Әртүрлі жұмыс жағдайларында осьтік ағынды қозғалтқыш роторын таңдаудың негізгі нүктелері – хаб қозғалтқыштары, робот қосылыстары, ұшқышсыз қозғалыс

Кіріспе: Парадигманы 'Цилиндр'-ден 'Дискке' ауыстыру

Адамдар электр қозғалтқыштары туралы ойлағанда, көпшілігі статор роторды қоршайтын және магнит өрісі радиалды түрде таралатын ұзын цилиндрді елестетеді. Дегенмен, бұл кәдімгі пішінді жоққа шығаратын қозғалтқыш жаңа технологиялық революцияны басқарады осьтік ағын қозғалтқышы . Ол статор мен роторды сэндвич печеньесі сияқты ықшам дерлік тегіс дискіге қысады.

Бұл тегістеу төңкерістің өзегі магниттік жол бағытының түбегейлі өзгеруінде жатыр. Дәстүрлі радиалды ағын қозғалтқышында магнит өрісі осьтен сыртқа шығады; осьтік ағын қозғалтқышында магнит өрісі оське параллель жүреді, статор мен ротор бір-біріне қарама-қарсы дискілік орналасады. Бұл ауысым таңғаларлық өнімділік артықшылықтарын береді:  бірдей материалды пайдалану кезінде осьтік ағынды қозғалтқыштың айналу моменті ротор диаметрінің текшесіне пропорционалды (ал дәстүрлі радиалды қозғалтқыш үшін бұл тек диаметрдің квадраты), моменттің тығыздығын 2-3 есе арттыруға және тиімділік 96% -дан асады.  Бұл ретте оның осьтік ұзындығы кәдімгі қозғалтқыштың 1/3-1/2 бөлігін ғана құрайды, көлемі 50%-дан астамға азаяды және сол қуатпен салмағы шамамен 40%-50%-ға азаяды.

Осьтік ағынды қозғалтқыштардағы осындай жоғары қуат тығыздығына және айналу моментінің тығыздығына қол жеткізудің кілті ротор құрылымының керемет дизайнында жатыр. Қолданудың әртүрлі сценарийлері өнімділікке ерекше талаптар қояды және ротордың магниттік тізбегінің құрылымын, тұрақты магнит материалын және топологиясын таңдау көбінесе қозғалтқыштың өз артықшылықтарын толықтай жүзеге асыра алатындығын тікелей анықтайды. Бұл мақала үш типтік қолдану сценарийінен басталады - хаб қозғалтқыштары, робот қосылыстары және ұшқышсыз қозғалтқыш - және роторды таңдаудың негізгі нүктелерін жүйелі түрде талдайды.

1. Хаб қозғалтқыштары: айналу моментінің тығыздығы мен кең жылдамдық диапазоны арасындағы айырбас

Хаб қозғалтқыштары доңғалақ шеңберінің ішіне орнатылады, мұнда кеңістік өте шектеулі - бұл дизайндағы негізгі шектеу. Олар бір уақытта жоғары айналу моментінің тығыздығын (бастау және көтерілу үшін), кең жылдамдық диапазонын (төмен жылдамдықтан жоғары жылдамдықты круизге дейін) және жақсы жылуды тарату мүмкіндігін қамтамасыз етуі керек.

Ротор құрылымын таңдау тұрғысынан концентраторлы қозғалтқыштар әдетте  беткі және тірек (ішкі) түрлерін пайдаланады. әр түрлі дизайн басымдықтары бар Беткейге орнатылған тұрақты магниттер ротор өзегінің бетіне тікелей бекітіліп, қарапайым құрылымды, ауа ағынының жоғары тығыздығын және қуаттың ең жоғары тығыздығын көздейтін қолданбаларға жарамдылығын ұсынады. Дегенмен, үлкен диаметрлі ротордың жоғары жылдамдықпен айналуы үлкен центрифугалық күшті тудырады, бұл беткі магниттерді бекіту үшін ұстағыш гильзаны қажет етеді. Бұл беріктігі жоғары магнитті емес материалдарды талап етеді, ал гильзаның өзі ауа саңылауын арттырады, осылайша өнімді азайтады.

