Kluczowe punkty przy wyborze wirnika silnika o strumieniu osiowym w różnych warunkach pracy – silniki w piastach, przeguby robotów, napęd dronów

Wprowadzenie: Zmiana paradygmatu z „Clindra” na „Dysk”

Kiedy ludzie myślą o silnikach elektrycznych, większość z nich wyobraża sobie długi cylinder, w którym stojan otacza wirnik, a pole magnetyczne rozchodzi się promieniowo. Jednak silnik, który przeciwstawia się temu konwencjonalnemu kształtowi, napędza nową rewolucję technologiczną – silnik strumieniowy osiowy . Prasuje stojan i wirnik w prawie płaską tarczę, zwartą jak ciasteczko kanapkowe.

Istota tej spłaszczającej rewolucji leży w zasadniczej zmianie kierunku ścieżki magnetycznej. W tradycyjnym silniku o strumieniu promieniowym pole magnetyczne promieniuje na zewnątrz od osi; w silniku osiowym pole magnetyczne biegnie równolegle do osi, przy czym stojan i wirnik są zwrócone ku sobie w układzie dyskowym. To przesunięcie zapewnia zdumiewające korzyści w zakresie wydajności:  przy tym samym zużyciu materiału moment obrotowy silnika o strumieniu osiowym jest proporcjonalny do sześcianu średnicy wirnika (podczas gdy w przypadku tradycyjnego silnika promieniowego jest to tylko kwadrat średnicy), osiągając 2–3-krotny wzrost gęstości momentu obrotowego i sprawność przekraczającą 96%.  Jednocześnie jego długość osiowa wynosi zaledwie 1/3 do 1/2 długości osiowej silnika konwencjonalnego, przy tej samej mocy objętość jest zmniejszona o ponad 50%, a masa o około 40–50%.

Kluczem do osiągnięcia tak dużej gęstości mocy i momentu obrotowego w silnikach osiowych jest genialna konstrukcja konstrukcji wirnika. Różne scenariusze zastosowań nakładają różne wymagania dotyczące wydajności, a wybór struktury obwodu magnetycznego wirnika, materiału magnesu trwałego i topologii często bezpośrednio określa, czy silnik może w pełni wykorzystać swoje zalety. Artykuł rozpoczyna się od trzech typowych scenariuszy zastosowań – silników w piastach, przegubów robotów i napędu dronów – i systematycznie analizuje podstawowe punkty wyboru wirnika.

1. Silniki w piastach: kompromis między gęstością momentu obrotowego a szerokim zakresem prędkości

Silniki w piaście są instalowane wewnątrz obręczy koła, gdzie przestrzeń jest bardzo ograniczona – jest to główne ograniczenie projektowe. Muszą jednocześnie zapewniać wysoką gęstość momentu obrotowego (przy ruszaniu i wznoszeniu), szeroki zakres prędkości (od pełzania przy niskiej prędkości do jazdy z dużą prędkością) i dobrą zdolność odprowadzania ciepła.

Jeśli chodzi o wybór konstrukcji wirnika, silniki z piastą zwykle wykorzystują  typy montowane na powierzchni i szprychowe (wewnętrzne) , każdy z różnymi priorytetami projektowymi. Magnesy trwałe montowane powierzchniowo są przymocowane bezpośrednio do powierzchni rdzenia wirnika, co zapewnia prostą konstrukcję, wysoką gęstość strumienia w szczelinie powietrznej i przydatność do zastosowań wymagających najwyższej gęstości mocy. Jednakże szybkie obroty wirnika o dużej średnicy generują ogromną siłę odśrodkową, co wymaga zastosowania tulei ustalającej w celu zabezpieczenia magnesów montowanych na powierzchni. Wymaga to materiałów niemagnetycznych o wysokiej wytrzymałości, a sama tuleja zwiększa szczelinę powietrzną, zmniejszając w ten sposób wydajność.

