Puncte cheie pentru selectarea rotorului motorului cu flux axial în diferite condiții de funcționare – motoare butuc, articulații robot, propulsie drone

Introducere: schimbarea paradigmei de la „Cilidru” la „Disc”

Când oamenii se gândesc la motoare electrice, cei mai mulți își imaginează un cilindru lung în care statorul închide rotorul și câmpul magnetic se propagă radial. Cu toate acestea, un motor care sfidează această formă convențională conduce o nouă revoluție tehnologică - the motor cu flux axial . Comprimă statorul și rotorul într-un disc aproape plat, la fel de compact ca o prăjitură tip sandwich.

Miezul acestei revoluții de aplatizare constă într-o schimbare fundamentală a direcției căii magnetice. Într-un motor tradițional cu flux radial, câmpul magnetic radiază spre exterior dinspre axă; într-un motor cu flux axial, câmpul magnetic rulează paralel cu axa, cu statorul și rotorul față în față într-un aranjament cu discuri. Această schimbare aduce avantaje uimitoare de performanță:  cu aceeași utilizare a materialului, cuplul unui motor cu flux axial este proporțional cu cubul diametrului rotorului (în timp ce pentru un motor radial tradițional este doar pătratul diametrului), realizând o creștere a densității cuplului de 2-3 ori și o eficiență de peste 96%.  În același timp, lungimea sa axială este de numai 1/3 până la 1/2 față de cea a unui motor convențional, cu volumul redus cu mai mult de 50% și greutatea redusă cu aproximativ 40%-50% la aceeași putere.

Cheia pentru a obține o astfel de densitate mare de putere și densitate de cuplu în motoarele cu flux axial constă în designul ingenios al structurii rotorului. Diferite scenarii de aplicare impun cerințe de performanță distincte, iar selecția structurii circuitului magnetic al rotorului, materialul cu magnet permanenți și topologia determină adesea direct dacă motorul își poate realiza pe deplin avantajele. Acest articol începe cu trei scenarii tipice de aplicație - motoarele butucului, articulațiile robotului și propulsia dronei - și analizează sistematic punctele de bază ale selecției rotorului.

1. Motoarele butucului: compromis între densitatea cuplului și gama largă de viteze

Motoarele butucului sunt instalate în interiorul jantei, unde spațiul este extrem de limitat - aceasta este principala constrângere de proiectare. Acestea trebuie să ofere simultan o densitate mare a cuplului (pentru pornire și urcare), o gamă largă de viteze (de la târăre cu viteză mică până la croazieră de mare viteză) și o bună capacitate de disipare a căldurii.

În ceea ce privește selecția structurii rotorului, motoarele butucului folosesc în mod obișnuit  tipuri montate pe suprafață și spițe (interior) , fiecare cu priorități de proiectare diferite. Magneții permanenți montați pe suprafață sunt atașați direct la suprafața miezului rotorului, oferind o structură simplă, densitate mare a fluxului de aer și adecvare pentru aplicații care urmăresc densitatea maximă de putere. Cu toate acestea, rotația de mare viteză a unui rotor cu diametru mare generează o forță centrifugă enormă, necesitând un manșon de reținere pentru a securiza magneții montați pe suprafață. Acest lucru necesită materiale nemagnetice de înaltă rezistență, iar manșonul în sine crește spațiul de aer, reducând astfel producția.

Magneții permanenți de tip spițe (interior) sunt încorporați în interiorul rotorului. Prin concentrarea fluxului, ele îmbunătățesc semnificativ densitatea cuplului și capacitatea de extindere a vitezei de slăbire a fluxului. De exemplu, motorul butuc cu spițe STAF-PMSM proiectat de Universitatea Jiangsu folosește o structură cu rotor dublu pentru a crește zona de excitare a spațiului de aer, realizând excitarea concentrației fluxului. Oferă un cuplu maxim de 280 N·m și o putere maximă de 15 kW, făcându-l potrivit pentru vehiculele cu energie nouă cu tracțiune distribuită. Mai mult, structura interioară protejează eficient magneții permanenți de expunerea directă la temperaturi ridicate și impact mecanic, depășind riscul de desprindere a magnetului cu care se confruntă tipurile montate pe suprafață la viteze mari.