Ротордың ішіне спиц тәрізді (ішкі) тұрақты магниттер енгізілген. Ағын концентрациясы арқылы олар моменттің тығыздығын және ағынның әлсіреу жылдамдығын ұзарту мүмкіндігін айтарлықтай жақсартады. Мысалы, Цзянсу университеті әзірлеген STAF-PMSM спицалы типті концентраторлы қозғалтқыш ағын концентрациясының қоздыруына қол жеткізе отырып, ауа аралығының қозу аймағын ұлғайту үшін қос роторлы құрылымды пайдаланады. Ол 280 Н·м максималды айналу моментін және 15 кВт максималды қуат береді, бұл оны таратылған доңғалақ жетекті жаңа энергия көліктері үшін қолайлы етеді. Сонымен қатар, ішкі құрылым тұрақты магниттерді жоғары температура мен механикалық әсердің тікелей әсерінен тиімді қорғайды, жоғары жылдамдықта беткейге орнатылған түрлердің магниттің ажырау қаупін жеңеді.

Жылулық басқару хаб қозғалтқыштары үшін тағы бір негізгі міндет болып табылады. Жоғары қуатты жұмыс кезінде электромагниттік шығындар шоғырланған және салқындату жағдайлары нашар. Бұл тиімді салқындатуға қол жеткізу үшін шығынды талдау негізінде дәл термиялық модельдеуді қажет етеді. Қазіргі уақытта қос статорлы бір роторлы осьтік ағынды қозғалтқыш (AFIR) екі статормен электрлік жүктемені арттыру арқылы қуат тығыздығын жақсартады, ал қамытсыз осьтік ағынды қозғалтқыш (YASA) темірдің жоғалуын азайту үшін статордың қамытын жояды, жылу жүктемесін төмендетеді, сонымен бірге тиімділік пен моменттің тығыздығын арттырады.

Тұтастай алғанда, хаб қозғалтқыштары үшін роторды таңдау теңестіруі керек  моменттің тығыздығын, жылдамдықты ұзарту мүмкіндігін және сенімділікті . Төмен жылдамдықтағы жоғары айналу моменті талаптары үшін беткі немесе тірек түріндегі құрылымдарға артықшылық беріледі, бірақ кең жылдамдық диапазоны қажет болса, ағынның концентрациясы мен ағынды әлсірету қабілетіне байланысты спиралды тип қолайлы.

2. Робот қосылыстары: төмен инерция мен дәлдікті басқарудың қосарлы талаптары

Робот қосылыстары хаб қозғалтқыштарынан мүлде басқа сипаттамаларды талап етеді. Жамбас, бел және аяқтар сияқты үлкен қосылыстарда жоғары айналу моменті және өте жеңіл салмақ негізгі талаптар болып табылады – дәстүрлі радиалды қозғалтқыштармен салыстырғанда, бұл сценарийлердегі осьтік ағын қозғалтқыштары кеңістікті пайдалануды 30%-60%-ға және салмақты 30%-дан астамға азайтады, кейбір конструкциялар 60%-70%-ға жетеді. Білектер мен саусақтар сияқты шағын буындарда дәлдік пен төмен инерция жоғары басымдыққа айналады.

Крутящий инерция коэффициенті  робот қосылыстарының қозғалтқыштары үшін негізгі дизайн параметрі болып табылады. Зерттеулер көрсеткендей, осьтік ағынды қозғалтқыштың айналу моменті ротор диаметрінің текшесіне пропорционалды, яғни тегістелген қосылыстардың ықшам кеңістігінде өте жоғары төмен жылдамдықтағы айналу моментінің шығуына қол жеткізуге болады, ал жұқа диск құрылымын тікелей қосылысқа енгізуге болады және жылуды таратуды жеңілдетеді.

Роторды таңдау үшін робот қосылыстары беткі құрылымдарға немесе Halbach массивтеріне басымдық береді. Ротордың төмен жоғалуы және аз инерция моменті бар беткі құрылым  жылдамырақ динамикалық жауап береді  – жеделдету реакциясының уақытын 15 мс-тен 5–8 мс дейін қысқартуға болады, бұл жылдам іске қосу/тоқтату және дәл орналастыруды қажет ететін робот қозғалысы үшін өте маңызды. Хальбах массиві белгілі бір магниттелу бағыты үлгісі арқылы бір жағынан магнит өрісін күшейтіп, екінші жағынан оны жоққа шығара жаздады, бұл ротордың өзегін жоюға және ротордың инерциясы мен шығындарын одан әрі азайтуға мүмкіндік береді.