Wewnątrz wirnika osadzone są magnesy trwałe typu szprychowego (wewnętrzne). Poprzez koncentrację strumienia znacznie poprawiają gęstość momentu obrotowego i zdolność zwiększania prędkości przy osłabianiu strumienia. Na przykład silnik z piastą szprychową STAF-PMSM zaprojektowany przez Uniwersytet Jiangsu wykorzystuje konstrukcję z dwoma wirnikami w celu zwiększenia obszaru wzbudzenia szczeliny powietrznej, uzyskując wzbudzenie koncentracji strumienia. Zapewnia maksymalny moment obrotowy 280 Nm i maksymalną moc 15 kW, dzięki czemu nadaje się do pojazdów nowej generacji z rozproszonym napędem na koła. Co więcej, wewnętrzna struktura skutecznie chroni magnesy trwałe przed bezpośrednim działaniem wysokiej temperatury i uderzeniami mechanicznymi, eliminując ryzyko odłączenia magnesu, które występuje w przypadku typów montowanych powierzchniowo przy dużych prędkościach.

Zarządzanie temperaturą to kolejne główne wyzwanie dla silników w piastach. Podczas pracy z dużą mocą straty elektromagnetyczne są skoncentrowane, a warunki chłodzenia są złe. Aby osiągnąć efektywne chłodzenie, wymaga to dokładnego modelowania termicznego w oparciu o analizę strat. Obecnie dwustojanowy, jednowirnikowy silnik o strumieniu osiowym (AFIR) poprawia gęstość mocy poprzez zwiększenie obciążenia elektrycznego za pomocą dwóch stojanów, podczas gdy pozbawiony jarzma silnik o strumieniu osiowym (YASA) eliminuje jarzmo stojana, aby zmniejszyć straty żelaza, obniżając obciążenie termiczne, jednocześnie poprawiając wydajność i gęstość momentu obrotowego.

Ogólnie rzecz biorąc, dobór wirnika do silników z piastą musi równoważyć  gęstość momentu obrotowego, zdolność do zwiększania prędkości i niezawodność . W przypadku wymagań dotyczących niskich prędkości i wysokiego momentu obrotowego preferowane są konstrukcje montowane powierzchniowo lub szprychowe, ale jeśli potrzebny jest szeroki zakres prędkości, bardziej odpowiedni jest typ szprychowy ze względu na koncentrację strumienia i jego zdolność do osłabiania strumienia.

2. Połączenia robotów: podwójne wymagania dotyczące niskiej bezwładności i precyzyjnego sterowania

Przeguby robotów wymagają wyraźnie odmiennych właściwości od silników piast. W przypadku dużych stawów, takich jak biodra, talia i nogi, podstawowymi wymaganiami są wysoki moment obrotowy i ekstremalna lekkość – w porównaniu z tradycyjnymi silnikami promieniowymi, silniki o strumieniu osiowym w tych scenariuszach mogą zmniejszyć zajmowaną przestrzeń o 30–60% i masę o ponad 30%, a w niektórych konstrukcjach nawet o 60–70%. W przypadku małych stawów, takich jak nadgarstki i palce, priorytetem staje się precyzja i niska bezwładność.

Stosunek momentu obrotowego do bezwładności  jest kluczowym parametrem konstrukcyjnym silników przegubów robotów. Badania pokazują, że moment obrotowy silnika osiowego jest proporcjonalny do sześcianu średnicy wirnika, co oznacza, że ​​w zwartej przestrzeni spłaszczonego złącza można uzyskać wyjątkowo wysoki wyjściowy moment obrotowy przy niskich prędkościach, a cienka konstrukcja tarczy może być osadzona bezpośrednio w złączu, co upraszcza odprowadzanie ciepła.

Przy wyborze wirnika złącza robotów mają pierwszeństwo przed konstrukcjami do montażu powierzchniowego lub układami Halbacha. Konstrukcja natynkowa, charakteryzująca się niskimi stratami na wirniku i niskim momentem bezwładności, umożliwia  szybszą reakcję dynamiczną  – czas reakcji na przyspieszenie można skrócić z 15 ms do 5–8 ms, co ma kluczowe znaczenie w przypadku ruchów robotów wymagających szybkiego startu/zatrzymania i precyzyjnego pozycjonowania. Układ Halbacha, poprzez specyficzny kierunek magnesowania, wzmacnia pole magnetyczne z jednej strony, prawie je eliminując z drugiej, umożliwiając wyeliminowanie rdzenia wirnika i dalsze zmniejszenie bezwładności i strat wirnika.

