Belangrijkste punten voor de selectie van axiale fluxmotorenrotoren onder verschillende bedrijfsomstandigheden – naafmotoren, robotgewrichten, drone-aandrijving

Inleiding: paradigmaverschuiving van 'Cilinder' naar 'Schijf'

Wanneer mensen aan elektromotoren denken, stellen de meesten zich een lange cilinder voor waarbij de stator de rotor omsluit en het magnetische veld zich radiaal voortplant. Een motor die deze conventionele vorm tart, drijft echter een nieuwe technologische revolutie aan: de axiale fluxmotor . Het comprimeert de stator en rotor tot een bijna platte schijf, zo compact als een sandwichkoekje.

De kern van deze afvlakkingsrevolutie ligt in een fundamentele verandering in de richting van het magnetische pad. Bij een traditionele radiale fluxmotor straalt het magnetische veld vanaf de as naar buiten; in een axiale fluxmotor loopt het magnetische veld evenwijdig aan de as, waarbij stator en rotor in schijfopstelling naar elkaar toe zijn gericht. Deze verschuiving brengt verbazingwekkende prestatievoordelen met zich mee:  bij hetzelfde materiaalgebruik is het koppel van een axiale fluxmotor evenredig met de derde macht van de rotordiameter (terwijl dit bij een traditionele radiale motor slechts het kwadraat van de diameter is), waardoor een koppeldichtheidstoename van 2 à 3 keer wordt bereikt en een efficiëntie van meer dan 96%.  Tegelijkertijd is de axiale lengte slechts 1/3 tot 1/2 van die van een conventionele motor, waarbij het volume met meer dan 50% is verminderd en het gewicht met ongeveer 40% tot 50% is verminderd bij hetzelfde vermogen.

De sleutel tot het bereiken van een dergelijke hoge vermogensdichtheid en koppeldichtheid bij axiale fluxmotoren ligt in het ingenieuze ontwerp van de rotorstructuur. Verschillende toepassingsscenario's stellen verschillende prestatie-eisen, en de selectie van de magnetische rotorcircuitstructuur, het permanente magneetmateriaal en de topologie bepaalt vaak direct of de motor zijn voordelen volledig kan realiseren. Dit artikel begint met drie typische toepassingsscenario's – naafmotoren, robotverbindingen en drone-aandrijving – en analyseert systematisch de kernpunten van rotorselectie.

1. Naafmotoren: afweging tussen koppeldichtheid en een breed snelheidsbereik

Naafmotoren worden in de velg geïnstalleerd, waar de ruimte uiterst beperkt is – dit is de belangrijkste ontwerpbeperking. Ze moeten tegelijkertijd een hoge koppeldichtheid bieden (voor starten en klimmen), een breed snelheidsbereik (van kruipen op lage snelheid tot cruisen op hoge snelheid) en een goed warmteafvoervermogen.

Wat de selectie van de rotorstructuur betreft, gebruiken naafmotoren gewoonlijk  opbouw- en spaaktypes (interieur) , elk met verschillende ontwerpprioriteiten. Op het oppervlak gemonteerde permanente magneten zijn rechtstreeks aan het oppervlak van de rotorkern bevestigd en bieden een eenvoudige structuur, een hoge luchtspleetfluxdichtheid en geschiktheid voor toepassingen die de ultieme vermogensdichtheid nastreven. De hogesnelheidsrotatie van een rotor met een grote diameter genereert echter een enorme centrifugaalkracht, waardoor een borghuls nodig is om de op het oppervlak gemonteerde magneten vast te zetten. Dit vereist niet-magnetische materialen met hoge sterkte, en de hoes zelf vergroot de luchtspleet, waardoor de output wordt verminderd.

Spaaktype (interieur) permanente magneten zijn ingebed in de rotor. Door fluxconcentratie verbeteren ze de koppeldichtheid en het fluxverzwakkende snelheidsverlengingsvermogen aanzienlijk. De STAF-PMSM-naafmotor van het spaaktype, ontworpen door de Jiangsu University, maakt bijvoorbeeld gebruik van een dubbele rotorstructuur om het excitatiegebied van de luchtspleet te vergroten, waardoor excitatie van fluxconcentratie wordt bereikt. Hij levert een maximaal koppel van 280 N·m en een maximaal vermogen van 15 kW, waardoor hij geschikt is voor nieuwe energievoertuigen met gedistribueerde in-wheel-drive. Bovendien beschermt de binnenstructuur de permanente magneten effectief tegen directe blootstelling aan hoge temperaturen en mechanische schokken, waardoor het risico van losraken van de magneet waarmee oppervlaktegemonteerde typen bij hoge snelheden worden geconfronteerd, wordt overwonnen.