Магниттік схеманың дизайны және тұрақты магнит материалын таңдау да дәл бақылауды қажет етеді. Осьтік ағын қозғалтқыштары дәстүрлі радиалды ағынды қозғалтқыштардың радиалды орналасуымен салыстырғанда магнит жолының ұзындығын қысқартып, моменттің тығыздығын арттыратын сақиналы магнит схемасын пайдаланады. Сондай-ақ, робот қосылыстары жиі редукторларды немесе тіпті квази-тікелей жетек (QDD) схемаларын қамтитындықтан, жоғары коэрцивтілік пен термиялық тұрақтылық қажет. Құны рұқсат етілгенде, диспрозия және тербий сияқты ауыр сирек жер элементтері бар жоғары коэрцивтілік сорттары жұмыс кезінде кері магнит өрістерінің магнитсізденуін тиімді болдырмайды.

16–18 мм диапазондағы миниатюралық қосылыстар үшін ПХД типті осьтік ағынды қозғалтқыштар бірегей артықшылықтарды көрсетеді. Дәстүрлі мыс орамаларының орнына оюды қолдана отырып, олар жоғары өндірістік консистенцияны, темірдің аз шығынын және өте жеңіл салмақты ұсынады.

3. Дронның қозғалуы: қуаттың тығыздығы мен термиялық демагнетизацияға қарсы тұрудың төтенше қиындықтары

Ұшқышсыз басқару жүйелері түбегейлі қайшылыққа тап болады:  әрбір артық салмақ грамы ұшу уақытын қысқартады, ал температураның көтерілуінің әрбір дәрежесі қуатты азайтады . Деректер 25:1-ден асатын күш-салмақ қатынасы бар осьтік ағын қозғалтқышы үшін массаны 1 кг-ға азайту диапазонды шамамен 10 км-ге арттыруы мүмкін екенін көрсетеді. Сондықтан жеңіл салмақ пен жоғары қуат тығыздығы дрон қозғалтқыштарының негізгі дизайн критерийлері болып табылады.

Қуаттың тығыздығы тұрғысынан осьтік ағынды қозғалтқыштар ұшқышсыз басқаруда үлкен артықшылықтарды көрсетеді. Олардың көлемдік қуат тығыздығы жетуі мүмкін  14,9 кВт/кг , бұл дәстүрлі радиалды қозғалтқыштардан әлдеқайда асып түседі. Өлшенетін қуаттың тығыздығы  5,8-ден 21 кВт/кг-ға дейін ауытқиды , моменттің тығыздығы  15-тен 25 Нм/кг-ға дейін . Ең соңғы 'Yufeng' T-сериялы осьтік ағынды қозғау жүйесі 10 Нм/кг үздіксіз қуат тығыздығына және 20 Нм/кг ең жоғары айналу моментінің тығыздығына қол жеткізеді, бұл оны басқарылатын eVTOL және құрама қанатты ұшқышсыз ұшақтар сияқты жетілдірілген ұшақтарда тікелей жетекті қозғалысқа өте қолайлы етеді.

Қуат тығыздығынан басқа, дрон қозғалтқыштары жоғары температуралы ортада магнитсіздену қаупіне де тап болады. Ұшу кезінде қозғалтқыштар ұзақ уақыт бойы жоғары қуатта жұмыс істейді, бұл орамаларда және тұрақты магниттерде жылдам температураның жоғарылауын тудырады. Егер миссиялар жазғы аптапта немесе шөлді аймақтарда жүргізілсе, қоршаған орта температурасы мен өзін-өзі жылытудың үйлесімі тұрақты магниттер үшін қатты магнитсіздену қиындықтарын тудырады.