Projekt obwodu magnetycznego i dobór materiału magnesu trwałego również wymagają precyzyjnej kontroli. Silniki o strumieniu osiowym wykorzystują pierścieniowy układ magnesów, co skraca długość ścieżki magnetycznej i zwiększa gęstość momentu obrotowego w porównaniu z promieniowym układem tradycyjnych silników o strumieniu promieniowym. Ponadto, ponieważ złącza robotów często zawierają reduktory lub nawet układy napędu quasi-bezpośredniego (QDD), wymagana jest wyższa koercja i stabilność termiczna. Jeśli koszty na to pozwalają, gatunki o wysokiej koercji zawierające ciężkie pierwiastki ziem rzadkich, takie jak dysproz i terb, mogą skutecznie zapobiegać rozmagnesowaniu spowodowanemu przez odwrotne pola magnetyczne podczas pracy.

W przypadku miniaturowych złączy w zakresie 16–18 mm silniki osiowe typu PCB wykazują wyjątkowe zalety. Wykorzystując trawienie zamiast tradycyjnych uzwojeń miedzianych, zapewniają wysoką spójność produkcji, niskie straty żelaza i ekstremalną lekkość.

3. Napęd dronów: ekstremalne wyzwania związane z gęstością mocy i odpornością na rozmagnesowanie termiczne

Układy napędowe dronów borykają się z podstawową sprzecznością:  każdy dodatkowy gram masy skraca czas lotu, a każdy stopień wzrostu temperatury zmniejsza moc . Z danych wynika, że ​​dla silnika osiowego o stosunku ciągu do masy przekraczającym 25:1 zmniejszenie masy o 1 kg może zwiększyć zasięg o około 10 km. Dlatego też lekkość i duża gęstość mocy są głównymi kryteriami projektowymi silników napędowych dronów.

Pod względem gęstości mocy silniki o strumieniu osiowym wykazują zdecydowaną przewagę w napędzie dronów. Ich objętościowa gęstość mocy może osiągnąć  14,9 kW/kg , znacznie przekraczając gęstość tradycyjnych silników promieniowych. Zmierzone gęstości mocy mieszczą się w zakresie od  5,8 do 21 kW/kg , przy gęstości momentu obrotowego od  15 do 25 Nm/kg . Najnowszy układ napędu osiowego „Yufeng” serii T osiąga ciągłą gęstość mocy na poziomie 10 Nm/kg i szczytową gęstość momentu obrotowego na poziomie 20 Nm/kg, dzięki czemu doskonale nadaje się do napędu bezpośredniego w zaawansowanych samolotach, takich jak załogowe eVTOL i drony ze złożonymi skrzydłami.

Oprócz gęstości mocy silniki napędowe dronów są również narażone na ryzyko rozmagnesowania w środowiskach o wysokiej temperaturze. Podczas lotu silniki pracują z dużą mocą przez dłuższy czas, powodując gwałtowny wzrost temperatury uzwojeń i magnesów trwałych. Jeśli misje prowadzone są w letnim upale lub na obszarach pustynnych, połączenie temperatury otoczenia i samonagrzewania stwarza poważne wyzwania w zakresie rozmagnesowania magnesów trwałych.