Thermisch beheer is een andere kernuitdaging voor naafmotoren. Bij werking met hoog vermogen zijn de elektromagnetische verliezen geconcentreerd en zijn de koelomstandigheden slecht. Dit vereist nauwkeurige thermische modellering op basis van verliesanalyse om effectieve koeling te bereiken. Momenteel verbetert de axiale fluxmotor met dubbele stator en enkele rotor (AFIR) de vermogensdichtheid door de elektrische belasting te verhogen met twee stators, terwijl de jukloze axiale fluxmotor (YASA) het statorjuk elimineert om ijzerverlies te verminderen, waardoor de thermische belasting wordt verlaagd en tegelijkertijd de efficiëntie en koppeldichtheid worden verbeterd.

Over het algemeen moet bij de rotorselectie voor naafmotoren een evenwicht worden gevonden tussen  de koppeldichtheid, het vermogen om de snelheid uit te breiden en de betrouwbaarheid . Voor vereisten met een hoog koppel bij lage snelheden wordt de voorkeur gegeven aan opbouw- of spaaktype structuren, maar als een breed snelheidsbereik nodig is, is het spaaktype geschikter vanwege de fluxconcentratie en het fluxverzwakkende vermogen.

2. Robotgewrichten: dubbele vereisten van lage traagheid en precisiecontrole

Robotgewrichten vereisen duidelijk andere eigenschappen van naafmotoren. In grote gewrichten zoals heupen, tailles en benen zijn een hoog koppel en extreem licht gewicht de kernvereisten. Vergeleken met traditionele radiale motoren kunnen axiale fluxmotoren in deze scenario's de ruimtebeslag met 30%-60% en het gewicht met meer dan 30% verminderen, waarbij sommige ontwerpen 60%-70% bereiken. In kleine gewrichten zoals polsen en vingers worden precisie en lage traagheid hogere prioriteiten.

De koppel-traagheidsverhouding  is een belangrijke ontwerpparameter voor robotgewrichtmotoren. Onderzoek toont aan dat het koppel van een axiale fluxmotor evenredig is met de derde macht van de rotordiameter, wat betekent dat extreem hoge koppeloutput bij lage snelheid kan worden bereikt in de compacte ruimte van een afgeplatte verbinding, terwijl de dunne schijfstructuur direct in de verbinding kan worden ingebed en de warmteafvoer vereenvoudigt.

Bij rotorselectie geven robotverbindingen voorrang aan opbouwconstructies of Halbach-arrays. De op het oppervlak gemonteerde structuur, met zijn lage rotorverlies en lage traagheidsmoment, maakt  een snellere dynamische respons mogelijk  – de acceleratieresponstijd kan worden teruggebracht van 15 ms naar 5-8 ms, wat cruciaal is voor robotbewegingen die een snelle start/stop en nauwkeurige positionering vereisen. Een Halbach-array versterkt, via een specifiek magnetisatierichtingspatroon, het magnetische veld aan de ene kant terwijl het aan de andere kant bijna wordt opgeheven, waardoor de rotorkern kan worden geëlimineerd en de traagheid en verliezen van de rotor verder worden verminderd.

Het ontwerp van magnetische circuits en de materiaalkeuze van permanente magneten vereisen ook nauwkeurige controle. Axiale fluxmotoren gebruiken een ringvormige magneetlay-out, die de magnetische padlengte verkort en de koppeldichtheid verhoogt in vergelijking met de radiale lay-out van traditionele radiale fluxmotoren. Omdat robotverbindingen vaak reductiemiddelen of zelfs quasi-direct drive (QDD) -schema's bevatten, zijn bovendien hogere coërciviteit en thermische stabiliteit vereist. Wanneer de kosten het toelaten, kunnen kwaliteiten met een hoge coërciviteit met zware zeldzame aardmetalen zoals dysprosium en terbium effectief demagnetisatie door omgekeerde magnetische velden tijdens bedrijf voorkomen.

Voor miniatuurverbindingen in het bereik van 16–18 mm vertonen axiale fluxmotoren van het PCB-type unieke voordelen. Door gebruik te maken van etsen in plaats van traditionele koperen wikkelingen, bieden ze een hoge productieconsistentie, laag ijzerverlies en extreem licht gewicht.

3. Drone-aandrijving: extreme uitdagingen op het gebied van vermogensdichtheid en weerstand tegen thermische demagnetisatie

Drone-voortstuwingssystemen worden geconfronteerd met een fundamentele tegenstrijdigheid:  elke extra gram gewicht vermindert de vliegtijd, en elke graad temperatuurstijging vermindert het vermogen . Uit gegevens blijkt dat voor een axiale fluxmotor met een stuwkracht-gewichtsverhouding van meer dan 25:1 het verminderen van de massa met 1 kg het bereik met ongeveer 10 km kan vergroten. Daarom zijn lichtgewicht en hoge vermogensdichtheid de belangrijkste ontwerpcriteria voor drone-voortstuwingsmotoren.

