Perkara Utama untuk Pemilihan Rotor Motor Fluks Paksi Di Bawah Keadaan Operasi Berbeza – Motor Hab, Sambungan Robot, Pendorong Dron

Pengenalan: Anjakan Paradigma daripada 'Silinder' kepada 'Cakera'

Apabila orang berfikir tentang motor elektrik, kebanyakannya membayangkan silinder panjang di mana stator menutup pemutar dan medan magnet merambat secara jejari. Walau bagaimanapun, sebuah motor yang menentang bentuk konvensional ini memacu revolusi teknologi baharu – yang motor fluks paksi . Ia memampatkan stator dan rotor ke dalam cakera yang hampir rata, padat seperti kuki sandwic.

Teras revolusi mendatar ini terletak pada perubahan asas dalam arah laluan magnetik. Dalam motor fluks jejari tradisional, medan magnet memancar keluar dari paksi; dalam motor fluks paksi, medan magnet berjalan selari dengan paksi, dengan pemegun dan pemutar menghadap satu sama lain dalam susunan cakera. Anjakan ini membawa kelebihan prestasi yang menakjubkan:  dengan penggunaan bahan yang sama, tork motor fluks paksi adalah berkadar dengan kiub diameter pemutar (manakala untuk motor jejarian tradisional ia hanya segi empat diameter diameter), mencapai peningkatan ketumpatan tork sebanyak 2-3 kali dan kecekapan melebihi 96%.  Pada masa yang sama, panjang paksinya hanya 1/3 hingga 1/2 daripada motor konvensional, dengan isipadu berkurangan lebih daripada 50% dan berat berkurangan kira-kira 40%–50% di bawah kuasa yang sama.

Kunci untuk mencapai ketumpatan kuasa tinggi dan ketumpatan tork dalam motor fluks paksi terletak pada reka bentuk cerdik struktur pemutar. Senario aplikasi yang berbeza mengenakan keperluan prestasi yang berbeza, dan pemilihan struktur litar magnet rotor, bahan magnet kekal, dan topologi selalunya secara langsung menentukan sama ada motor dapat merealisasikan sepenuhnya kelebihannya. Artikel ini bermula dengan tiga senario aplikasi biasa – motor hab, sambungan robot dan pendorongan dron – dan menganalisis titik teras pemilihan rotor secara sistematik.

1. Motor Hab: Tukar Ganti Antara Ketumpatan Tork dan Julat Kelajuan Luas

Motor hab dipasang di dalam rim roda, di mana ruang sangat terhad - ini adalah kekangan reka bentuk utama. Mereka mesti memberikan ketumpatan tork yang tinggi secara serentak (untuk memulakan dan memanjat), julat kelajuan yang luas (daripada merangkak berkelajuan rendah kepada pelayaran berkelajuan tinggi), dan keupayaan pelesapan haba yang baik.

Dari segi pemilihan struktur rotor, motor hab lazimnya menggunakan  jenis yang dipasang di permukaan dan bercakap (dalaman) , masing-masing dengan keutamaan reka bentuk yang berbeza. Magnet kekal yang dipasang di permukaan dipasang terus pada permukaan teras pemutar, menawarkan struktur ringkas, ketumpatan fluks celah udara yang tinggi dan kesesuaian untuk aplikasi yang mengejar ketumpatan kuasa muktamad. Walau bagaimanapun, putaran berkelajuan tinggi pemutar berdiameter besar menghasilkan daya emparan yang besar, memerlukan lengan penahan untuk menahan magnet yang dipasang di permukaan. Ini memerlukan bahan bukan magnet berkekuatan tinggi, dan lengan itu sendiri meningkatkan jurang udara, dengan itu mengurangkan pengeluaran.