Wybór materiału z magnesem trwałym bezpośrednio wpływa na niezawodność silników dronów w wysokich temperaturach.  Spośród powszechnie stosowanych materiałów z magnesami trwałymi neodym, żelazo i bor (NdFeB) oferują najwyższe właściwości magnetyczne, ale standardowe gatunki (seria N) mają maksymalną temperaturę roboczą wynoszącą zaledwie 80–100°C, a nieodwracalna utrata magnetyczna może wystąpić powyżej 200°C. Gatunki NdFeB o wysokiej koercji (serie SH, UH, EH, AH) mogą pracować w temperaturze do 150–240°C, ale ich stabilność w wysokiej temperaturze jest nadal gorsza od samaru-kobaltu (SmCo). Magnesy SmCo mogą pracować stabilnie w temperaturze powyżej  300°C , przy temperaturze Curie przekraczającej 720°C, a ich właściwości magnetyczne różnią się tylko o 1/4–1/3 tak bardzo jak NdFeB wraz ze zmianą temperatury. Wadami są nieco niższy produkt energii magnetycznej i wyższy koszt. W przypadku dronów konsumenckich wysokowydajny NdFeB jest wystarczający do większości potrzeb; jednak w przypadku dronów przemysłowych i załogowych eVTOL pracujących w wysokiej temperaturze i przy dużej mocy SmCo – pomimo swojego kosztu – jest niezbędnym wyborem ze względu na niezawodność.

4. Szybki przegląd typów wirników: porównanie montażu powierzchniowego i wewnętrznego

Na podstawie powyższej analizy w poniższej tabeli podsumowano główne typy konstrukcji wirnika silników osiowych:

5. SDM: kluczowy sterownik dla montowanych powierzchniowo wirników silników osiowych

Po przeanalizowaniu kluczowych punktów wyboru wirnika dla trzech głównych scenariuszy dochodzimy do podstawowego elementu –  możliwości inżynieryjnych w zakresie wysokowydajnych magnesów trwałych i konstrukcji wirnika montowanych powierzchniowo . Właśnie na tym polegają zalety techniczne SDM.

SDM to krajowe przedsiębiorstwo high-tech zajmujące się magnesami i rozwiązaniami magnetycznymi, posiadające 16-letnie doświadczenie w profesjonalnej produkcji magnesów. Firma współpracuje strategicznie z China Aluminium, największym przedsiębiorstwem wydobywającym pierwiastki ziem rzadkich w Chinach, zapewniając stabilne i bezpieczne dostawy surowców ziem rzadkich. Jednocześnie SDM prowadzi dogłębne badania we współpracy z  Chińską Akademią Nauk  i współpracuje z klientami w zakresie analizy elementów skończonych (FEA), zapewniając dokładne wsparcie symulacyjne od samego początku projektowania obwodu magnetycznego, skracając w ten sposób cykle rozwojowe i redukując koszty prób i błędów.

W dziedzinie montowanych powierzchniowo wirników silników o strumieniu osiowym SDM oferuje systematyczne zalety produkcyjne i projektowe:

Po pierwsze, kompletny system produkcyjny z certyfikatami wysokiego poziomu.  Firma posiada certyfikat IATF 16949 (system zarządzania jakością w branży motoryzacyjnej), od 2010 roku utrzymuje rekord zerowej liczby usterek (0 PPM) jako dostawca Tier 2 dla General Motors, a także posiada certyfikaty ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, ślad węglowy i BSCI. Jej produkty spełniają wymagania testowe RoHS, REACH i SGS. Oznacza to, że każda partia magnesów trwałych przechodzi rygorystyczną kontrolę jakości, od identyfikowalności surowców po wysyłkę gotowego produktu.

Po drugie, dojrzała, zintegrowana technologia procesowa dla konstrukcji wirników montowanych powierzchniowo.  W silniku osiowym montowana powierzchniowo tarcza wirnika z magnesami trwałymi musi jednocześnie rozwiązywać trzy główne problemy inżynieryjne:  mocne mocowanie magnesów, stabilność przy pracy z dużą prędkością oraz łatwość produkcji/montażu . SDM oferuje różne opcje materiałów magnetycznych, w tym gatunki NdFeB o wysokiej koercji i serie SmCo. Wykorzystuje kombinację niskostratnych, wysokowytrzymałych polimerowych płyt dociskowych/ram montażowych, tylnych elementów wirnika i tulei ustalających z włókna węglowego, aby zapewnić niezawodne pozycjonowanie magnesu podczas pracy z dużą prędkością, minimalizując jednocześnie straty prądu wirowego wirnika. Rozwiązanie to udowodniło swoje wszechstronne zalety, takie jak niskie straty w wirniku, wysoka wytrzymałość konstrukcyjna i dobra podatność na obróbkę montażową.