In termen van vermogensdichtheid vertonen axiale fluxmotoren overweldigende voordelen bij de voortstuwing van drones. Hun volumetrische vermogensdichtheid kan  14,9 kW/kg bereiken , wat veel hoger is dan die van traditionele radiale motoren. Gemeten vermogensdichtheden variëren van  5,8 tot 21 kW/kg , met koppeldichtheden van  15 tot 25 Nm/kg . Het nieuwste axiale fluxvoortstuwingssysteem uit de 'Yufeng' T-serie bereikt een continue vermogensdichtheid van 10 Nm/kg en een piekkoppeldichtheid van 20 Nm/kg, waardoor het zeer geschikt is voor directe aandrijving in geavanceerde vliegtuigen zoals bemande eVTOL en drones met samengestelde vleugels.

Naast de vermogensdichtheid lopen drone-voortstuwingsmotoren ook het risico van demagnetisatie in omgevingen met hoge temperaturen. Tijdens de vlucht werken motoren gedurende langere perioden op hoog vermogen, waardoor een snelle temperatuurstijging in de wikkelingen en permanente magneten ontstaat. Als missies worden uitgevoerd in zomerse hitte of in woestijngebieden, zorgt de combinatie van omgevingstemperatuur en zelfopwarming voor ernstige demagnetisatie-uitdagingen voor de permanente magneten.

De materiaalkeuze van permanente magneten heeft rechtstreeks invloed op de betrouwbaarheid bij hoge temperaturen van dronemotoren.  Van de gangbare permanente magneetmaterialen biedt neodymium-ijzer-borium (NdFeB) de hoogste magnetische prestaties, maar standaardkwaliteiten (N-serie) hebben een maximale bedrijfstemperatuur van slechts 80–100 °C, en boven de 200 °C kan onomkeerbaar magnetisch verlies optreden. NdFeB-soorten met hoge coërciviteit (SH-, UH-, EH-, AH-serie) kunnen werken tot 150–240 ° C, maar hun stabiliteit bij hoge temperaturen is nog steeds inferieur aan die van samariumkobalt (SmCo). SmCo-magneten kunnen stabiel werken boven  300°C , met een Curie-temperatuur van meer dan 720°C, en hun magnetische eigenschappen variëren slechts 1/4–1/3 zoveel als NdFeB met de temperatuur. De nadelen zijn een iets lager magnetisch energieproduct en hogere kosten. Voor consumentendrones is krachtig NdFeB voldoende voor de meeste behoeften; maar voor industriële drones en bemande eVTOL onder omstandigheden met hoge temperaturen en hoog vermogen is SmCo – ondanks de kosten – een noodzakelijke keuze voor betrouwbaarheid.

4. Snel overzicht van rotortypen: vergelijking van opbouwmontage versus interieur

Op basis van de bovenstaande analyse worden de belangrijkste rotorstructuurtypen voor axiale fluxmotoren samengevat in de volgende tabel:

5. SDM: een belangrijke drijfveer voor op het oppervlak gemonteerde axiale fluxmotorrotoren

Na analyse van de belangrijkste rotorselectiepunten voor de drie belangrijkste scenario's komen we bij een kernelement:  de technische capaciteit voor hoogwaardige permanente magneten en op het oppervlak gemonteerde rotorconstructies . Dit is precies waar de technische voordelen van SDM liggen.

SDM is een nationale hightech onderneming gericht op magneten en magnetische oplossingen, met 16 jaar ervaring in professionele magneetproductie. Het bedrijf heeft een strategische samenwerking met China Aluminium, de grootste mijnbouwonderneming voor zeldzame aardmetalen in China, waardoor een stabiele en veilige aanvoer van zeldzame aardmetalen wordt gegarandeerd. Tegelijkertijd voert SDM diepgaand onderzoek uit in samenwerking met de  Chinese Academie van Wetenschappen  en werkt het samen met klanten aan eindige-elementenanalyse (FEA), waarbij nauwkeurige simulatieondersteuning wordt geboden vanaf het allereerste begin van het ontwerp van magnetische circuits, waardoor de ontwikkelingscycli worden verkort en de kosten van vallen en opstaan ​​worden verlaagd.

Op het gebied van op het oppervlak gemonteerde axiale fluxmotorrotoren biedt SDM systematische productie- en ontwerpvoordelen:

Ten eerste een compleet productiesysteem met certificeringen op hoog niveau.  Het bedrijf beschikt over IATF 16949 (automotive quality management system), heeft sinds 2010 een zero-defect (0 PPM) record als Tier-2-leverancier voor General Motors en beschikt ook over ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, ecologische voetafdruk en BSCI-certificeringen. De producten voldoen aan de RoHS-, REACH- en SGS-testvereisten. Dit betekent dat elke partij permanente magneten een strenge kwaliteitscontrole ondergaat, van de traceerbaarheid van grondstoffen tot de verzending van het eindproduct.