Magnet kekal jenis jejari (dalaman) dibenamkan di dalam rotor. Melalui kepekatan fluks, mereka meningkatkan ketumpatan tork dengan ketara dan keupayaan lanjutan kelajuan yang melemahkan fluks. Sebagai contoh, motor hab jenis jejari STAF-PMSM yang direka oleh Universiti Jiangsu menggunakan struktur dwi-pemutar untuk meningkatkan kawasan pengujaan celah udara, mencapai pengujaan kepekatan fluks. Ia memberikan tork maksimum 280 N·m dan kuasa maksimum 15 kW, menjadikannya sesuai untuk kenderaan tenaga baharu pacuan dalam roda yang diedarkan. Selain itu, struktur dalaman secara berkesan melindungi magnet kekal daripada pendedahan langsung kepada suhu tinggi dan kesan mekanikal, mengatasi risiko detasmen magnet yang dihadapi oleh jenis yang dipasang di permukaan pada kelajuan tinggi.

Pengurusan terma ialah satu lagi cabaran teras untuk motor hab. Di bawah operasi berkuasa tinggi, kehilangan elektromagnet tertumpu dan keadaan penyejukan adalah lemah. Ini memerlukan pemodelan haba yang tepat berdasarkan analisis kehilangan untuk mencapai penyejukan yang berkesan. Pada masa ini, motor fluks paksi pemutar tunggal (AFIR) dwi-pemegun meningkatkan ketumpatan kuasa dengan meningkatkan beban elektrik dengan dua pemegun, manakala motor fluks paksi tanpa kuk (YASA) menghilangkan kuk stator untuk mengurangkan kehilangan besi, menurunkan beban haba sambil meningkatkan kecekapan dan ketumpatan tork.

Secara keseluruhan, pemilihan rotor untuk motor hab mesti mengimbangi  ketumpatan tork, keupayaan lanjutan kelajuan dan kebolehpercayaan . Untuk keperluan tork tinggi berkelajuan rendah, struktur yang dipasang di permukaan atau jenis jejari lebih disukai, tetapi jika julat kelajuan yang luas diperlukan, jenis jejari lebih sesuai kerana kepekatan fluksnya dan keupayaan melemahkan fluks.

2. Sendi Robot: Dwi Keperluan Inersia Rendah dan Kawalan Ketepatan

Sambungan robot memerlukan ciri yang berbeza daripada motor hab. Dalam sendi besar seperti pinggul, pinggang dan kaki, keluaran tork yang tinggi dan pemberat ringan yang melampau adalah keperluan teras - berbanding dengan motor jejarian tradisional, motor fluks paksi dalam senario ini boleh mengurangkan penghunian ruang sebanyak 30%–60% dan berat lebih daripada 30%, dengan beberapa reka bentuk mencapai 60%–70%. Dalam sendi kecil seperti pergelangan tangan dan jari, ketepatan dan inersia rendah menjadi keutamaan yang lebih tinggi.

Nisbah tork-ke-inersia  ialah parameter reka bentuk utama untuk motor sendi robot. Penyelidikan menunjukkan bahawa tork motor fluks paksi adalah berkadar dengan kiub diameter pemutar, bermakna output tork berkelajuan rendah yang sangat tinggi boleh dicapai dalam ruang padat sendi yang diratakan, manakala struktur cakera nipis boleh tertanam terus ke dalam sendi dan memudahkan pelesapan haba.

Untuk pemilihan rotor, sambungan robot memberi keutamaan kepada struktur yang dipasang di permukaan atau susunan Halbach. Struktur yang dipasang di permukaan, dengan kehilangan rotornya yang rendah dan momen inersia yang rendah, membolehkan  tindak balas dinamik yang lebih pantas  – masa tindak balas pecutan boleh dikurangkan daripada 15 ms kepada 5-8 ms, yang penting untuk gerakan robot yang memerlukan permulaan/berhenti pantas dan kedudukan yang tepat. Tatasusunan Halbach, melalui corak arah kemagnetan tertentu, meningkatkan medan magnet pada satu sisi sambil hampir membatalkannya di sisi yang lain, membolehkan penyingkiran teras pemutar dan seterusnya mengurangkan inersia dan kehilangan pemutar.