Po trzecie, najwyższej klasy zespół techniczny wspierający personalizację na najwyższym poziomie.  Zespół techniczny, zbudowany przez  ekspertów w dziedzinie materiałów magnetycznych z Chińskiej Akademii Nauk , składa się z 2 doktorów, 5 osób posiadających tytuł magistra, 8 starszych inżynierów oraz ponad 80 pracowników inżynieryjnych i technicznych. W spółce utworzono miejskie centrum badawczo-rozwojowe oraz stanowisko pracy podoktorskiej. W ten sposób SDM może nie tylko produkować konwencjonalne magnesy, ale także zapewniać kompleksowe rozwiązania techniczne dla rzeczywistych wymagań obwodów magnetycznych w różnych warunkach pracy (silniki piasty, przeguby robotów, napęd dronów), w tym wybór gatunku magnesu (gatunki NdFeB N/M/UH o ultrawysokiej koercji, serie SmCo5 / Sm-Co-₇), obliczanie marginesu temperatury rozmagnesowania i symulacja elementów skończonych.

Po czwarte, współpraca przemysł-uniwersytet-badania i szerokie portfolio produktów.  SDM utrzymuje stosunki współpracy z Instytutem Technologii i Inżynierii Materiałowej w Ningbo (CAS) oraz Uniwersytetem Southwest Jiaotong, stale śledząc postępy w dziedzinie materiałów magnetycznych. Asortyment produktów obejmuje stojany i wirniki mikrosilników, silniki maglev, czujniki, rezolwery, izolatory optyczne, magnesy trwałe i komponenty z magnesami miękkimi, zapewniając kompleksowe wsparcie w zakresie materiałów magnetycznych dla projektów silników w różnych gałęziach przemysłu.

Wniosek

Dzięki spłaszczonej strukturze i transformacyjnej gęstości mocy silnik osiowy na nowo definiuje architekturę zasilania pojazdów elektrycznych, robotów humanoidalnych i samolotów latających na małych wysokościach. W tym wyścigu technologicznym skupionym na „gęstości momentu obrotowego” i „lekkości” konstrukcja konstrukcji wirnika i jakość materiałów z magnesów trwałych wyznaczają dolną granicę, podczas gdy konstrukcja do montażu powierzchniowego – dzięki  prostej konstrukcji, szybkiej reakcji dynamicznej i dużej gęstości momentu obrotowego  – zajmuje niezastąpioną pozycję w przegubach robotów, wolnoobrotowych napędach piast o wysokim momencie obrotowym i innych zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności i małej bezwładności.

Od precyzyjnej optymalizacji topologii obwodu magnetycznego po projektowanie materiałów z magnesami trwałymi zapewniających stabilność w wysokiej temperaturze – jedynie opanowanie całego łańcucha technologii materiałów rdzenia i procesów produkcji wirników może zapewnić prawdziwą fosę w obliczu ostrej konkurencji rynkowej. SDM, posiadająca referencje krajowego przedsiębiorstwa high-tech, 16 lat zgromadzonego doświadczenia w dziedzinie magnesów trwałych, wsparcie techniczne ze strony zespołu ekspertów utworzonego przez CAS oraz systematyczny system zarządzania jakością, zapewnia solidną podstawę wysokiej niezawodności i wysokiej wydajności montowanych powierzchniowo wirników silników o strumieniu osiowym. Niezależnie od tego, czy chodzi o wyzwania związane z szerokim zakresem prędkości silników piastowych, wymagania dotyczące precyzyjnego sterowania o niskiej bezwładności w przypadku przegubów robotów, czy też ekstremalne wymagania dotyczące gęstości mocy i odporności na rozmagnesowanie w napędzie dronów, SDM oferuje kompleksowe rozwiązania inżynieryjne, od materiałów po symulację – dokładnie niezbędną siłę napędową, która przenosi silniki osiowe od zastosowań laboratoryjnych do zastosowań na dużą skalę.