Nøkkelpunkter for valg av aksialfluksmotorrotor under ulike driftsforhold – navmotorer, robotledd, dronefremdrift

Introduksjon: Paradigmeskifte fra 'Sylinder' til 'Disc'

Når folk tenker på elektriske motorer, ser de fleste for seg en lang sylinder der statoren omslutter rotoren og magnetfeltet forplanter seg radialt. En motor som trosser denne konvensjonelle formen driver imidlertid en ny teknologisk revolusjon – den aksial fluksmotor . Den komprimerer statoren og rotoren til en nesten flat skive, like kompakt som en sandwich-kake.

Kjernen i denne utflatingsrevolusjonen ligger i en fundamental endring i magnetisk baneretning. I en tradisjonell radiell fluksmotor stråler magnetfeltet utover fra aksen; i en aksial fluksmotor går magnetfeltet parallelt med aksen, med stator og rotor vendt mot hverandre i et skivearrangement. Dette skiftet gir forbløffende ytelsesfordeler:  med samme materialbruk er dreiemomentet til en aksial fluksmotor proporsjonalt med kuben til rotordiameteren (mens det for en tradisjonell radialmotor bare er kvadratet på diameteren), og oppnår en dreiemomenttetthetsøkning på 2–3 ganger og effektivitet som overstiger 96 %.  Samtidig er dens aksiale lengde bare 1/3 til 1/2 av en konvensjonell motor, med volum redusert med mer enn 50 % og vekt redusert med omtrent 40 %–50 % under samme effekt.

Nøkkelen til å oppnå så høy effekttetthet og dreiemomenttetthet i aksiale fluksmotorer ligger i den geniale utformingen av rotorstrukturen. Ulike applikasjonsscenarier stiller forskjellige ytelseskrav, og valget av rotormagnetisk kretsstruktur, permanentmagnetmateriale og topologi avgjør ofte direkte om motoren fullt ut kan realisere sine fordeler. Denne artikkelen starter med tre typiske bruksscenarier – navmotorer, robotledd og dronefremdrift – og analyserer systematisk kjernepunktene for rotorvalg.

1. Navmotorer: Avveining mellom dreiemomenttetthet og bredt hastighetsområde

Navmotorer er installert på innsiden av felgen, hvor plassen er ekstremt begrenset – dette er den primære designbegrensningen. De må samtidig gi høy dreiemomenttetthet (for start og klatring), et bredt hastighetsområde (fra lavhastighets crawling til høyhastighets cruising), og god varmeavledningsevne.

Når det gjelder valg av rotorstruktur, bruker navmotorer vanligvis  overflatemonterte og eiker (interiør) typer , hver med forskjellige designprioriteringer. Overflatemonterte permanentmagneter er direkte festet til overflaten av rotorkjernen, og tilbyr en enkel struktur, høy luftspalte-flukstetthet og egnethet for applikasjoner som søker ultimat krafttetthet. Høyhastighetsrotasjon av en rotor med stor diameter genererer imidlertid enorm sentrifugalkraft, som krever en holdehylse for å sikre de overflatemonterte magnetene. Dette krever høyfaste ikke-magnetiske materialer, og hylsen i seg selv øker luftgapet, og reduserer dermed ytelsen.

Permanente magneter av eiktype (interiør) er innebygd inne i rotoren. Gjennom flukskonsentrasjon forbedrer de dreiemomenttettheten og flukssvekkende hastighetsforlengelsesevne betydelig. For eksempel bruker STAF-PMSM navmotoren av eikertypen designet av Jiangsu University en dobbelrotorstruktur for å øke eksitasjonsområdet for luftgapet, og oppnå eksitering av flukskonsentrasjon. Den leverer et maksimalt dreiemoment på 280 N·m og en maksimal effekt på 15 kW, noe som gjør den egnet for distribuerte in-wheel drive nye energikjøretøyer. Dessuten beskytter den indre strukturen de permanente magnetene effektivt mot direkte eksponering for høy temperatur og mekanisk påvirkning, og overvinner risikoen for magnetløsning som overflatemonterte typer møter ved høye hastigheter.

