei circuiti magnetici in diverse condizioni di lavoro (motori di hub, giunti di robot, propulsione di droni), inclusa la selezione del grado del magnete (gradi NdFeB N/M/UH a coercività ultraelevata, serie SmCo5 / Sm-Co-₇), calcolo del margine di temperatura di smagnetizzazione e simulazione degli elementi finiti.

In quarto luogo, la collaborazione tra industria, università e ricerca e un ampio portafoglio di prodotti.  SDM mantiene rapporti di collaborazione con il Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) e la Southwest Jiaotong University, monitorando continuamente i progressi nei materiali magnetici. La sua gamma di prodotti comprende statori e rotori di micromotori, motori maglev, sensori, risolutori, isolatori ottici, magneti permanenti e componenti magnetici dolci, fornendo un supporto completo di materiali magnetici per progetti di motori in diversi settori.

Conclusione

Con la sua struttura appiattita e la densità di potenza trasformativa, il motore a flusso assiale sta ridefinendo l’architettura di potenza dei veicoli elettrici, dei robot umanoidi e degli aerei a bassa quota. In questa corsa tecnologica incentrata sulla 'densità di coppia' e sul 'peso leggero', il design della struttura del rotore e la qualità dei materiali dei magneti permanenti stabiliscono il limite inferiore, mentre la struttura montata in superficie - con il suo  design semplice, risposta dinamica rapida ed elevata densità di coppia  - occupa una posizione insostituibile nei giunti dei robot, nelle trasmissioni dei mozzi a bassa velocità e coppia elevata e in altre applicazioni che richiedono alta efficienza e bassa inerzia.

Dall'ottimizzazione precisa della topologia del circuito magnetico alla progettazione della stabilità alle alte temperature dei materiali a magneti permanenti, solo padroneggiando l'intera catena della tecnologia dei materiali centrali e dei processi di produzione del rotore è possibile stabilire un vero fossato nella feroce competizione di mercato. SDM, con le sue credenziali come impresa high-tech nazionale, 16 anni di esperienza accumulata nei magneti permanenti, supporto tecnico da parte di un team di esperti costruito in CAS e un sistema sistematico di gestione della qualità, fornisce una solida base per l'elevata affidabilità e le alte prestazioni dei rotori dei motori a flusso assiale montati in superficie. Che si tratti della sfida dell’ampio intervallo di velocità dei motori del mozzo, delle esigenze di controllo di precisione a bassa inerzia dei giunti dei robot o dei requisiti estremi di densità di potenza e resistenza alla smagnetizzazione nella propulsione dei droni, SDM offre soluzioni di ingegneria dell’intero processo, dai materiali alla simulazione: proprio la forza motrice indispensabile che sposta i motori a flusso assiale dal laboratorio all’applicazione su larga scala.