Managementul termic este o altă provocare de bază pentru motoarele butucului. În condiții de funcționare de mare putere, pierderile electromagnetice sunt concentrate și condițiile de răcire sunt proaste. Acest lucru necesită o modelare termică precisă bazată pe analiza pierderilor pentru a obține o răcire eficientă. În prezent, motorul cu flux axial cu un singur rotor (AFIR) cu două statori îmbunătățește densitatea puterii prin creșterea încărcării electrice cu două statoare, în timp ce motorul cu flux axial fără jug (YASA) elimină jugul statorului pentru a reduce pierderea de fier, scăzând sarcina termică, îmbunătățind în același timp eficiența și densitatea cuplului.

În general, selectarea rotorului pentru motoarele butucului trebuie să echilibreze  densitatea cuplului, capacitatea de extindere a vitezei și fiabilitatea . Pentru cerințele de cuplu mare cu viteză mică, sunt preferate structurile montate pe suprafață sau cu spițe, dar dacă este nevoie de o gamă largă de viteze, tipul spiței este mai potrivit datorită concentrării fluxului și capacității de slăbire a fluxului.

2. Articulațiile robotului: cerințe duble de inerție redusă și control de precizie

Articulațiile robotului necesită caracteristici distinct diferite de la motoarele butucului. În articulațiile mari, cum ar fi șoldurile, taliile și picioarele, cuplul ridicat și greutatea extremă sunt cerințele de bază - în comparație cu motoarele radiale tradiționale, motoarele cu flux axial în aceste scenarii pot reduce ocuparea spațiului cu 30%-60% și greutatea cu mai mult de 30%, unele modele ajungând la 60%-70%. În articulațiile mici, cum ar fi încheieturile și degetele, precizia și inerția scăzută devin priorități mai mari.

Raportul cuplu la inerție  este un parametru cheie de proiectare pentru motoarele articulațiilor robot. Cercetările arată că cuplul unui motor cu flux axial este proporțional cu cubul diametrului rotorului, ceea ce înseamnă că o ieșire de cuplu extrem de mare la viteză scăzută poate fi obținută în spațiul compact al unei articulații aplatizate, în timp ce structura discului subțire poate fi încorporată direct în articulație și simplifică disiparea căldurii.

Pentru selectarea rotorului, articulațiile robotului acordă prioritate structurilor montate pe suprafață sau matricelor Halbach. Structura montată pe suprafață, cu pierderea redusă a rotorului și momentul scăzut de inerție, permite  un răspuns dinamic mai rapid  - timpul de răspuns la accelerație poate fi redus de la 15 ms la 5–8 ms, ceea ce este crucial pentru mișcările robotului care necesită pornire/oprire rapidă și poziționare precisă. O matrice Halbach, printr-un model specific de direcție de magnetizare, îmbunătățește câmpul magnetic pe o parte, în timp ce aproape îl anulează pe cealaltă, permițând eliminarea miezului rotorului și reducând în continuare inerția și pierderile rotorului.

Designul circuitului magnetic și selecția materialului cu magnet permanent necesită, de asemenea, un control precis. Motoarele cu flux axial utilizează o dispunere a magnetului inelar, care scurtează lungimea traseului magnetic și crește densitatea cuplului în comparație cu aspectul radial al motoarelor tradiționale cu flux radial. De asemenea, deoarece articulațiile robotului includ adesea reductoare sau chiar scheme de acţionare cvasi-directă (QDD), sunt necesare coercivitate mai mare și stabilitate termică. Atunci când costul permite, gradele de coercivitate ridicată cu pământuri rare grele, cum ar fi disproziu și terbiu, pot preveni eficient demagnetizarea de la câmpurile magnetice inverse în timpul funcționării.

Pentru îmbinările miniaturale în intervalul 16-18 mm, motoarele cu flux axial de tip PCB prezintă avantaje unice. Folosind gravarea în locul înfășurărilor tradiționale de cupru, acestea oferă o consistență ridicată de fabricație, pierderi reduse de fier și o greutate extremă.