Termisk styring er en annen kjerneutfordring for navmotorer. Under høyeffektsdrift konsentreres elektromagnetiske tap og kjøleforholdene er dårlige. Dette krever nøyaktig termisk modellering basert på tapsanalyse for å oppnå effektiv kjøling. For øyeblikket forbedrer den aksiale fluksmotoren med to statorer (AFIR) effekttettheten ved å øke elektrisk belastning med to statorer, mens den åkløse aksiale fluksmotoren (YASA) eliminerer statoråket for å redusere jerntapet, reduserer termisk belastning samtidig som effektiviteten og dreiemomenttettheten forbedres.

Samlet sett må rotorvalg for navmotorer balansere  dreiemomenttetthet, hastighetsforlengelsesevne og pålitelighet . For lavhastighets-høyt dreiemomentkrav foretrekkes overflatemonterte strukturer eller eiker-type strukturer, men hvis et bredt hastighetsområde er nødvendig, er eikertypen mer egnet på grunn av sin flukskonsentrasjon og flukssvekkende evne.

2. Robotledd: Doble krav til lav treghet og presisjonskontroll

Robotledd krever tydelig forskjellige egenskaper fra navmotorer. I store ledd som hofter, midjer og ben er høy dreiemomenteffekt og ekstrem lettvekt kjernekravene – sammenlignet med tradisjonelle radialmotorer kan aksialfluxmotorer i disse scenariene redusere plassbeleggingen med 30 %–60 % og vekten med mer enn 30 %, med noen design som når 60 %–70 %. I små ledd som håndledd og fingre blir presisjon og lav treghet høyere prioritert.

Forholdet mellom dreiemoment og treghet  er en nøkkeldesignparameter for robotleddmotorer. Forskning viser at dreiemomentet til en aksial fluksmotor er proporsjonalt med kuben til rotordiameteren, noe som betyr at ekstremt høy lavhastighets dreiemomentutgang kan oppnås i det kompakte rommet til et flatt ledd, mens den tynne skivestrukturen kan legges direkte inn i skjøten og forenkler varmeavledning.

For rotorvalg prioriterer robotskjøter overflatemonterte strukturer eller Halbach-matriser. Den overflatemonterte strukturen, med lavt rotortap og lave treghetsmoment, muliggjør  raskere dynamisk respons  – akselerasjonsresponstiden kan reduseres fra 15 ms til 5–8 ms, noe som er avgjørende for robotbevegelser som krever rask start/stopp og presis posisjonering. En Halbach-array, gjennom et spesifikt magnetiseringsretningsmønster, forsterker magnetfeltet på den ene siden, mens det nesten kansellerer det på den andre, noe som tillater eliminering av rotorkjernen og reduserer rotorens treghet og tap ytterligere.

Magnetisk kretsdesign og permanent magnetmaterialvalg krever også presis kontroll. Aksiale fluksmotorer bruker et ringformet magnetoppsett, som forkorter den magnetiske banelengden og øker dreiemomenttettheten sammenlignet med den radielle utformingen av tradisjonelle radielle fluksmotorer. Fordi robotledd ofte inkluderer reduksjonsmidler eller til og med kvasi-direkte drev (QDD) ordninger, kreves høyere tvangsevne og termisk stabilitet. Når kostnadene tillater det, kan høykoercitivitetskvaliteter med tunge sjeldne jordarter som dysprosium og terbium effektivt forhindre demagnetisering fra omvendte magnetiske felt under drift.

For miniatyrskjøter i området 16–18 mm viser PCB-type aksialfluksmotorer unike fordeler. Ved å bruke etsing i stedet for tradisjonelle kobberviklinger, tilbyr de høy produksjonskonsistens, lavt jerntap og ekstrem lettvekt.

3. Dronefremdrift: Ekstreme utfordringer med krafttetthet og motstand mot termisk avmagnetisering

Dronefremdriftssystemer står overfor en grunnleggende motsetning:  hvert ekstra gram vekt reduserer flytiden, og hver grad av temperaturøkning reduserer kraften . Data viser at for en aksial fluksmotor med et skyvekraft-til-vekt-forhold som overstiger 25:1, kan en reduksjon av massen med 1 kg øke rekkevidden med ca. 10 km. Derfor er lettvekt og høy effekttetthet de primære designkriteriene for dronefremdriftsmotorer.