Reka bentuk litar magnetik dan pemilihan bahan magnet kekal juga memerlukan kawalan yang tepat. Motor fluks paksi menggunakan susun atur magnet anulus, yang memendekkan panjang laluan magnet dan meningkatkan ketumpatan tork berbanding dengan susun atur jejari motor fluks jejari tradisional. Selain itu, kerana sambungan robot selalunya termasuk skim pengurang atau bahkan pemacu separa langsung (QDD), coercivity yang lebih tinggi dan kestabilan terma diperlukan. Apabila kos membenarkan, gred coercivity tinggi dengan nadir bumi berat seperti dysprosium dan terbium boleh menghalang penyahmagnetan daripada medan magnet terbalik semasa operasi.

Untuk sambungan kecil dalam julat 16–18 mm, motor fluks paksi jenis PCB menunjukkan kelebihan unik. Menggunakan etsa dan bukannya belitan tembaga tradisional, mereka menawarkan konsistensi pembuatan yang tinggi, kehilangan besi yang rendah dan pemberat ringan yang melampau.

3. Pendorongan Dron: Cabaran Melampau Ketumpatan Kuasa dan Rintangan terhadap Penyahmagnetan Terma

Sistem pendorongan dron menghadapi percanggahan asas:  setiap gram berat tambahan mengurangkan masa penerbangan, dan setiap tahap kenaikan suhu mengurangkan kuasa . Data menunjukkan bahawa untuk motor fluks paksi dengan nisbah tujahan kepada berat melebihi 25:1, mengurangkan jisim sebanyak 1 kg boleh meningkatkan julat sebanyak kira-kira 10 km. Oleh itu, berat ringan dan ketumpatan kuasa tinggi adalah kriteria reka bentuk utama untuk motor pendorong dron.

Dari segi ketumpatan kuasa, motor fluks paksi menunjukkan kelebihan yang luar biasa dalam pendorongan dron. Ketumpatan kuasa isipadu mereka boleh mencapai  14.9 kW/kg , jauh melebihi motor jejarian tradisional. Ketumpatan kuasa yang diukur berjulat dari  5.8 hingga 21 kW/kg , dengan ketumpatan tork  15 hingga 25 Nm/kg . Sistem pendorong fluks paksi siri T 'Yufeng' terbaharu mencapai ketumpatan kuasa berterusan 10 Nm/kg dan ketumpatan tork puncak 20 Nm/kg, menjadikannya sangat sesuai untuk pendorongan pacuan terus dalam pesawat canggih seperti eVTOL berawak dan dron sayap kompaun.

Di luar ketumpatan kuasa, motor pendorong dron juga menghadapi risiko penyahmagnetan dalam persekitaran suhu tinggi. Semasa penerbangan, motor beroperasi pada kuasa tinggi untuk tempoh yang lama, menyebabkan kenaikan suhu yang cepat dalam belitan dan magnet kekal. Jika misi dijalankan di kawasan panas musim panas atau padang pasir, gabungan suhu ambien dan pemanasan sendiri mewujudkan cabaran penyahmagnetan yang teruk untuk magnet kekal.