Тұрақты магниттік материалды таңдау дрон қозғалтқыштарының жоғары температуралық сенімділігіне тікелей әсер етеді.  Жалпы тұрақты магнитті материалдардың ішінде неодим-темір-бор (NdFeB) ең жоғары магниттік өнімділікті ұсынады, бірақ стандартты сорттар (N сериясы) тек 80–100°C максималды жұмыс температурасына ие және қайтымсыз магниттік жоғалту 200°C-тан жоғары болуы мүмкін. Жоғары коэрцивтік NdFeB маркалары (SH, UH, EH, AH сериялары) 150–240°C дейін жұмыс істей алады, бірақ олардың жоғары температура тұрақтылығы әлі күнге дейін самарий-кобальттан (SmCo) төмен. SmCo магниттері жоғары температурада тұрақты жұмыс істей алады  300°C , Кюри температурасы 720°C-ден жоғары және олардың магниттік қасиеттері температураға байланысты NdFeB-ден 1/4–1/3 ғана өзгереді. Кемшіліктері - магниттік энергияның аздап төмен өнімі және жоғары құны. Тұтынушы дрондары үшін жоғары өнімді NdFeB көптеген қажеттіліктер үшін жеткілікті; бірақ жоғары температура, жоғары қуат жағдайында өнеркәсіптік дрондар мен басқарылатын eVTOL үшін SmCo – оның құнына қарамастан – сенімділік үшін қажетті таңдау.

4. Ротор түрлеріне қысқаша шолу: үстіңгі қондырылған және интерьерді салыстыру

Жоғарыда келтірілген талдау негізінде осьтік ағынды қозғалтқыштар үшін ротор құрылымының негізгі түрлері келесі кестеде жинақталған:

5. SDM: беткейде орнатылған осьтік ағынды қозғалтқыш роторларының негізгі драйвері

Үш негізгі сценарий үшін роторды таңдаудың негізгі нүктелерін талдағаннан кейін біз негізгі элементке келеміз -  жоғары өнімді тұрақты магниттер мен ротордың беткі құрылымдарына арналған инженерлік мүмкіндік . Дәл осы жерде SDM техникалық артықшылықтары жатыр.

SDM – магниттер мен магниттік шешімдерге бағытталған, кәсіби магнит өндірісінде 16 жылдық тәжірибесі бар ұлттық жоғары технологиялық кәсіпорын. Компания сирек жер шикізатын тұрақты және қауіпсіз жеткізуді қамтамасыз ететін Қытайдағы ең ірі сирек жер өндіру кәсіпорны «China Aluminium» компаниясымен стратегиялық ынтымақтастықта. Сонымен бірге, SDM тереңдетілген бірлескен зерттеулер жүргізеді  Қытай ғылым академиясымен  және тұтынушылармен соңғы элементтерді талдау (FEA) бойынша жұмыс істейді, бұл магниттік тізбекті жобалаудың басынан бастап дәл модельдеу қолдауын қамтамасыз етеді, осылайша әзірлеу циклдерін қысқартады және сынақ және қателік шығындарын азайтады.

Беткейде орнатылған осьтік ағынды қозғалтқыш роторлары саласында SDM жүйелі өндіріс пен дизайн артықшылықтарын ұсынады:

Біріншіден, жоғары деңгейдегі сертификаттары бар толық өндіріс жүйесі.  Компанияда IATF 16949 (автокөлік сапа менеджменті жүйесі) бар, 2010 жылдан бері General Motors-қа 2-ші деңгей жеткізушісі ретінде нөлдік ақау (0 PPM) рекордын сақтап қалды, сонымен қатар ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, көміртегі ізі және BSCI сертификаттарына ие. Оның өнімдері RoHS, REACH және SGS тестілеу талаптарына сәйкес келеді. Бұл тұрақты магниттердің әрбір партиясы шикізаттың қадағалануынан бастап дайын өнімді жөнелтуге дейін қатаң сапаны бақылаудан өтеді дегенді білдіреді.

Екіншіден, роторлы құрылымдардың беткі қабаттары үшін жетілген интеграцияланған технологиялық технология.  Осьтік ағын қозғалтқышында беткі тұрақты магнитті ротор дискісі бір уақытта үш негізгі инженерлік қиындықты шешуі керек:  магниттерді жоғары беріктікпен бекіту, жоғары жылдамдықтағы жұмыс кезінде тұрақтылық және өндіру/жинақтау . SDM магниттік материалдың әртүрлі нұсқаларын қамтамасыз етеді, соның ішінде жоғары коэрсивті NdFeB маркалары мен SmCo сериялары. Ол жоғары жылдамдықты жұмыс кезінде магниттің сенімді орналасуын қамтамасыз ету үшін, сонымен бірге ротор құйынды ток шығындарын азайту үшін аз шығынды, жоғары берік полимер пресс тақталарының/бекіту жақтауларының, ротордың артқы үтіктерінің және көміртекті талшықты ұстайтын гильзалардың комбинациясын пайдаланады. Бұл шешім ротордың төмен жоғалуы, жоғары құрылымдық беріктігі және құрастырудың жақсы өңделуі сияқты жан-жақты артықшылықтарын дәлелдеді.