Når det gjelder krafttetthet, viser aksial fluksmotorer overveldende fordeler i dronefremdrift. Deres volumetriske effekttetthet kan nå  14,9 kW/kg , langt over den for tradisjonelle radialmotorer. Målte effekttettheter varierer fra  5,8 til 21 kW/kg , med dreiemomenttettheter på  15 til 25 Nm/kg . Det nyeste 'Yufeng' T-seriens aksial fluks fremdriftssystem oppnår en kontinuerlig effekttetthet på 10 Nm/kg og en topp dreiemomenttetthet på 20 Nm/kg, noe som gjør den godt egnet for direktedrevet fremdrift i avanserte fly som bemannet eVTOL og sammensatte vingedroner.

Utover krafttettheten står dronefremdriftsmotorer også overfor risikoen for avmagnetisering i høytemperaturmiljøer. Under flyging opererer motorer med høy effekt i lengre perioder, noe som forårsaker rask temperaturøkning i viklinger og permanente magneter. Hvis oppdrag utføres i sommervarme eller ørkenområder, skaper kombinasjonen av omgivelsestemperatur og selvoppvarming alvorlige avmagnetiseringsutfordringer for permanentmagnetene.

Valg av permanent magnetmateriale påvirker direkte høytemperaturpåliteligheten til dronemotorer.  Blant vanlige permanentmagnetmaterialer gir neodym-jern-bor (NdFeB) den høyeste magnetiske ytelsen, men standardkvaliteter (N-serien) har en maksimal driftstemperatur på bare 80–100 °C, og irreversibelt magnetisk tap kan forekomme over 200 °C. NdFeB-kvaliteter med høy koercivitet (SH, UH, EH, AH-serien) kan operere opptil 150–240 °C, men deres høytemperaturstabilitet er fortsatt dårligere enn samarium-kobolt (SmCo). SmCo-magneter kan fungere stabilt over  300 °C , med en Curie-temperatur som overstiger 720 °C, og deres magnetiske egenskaper varierer bare 1/4–1/3 så mye som NdFeB med temperaturen. Ulempene er litt lavere magnetisk energiprodukt og høyere kostnad. For forbrukerdroner er NdFeB med høy ytelse tilstrekkelig for de fleste behov; men for industrielle droner og bemannet eVTOL under høye temperaturer, høyeffektforhold, er SmCo – til tross for kostnadene – et nødvendig valg for pålitelighet.

4. Rask oversikt over rotortyper: Sammenligning av overflatemontert vs. interiør

Basert på analysen ovenfor er hovedrotorstrukturtypene for aksiale fluksmotorer oppsummert i følgende tabell:

5. SDM: En nøkkeldriver for overflatemonterte aksiale fluksmotorrotorer

Etter å ha analysert nøkkelpunktene for valg av rotorer for de tre hovedscenariene, kommer vi til et kjerneelement –  ​​ingeniørevnen for høyytelses permanente magneter og overflatemonterte rotorstrukturer . Det er nettopp her SDMs tekniske fordeler ligger.

SDM er en nasjonal høyteknologisk bedrift med fokus på magneter og magnetiske løsninger, med 16 års erfaring innen profesjonell magnetproduksjon. Selskapet har et strategisk samarbeid med China Aluminium, det største gruveforetaket for sjeldne jordarter i Kina, som sikrer en stabil og sikker forsyning av sjeldne jordarters råvarer. Samtidig utfører SDM dybdegående samarbeidsforskning med det  kinesiske vitenskapsakademiet  og jobber med kunder på finite element-analyse (FEA), og gir nøyaktig simuleringsstøtte helt fra begynnelsen av magnetisk kretsdesign, og forkorter dermed utviklingssykluser og reduserer prøving-og-feil-kostnader.

Innenfor overflatemonterte aksiale fluksmotorrotorer tilbyr SDM systematiske produksjons- og designfordeler:

Først et komplett produksjonssystem med sertifiseringer på høyt nivå.  Selskapet har IATF 16949 (kvalitetsstyringssystem for biler), har opprettholdt en rekord med null defekter (0 PPM) som Tier-2-leverandør til General Motors siden 2010, og har også ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, karbonfotavtrykk og BSCI-sertifiseringer. Produktene overholder RoHS-, REACH- og SGS-testkravene. Dette betyr at hvert parti med permanente magneter gjennomgår streng kvalitetskontroll, fra sporbarhet av råvarer til forsendelse av ferdig produkt.