Pemilihan bahan magnet kekal secara langsung mempengaruhi kebolehpercayaan suhu tinggi motor dron.  Antara bahan magnet kekal biasa, neodymium-iron-boron (NdFeB) menawarkan prestasi magnet tertinggi, tetapi gred standard (siri N) mempunyai suhu operasi maksimum hanya 80–100°C, dan kehilangan magnet yang tidak boleh dipulihkan mungkin berlaku melebihi 200°C. Gred NdFeB dengan paksaan tinggi (siri SH, UH, EH, AH) boleh beroperasi sehingga 150–240°C, tetapi kestabilan suhu tingginya masih lebih rendah daripada samarium-kobalt (SmCo). Magnet SmCo boleh beroperasi secara stabil melebihi  300°C , dengan suhu Curie melebihi 720°C, dan sifat magnetnya berbeza hanya 1/4–1/3 sebanyak NdFeB dengan suhu. Kelemahannya ialah produk tenaga magnet yang rendah sedikit dan kos yang lebih tinggi. Untuk dron pengguna, NdFeB berprestasi tinggi mencukupi untuk kebanyakan keperluan; tetapi untuk dron industri dan eVTOL dikendalikan dalam keadaan suhu tinggi, berkuasa tinggi, SmCo - walaupun kosnya - adalah pilihan yang diperlukan untuk kebolehpercayaan.

4. Gambaran Keseluruhan Pantas Jenis Rotor: Perbandingan Pemasangan Permukaan vs. Dalaman

Berdasarkan analisis di atas, jenis struktur rotor utama untuk motor fluks paksi diringkaskan dalam jadual berikut:

5. SDM: Pemacu Utama untuk Pemutar Motor Fluks Paksi Dilekapkan Permukaan

Selepas menganalisis titik pemilihan rotor utama untuk tiga senario utama, kami tiba pada elemen teras –  keupayaan kejuruteraan untuk magnet kekal berprestasi tinggi dan struktur rotor yang dipasang di permukaan . Di sinilah kelebihan teknikal SDM terletak.

SDM ialah perusahaan teknologi tinggi negara yang memberi tumpuan kepada penyelesaian magnet dan magnet, dengan pengalaman selama 16 tahun dalam pengeluaran magnet profesional. Syarikat itu mempunyai kerjasama strategik dengan China Aluminium, perusahaan perlombongan nadir bumi terbesar di China, memastikan bekalan bahan mentah nadir bumi yang stabil dan selamat. Pada masa yang sama, SDM menjalankan penyelidikan kerjasama yang mendalam dengan  Akademi Sains China  dan bekerjasama dengan pelanggan mengenai analisis unsur terhingga (FEA), menyediakan sokongan simulasi yang tepat dari awal reka bentuk litar magnetik, dengan itu memendekkan kitaran pembangunan dan mengurangkan kos percubaan dan kesilapan.

Dalam bidang pemutar motor fluks paksi yang dipasang di permukaan, SDM menawarkan kelebihan pembuatan dan reka bentuk yang sistematik:

Pertama, sistem pengeluaran lengkap dengan pensijilan peringkat tinggi.  Syarikat itu memegang IATF 16949 (sistem pengurusan kualiti automotif), telah mengekalkan rekod kecacatan sifar (0 PPM) sebagai pembekal Tahap-2 kepada General Motors sejak 2010, dan juga memiliki pensijilan ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, jejak karbon dan BSCI. Produknya mematuhi keperluan ujian RoHS, REACH dan SGS. Ini bermakna setiap kelompok magnet kekal menjalani kawalan kualiti yang ketat, daripada kebolehkesanan bahan mentah kepada penghantaran produk siap.

Kedua, teknologi proses bersepadu yang matang untuk struktur rotor yang dipasang di permukaan.  Dalam motor fluks paksi, cakera pemutar magnet kekal yang dipasang di permukaan mesti serentak menyelesaikan tiga kesukaran kejuruteraan utama:  penetapan magnet berkekuatan tinggi, kestabilan di bawah operasi berkelajuan tinggi dan kebolehkilangan/pemasangan . SDM menyediakan pelbagai pilihan bahan magnetik, termasuk gred NdFeB dengan paksaan tinggi dan siri SmCo. Ia menggunakan gabungan plat penekan polimer berkekuatan rendah/bingkai penetap, seterika belakang rotor, dan lengan penahan gentian karbon untuk memastikan kedudukan magnet yang boleh dipercayai di bawah operasi berkelajuan tinggi, sambil meminimumkan kehilangan arus pusar rotor. Penyelesaian ini telah membuktikan kelebihan komprehensifnya iaitu kehilangan rotor yang rendah, kekuatan struktur yang tinggi, dan kebolehprosesan pemasangan yang baik.