Ten tweede: volwassen geïntegreerde procestechnologie voor op het oppervlak gemonteerde rotorconstructies.  In een axiale fluxmotor moet een op het oppervlak gemonteerde rotorschijf met permanente magneet tegelijkertijd drie grote technische problemen oplossen:  hoge sterkte bevestiging van magneten, stabiliteit bij hoge snelheid, en produceerbaarheid/assemblage . SDM biedt verschillende magnetische materiaalopties, waaronder NdFeB-kwaliteiten met hoge coërciviteit en SmCo-series. Het maakt gebruik van een combinatie van verliesarme, zeer sterke polymeer persplaten/bevestigingsframes, rotorijzers en koolstofvezel borghulzen om een ​​betrouwbare magneetpositionering bij hoge snelheid te garanderen, terwijl rotorwervelstroomverliezen worden geminimaliseerd. Deze oplossing heeft zijn uitgebreide voordelen bewezen: laag rotorverlies, hoge structurele sterkte en goede verwerkbaarheid van de assemblage.

Ten derde een technisch team van topniveau dat hoogwaardig maatwerk ondersteunt.  Het technische team, gebouwd door  experts op het gebied van magnetische materialen van de Chinese Academie van Wetenschappen , bestaat uit 2 PhD's, 5 masterdiplomahouders, 8 senior ingenieurs en meer dan 80 ingenieurs en technisch personeel. Het bedrijf heeft een gemeentelijk R&D-centrum en een postdoctorale werkplek opgericht. SDM kan dus niet alleen conventionele magneten produceren, maar ook technische oplossingen voor het volledige proces bieden voor feitelijke magnetische circuitvereisten onder verschillende werkomstandigheden (naafmotoren, robotverbindingen, voortstuwing van drones), inclusief selectie van magneetkwaliteiten (ultrahoge coërciviteit NdFeB N/M/UH-kwaliteiten, SmCo5 / Sm-Co-₇-serie), berekening van de demagnetisatietemperatuurmarge en eindige-elementensimulatie.

Ten vierde: samenwerking tussen industrie, universiteit en onderzoek en een breed productportfolio.  SDM onderhoudt samenwerkingsrelaties met het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) en de Southwest Jiaotong University, waarbij voortdurend de vooruitgang op het gebied van magnetische materialen wordt gevolgd. Het productassortiment omvat micromotorstators en rotors, magneetmotoren, sensoren, solvers, optische isolatoren, permanente magneet- en zachtmagnetische componenten, en biedt one-stop-ondersteuning voor magnetisch materiaal voor motorontwerpen in verschillende industrieën.

Conclusie

Met zijn afgeplatte structuur en transformatieve vermogensdichtheid herdefinieert de axiale fluxmotor de vermogensarchitectuur van elektrische voertuigen, mensachtige robots en vliegtuigen op lage hoogte. In deze technologierace waarin 'koppeldichtheid' en 'lichtgewicht' centraal staan, vormen het ontwerp van de rotorstructuur en de kwaliteit van permanente magneetmaterialen de ondergrens, terwijl de op het oppervlak gemonteerde structuur – met zijn  eenvoudige ontwerp, snelle dynamische respons en hoge koppeldichtheid  – een onvervangbare positie inneemt in robotverbindingen, naafaandrijvingen met lage snelheden en hoge koppels, en andere toepassingen die hoge efficiëntie en lage traagheid vereisen.

Van nauwkeurige optimalisatie van de topologie van het magnetische circuit tot het ontwerp van permanente magneetmaterialen voor hoge temperatuurstabiliteit: alleen door het beheersen van de volledige keten van kernmateriaaltechnologie en rotorproductieprocessen kan er een echte slotgracht worden gevestigd in de hevige concurrentie op de markt. SDM, met zijn reputatie als nationale hightech onderneming, 16 jaar opgebouwde ervaring op het gebied van permanente magneten, technische ondersteuning van een CAS-gebouwd expertteam en een systematisch kwaliteitsmanagementsysteem, biedt een solide basis voor de hoge betrouwbaarheid en hoge prestaties van op het oppervlak gemonteerde axiale fluxmotorrotoren. Of het nu gaat om de grote snelheidsbereikuitdaging van naafmotoren, de precisiecontrolevereisten met lage traagheid van robotgewrichten, of de extreme vereisten voor vermogensdichtheid en demagnetisatieweerstand bij de voortstuwing van drones, SDM biedt volledige procestechnische oplossingen, van materialen tot simulatie – precies de onmisbare drijvende kracht die axiale fluxmotoren van laboratorium naar grootschalige toepassing beweegt.