Үшіншіден, жоғары деңгейлі теңшеуді қолдайтын жоғары деңгейлі техникалық топ.  құрастырған техникалық топ  Қытай Ғылым академиясының магниттік материалдар бойынша сарапшылары құрамында 2 PhD докторы, 5 магистр дәрежесі бар, 8 аға инженер және 80-нен астам инженерлік-техникалық персонал бар. Компания муниципалды ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыс орталығын және докторантурадан кейінгі жұмыс орнын құрды. Осылайша, SDM кәдімгі магниттерді шығарып қана қоймайды, сонымен қатар магнит дәрежесін таңдауды (ультра жоғары коэрцивтік NdFeB N/M/UH маркалары, SmCo5 / Sm-Ко-₇ температурасы мен демагнетизациясы, элементті демагнитизациялау) қоса алғанда, әртүрлі жұмыс жағдайларында (хаб қозғалтқыштары, робот қосылыстары, дрон қозғалысы) нақты магниттік тізбек талаптары үшін толық технологиялық техникалық шешімдерді қамтамасыз ете алады. симуляция.

Төртіншіден, сала-университет-зерттеу ынтымақтастығы және кең өнім портфолиосы.  SDM магниттік материалдардағы жетістіктерді үнемі қадағалай отырып, Нинбо материалдар технологиясы және инженерия институтымен (CAS) және Оңтүстік-Батыс Цзяотонг университетімен ынтымақтастық қарым-қатынаста болады. Оның өнім ассортименті микро-моторлы статорлар мен роторларды, маглев қозғалтқыштарын, сенсорларды, шешуші құрылғыларды, оптикалық изоляторларды, тұрақты магнитті және жұмсақ магнитті компоненттерді қамтиды, әртүрлі салалардағы қозғалтқыш конструкцияларына бір реттік магниттік материалды қолдауды қамтамасыз етеді.

Қорытынды

Тегістелген құрылымы мен өзгермелі қуат тығыздығымен осьтік ағын қозғалтқышы электр көліктерінің, гуманоид роботтардың және төмен биіктіктегі ұшақтардың қуат архитектурасын қайта анықтайды. «Крутящий моменті» және «жеңілдетуге» негізделген бұл технология жарысында ротор құрылымының дизайны және тұрақты магнитті материалдардың сапасы төменгі шекті белгілейді, ал беткі құрылым –  қарапайым дизайнымен, жылдам динамикалық реакциясымен және жоғары айналу моментінің тығыздығымен  – робот қосылыстарында таптырмас орын алады, төмен жылдамдықты жетекті, жоғары тиімділікті және басқа да қосымшаларды қажет етеді.

Магниттік тізбек топологиясын дәл оңтайландырудан бастап тұрақты магнитті материалдардың жоғары температуралық тұрақтылық дизайнына дейін, тек негізгі материал технологиясы мен роторды өндіру процестерінің толық тізбегін меңгеру арқылы қатаң нарықтық бәсекелестікте нағыз шұңқырды орнатуға болады. SDM ұлттық жоғары технологиялық кәсіпорын ретіндегі куәліктерімен, тұрақты магниттер бойынша 16 жылдық жинақталған тәжірибесімен, CAS құрастырған сарапшылар тобының техникалық қолдауымен және жүйелі сапа менеджменті жүйесімен жер бетінде орнатылған осьтік ағынды қозғалтқыш роторларының жоғары сенімділігі мен жоғары өнімділігі үшін берік негіз береді. Концентраторлы қозғалтқыштардың жылдамдық диапазонының кең ауқымы, робот қосылыстарының төмен инерциялық дәлдікпен басқару талаптары немесе ұшқышсыз қозғалтқыштағы қуат тығыздығы мен магнитсізденуге төзімділіктің төтенше талаптары болсын, SDM материалдардан модельдеуге дейін толық технологиялық инженерлік шешімдерді ұсынады – дәлірек айтқанда, осьтік ағынды қозғалтқыштарға жұмыс күшін ауыстыратын таптырмас қозғаушы күш.