Ketiga, pasukan teknikal peringkat atasan yang menyokong penyesuaian mewah.  Pasukan teknikal, yang dibina oleh  pakar dalam bahan magnet dari Akademi Sains China , termasuk 2 PhD, 5 pemegang ijazah sarjana, 8 jurutera kanan, dan lebih daripada 80 kakitangan kejuruteraan dan teknikal. Syarikat itu telah menubuhkan pusat R&D perbandaran dan stesen kerja pasca kedoktoran. Oleh itu, SDM bukan sahaja boleh menghasilkan magnet konvensional tetapi juga menyediakan penyelesaian teknikal proses penuh untuk keperluan litar magnet sebenar di bawah keadaan kerja yang berbeza (motor hab, sendi robot, pendorong dron), termasuk pemilihan gred magnet (gred coercivity ultra-tinggi NdFeB N/M/UH, siri SmCo5 / Sm-Co-₇), penyahmagnetan dan pengiraan margin suhu simulasi.

Keempat, kerjasama industri-universiti-penyelidikan dan portfolio produk yang luas.  SDM mengekalkan hubungan kerjasama dengan Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) dan Southwest Jiaotong University, secara berterusan menjejaki kemajuan dalam bahan magnetik. Rangkaian produknya meliputi pemegun dan pemutar motor mikro, motor maglev, penderia, penyelesai, pengasing optik, magnet kekal dan komponen magnet lembut, menyediakan sokongan bahan magnet sehenti untuk reka bentuk motor merentas industri yang berbeza.

Kesimpulan

Dengan struktur yang diratakan dan ketumpatan kuasa transformatif, motor fluks paksi mentakrifkan semula seni bina kuasa kenderaan elektrik, robot humanoid dan pesawat altitud rendah. Dalam perlumbaan teknologi yang tertumpu pada 'ketumpatan tork' dan 'peringanan', reka bentuk struktur rotor dan kualiti bahan magnet kekal menetapkan had yang lebih rendah, manakala struktur yang dipasang di permukaan – dengan  reka bentuk yang ringkas, tindak balas dinamik yang pantas dan ketumpatan tork yang tinggi  – menduduki kedudukan yang tidak boleh ditukar ganti dalam sambungan robot, pemacu hab tork berkelajuan rendah dan aplikasi lain yang memerlukan kecekapan tinggi.

Daripada pengoptimuman tepat topologi litar magnetik kepada reka bentuk kestabilan suhu tinggi bahan magnet kekal, hanya dengan menguasai rantaian lengkap teknologi bahan teras dan proses pembuatan pemutar, parit sejati dapat diwujudkan dalam persaingan pasaran yang sengit. SDM, dengan kelayakannya sebagai perusahaan teknologi tinggi negara, pengalaman terkumpul selama 16 tahun dalam magnet kekal, sokongan teknikal daripada pasukan pakar yang dibina CAS, dan sistem pengurusan kualiti yang sistematik, menyediakan asas yang kukuh untuk kebolehpercayaan yang tinggi dan prestasi tinggi rotor motor fluks paksi yang dipasang di permukaan. Sama ada cabaran julat kelajuan luas motor hab, permintaan kawalan ketepatan inersia rendah bagi sendi robot, atau keperluan melampau untuk ketumpatan kuasa dan rintangan penyahmagnetan dalam pendorongan dron, SDM menawarkan penyelesaian kejuruteraan proses penuh daripada bahan kepada simulasi - tepatnya daya penggerak yang amat diperlukan yang menggerakkan motor fluks paksi dari makmal aplikasi ke skala besar.