For det andre, moden integrert prosessteknologi for overflatemonterte rotorkonstruksjoner.  I en aksial fluksmotor må en overflatemontert rotorskive med permanent magnet samtidig løse tre store tekniske vanskeligheter:  høystyrkefesting av magneter, stabilitet under høyhastighetsdrift og produksjonsevne/montering . SDM tilbyr forskjellige magnetiske materialalternativer, inkludert NdFeB-kvaliteter med høy koercivitet og SmCo-serier. Den bruker en kombinasjon av lavtap, høystyrke polymerpressplater/fikseringsrammer, rotorstøttejern og karbonfiberholdehylser for å sikre pålitelig magnetposisjonering under høyhastighetsdrift, samtidig som rotorvirvelstrømtap minimeres. Denne løsningen har bevist sine omfattende fordeler med lavt rotortap, høy strukturell styrke og god monteringsbearbeidbarhet.

For det tredje, et teknisk team på toppnivå som støtter avansert tilpasning.  Det tekniske teamet, bygget av  eksperter på magnetiske materialer fra det kinesiske vitenskapsakademiet , inkluderer 2 doktorgrader, 5 mastergradsinnehavere, 8 senioringeniører og mer enn 80 ingeniører og teknisk personell. Selskapet har etablert et kommunalt FoU-senter og en postdoktorarbeidsstasjon. Dermed kan SDM ikke bare produsere konvensjonelle magneter, men også tilby fullprosess tekniske løsninger for faktiske magnetiske kretskrav under forskjellige arbeidsforhold (navmotorer, robotledd, dronefremdrift), inkludert valg av magnetgrad (ultrahøy koersivitet NdFeB N/M/UH-grader, SmCo5 / Sm-Co-₇-serier), avmagnetiseringstemperaturmarginitt-beregning, avmagnetiseringstemperaturmargin.

For det fjerde industri-universitet-forskning samarbeid og bred produktportefølje.  SDM opprettholder samarbeidsforhold med Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) og Southwest Jiaotong University, og sporer kontinuerlig fremskritt innen magnetiske materialer. Produktutvalget dekker mikromotorstatorer og -rotorer, maglev-motorer, sensorer, resolvere, optiske isolatorer, permanentmagneter og myke magnetiske komponenter, og gir one-stop magnetisk materialestøtte for motordesign på tvers av forskjellige bransjer.

Konklusjon

Med sin flate struktur og transformerende krafttetthet redefinerer den aksiale fluksmotoren kraftarkitekturen til elektriske kjøretøy, humanoide roboter og fly i lav høyde. I dette teknologiløpet sentrert om 'dreiemomenttetthet' og 'lettvekt', setter rotorstrukturens design og kvaliteten på permanentmagnetmaterialer den nedre grensen, mens den overflatemonterte strukturen – med sin  enkle design, raske dynamiske respons og høye dreiemomenttetthet  – inntar en uerstattelig posisjon i robotledd, lavhastighets høymoment og laveffektive navdrifter og andre applikasjoner med høy effektivitet.

Fra presis optimalisering av den magnetiske kretstopologien til høytemperaturstabilitetsdesign av permanentmagnetmaterialer, bare ved å mestre hele kjeden av kjernematerialteknologi og rotorproduksjonsprosesser kan en ekte vollgrav etableres i den harde markedskonkurransen. SDM, med sin legitimasjon som et nasjonalt høyteknologisk foretak, 16 års akkumulert erfaring innen permanente magneter, teknisk støtte fra et CAS-bygget ekspertteam og et systematisk kvalitetsstyringssystem, gir et solid grunnlag for høy pålitelighet og høy ytelse til overflatemonterte aksiale fluksmotorrotorer. Enten det er den brede hastighetsutfordringen til navmotorer, kravene til lav treghet presisjonskontroll til robotledd, eller de ekstreme kravene til krafttetthet og demagnetiseringsmotstand i dronefremdrift, tilbyr SDM fullprosessløsninger fra materialer til simulering – nettopp den uunnværlige drivkraften som flytter aksialfluksmotorer til store applikasjoner i laboratorieskala.