3. Propulsia dronei: provocări extreme ale densității puterii și rezistenței la demagnetizarea termică

Sistemele de propulsie cu drone se confruntă cu o contradicție fundamentală:  fiecare gram de greutate în plus reduce timpul de zbor, iar fiecare grad de creștere a temperaturii reduce puterea . Datele arată că pentru un motor cu flux axial cu un raport tracțiune-greutate care depășește 25:1, reducerea masei cu 1 kg poate crește autonomia cu aproximativ 10 km. Prin urmare, greutatea redusă și densitatea mare de putere sunt criteriile principale de proiectare pentru motoarele de propulsie pentru drone.

În ceea ce privește densitatea puterii, motoarele cu flux axial prezintă avantaje copleșitoare în propulsia dronei. Densitatea de putere volumetrică a acestora poate ajunge la  14,9 kW/kg , depășind cu mult pe cea a motoarelor radiale tradiționale. Densitățile de putere măsurate variază de la  5,8 la 21 kW/kg , cu densități de cuplu de  15 până la 25 Nm/kg . Cel mai recent sistem de propulsie cu flux axial din seria „Yufeng” T atinge o densitate continuă de putere de 10 Nm/kg și o densitate maximă a cuplului de 20 Nm/kg, ceea ce îl face foarte potrivit pentru propulsia cu tracțiune directă în aeronave avansate, cum ar fi eVTOL și dronele cu aripi compuse.

Dincolo de densitatea puterii, motoarele de propulsie a dronelor se confruntă și cu riscul demagnetizării în medii cu temperatură ridicată. În timpul zborului, motoarele funcționează la putere mare pentru perioade îndelungate, provocând o creștere rapidă a temperaturii în înfășurări și magneți permanenți. Dacă misiunile se desfășoară în zone de căldură de vară sau deșertice, combinația dintre temperatura ambientală și autoîncălzirea creează provocări severe de demagnetizare pentru magneții permanenți.

Selectarea materialului cu magnet permanent afectează direct fiabilitatea la temperaturi ridicate a motoarelor dronei.  Dintre materialele obișnuite cu magneti permanenți, neodim-fier-bor (NdFeB) oferă cea mai înaltă performanță magnetică, dar clasele standard (seria N) au o temperatură maximă de funcționare de numai 80–100°C, iar pierderile magnetice ireversibile pot apărea peste 200°C. Gradele NdFeB cu coercibilitate ridicată (seria SH, UH, EH, AH) pot funcționa până la 150–240 ° C, dar stabilitatea lor la temperatură ridicată este încă inferioară samariu-cobalt (SmCo). Magneții SmCo pot funcționa stabil peste  300 ° C , cu o temperatură Curie care depășește 720 ° C, iar proprietățile lor magnetice variază doar cu 1/4-1/3 la fel de mult ca NdFeB în funcție de temperatură. Dezavantajele sunt un produs cu energie magnetică puțin mai scăzută și un cost mai mare. Pentru dronele de consum, NdFeB de înaltă performanță este suficient pentru majoritatea nevoilor; dar pentru dronele industriale și eVTOL cu echipaj în condiții de temperatură ridicată și putere mare, SmCo – în ciuda costului său – este o alegere necesară pentru fiabilitate.

4. Prezentare de ansamblu rapidă a tipurilor de rotoare: comparație între montat la suprafață și interior

Pe baza analizei de mai sus, principalele tipuri de structuri ale rotorului pentru motoarele cu flux axial sunt rezumate în următorul tabel:

5. SDM: Un driver cheie pentru rotoarele cu motor cu flux axial montate pe suprafață

După analizarea punctelor cheie de selecție a rotorului pentru cele trei scenarii majore, ajungem la un element de bază -  capacitatea de inginerie pentru magneți permanenți de înaltă performanță și structuri de rotor montate pe suprafață . Tocmai aici se află avantajele tehnice ale SDM.

SDM este o întreprindere națională de înaltă tehnologie axată pe magneți și soluții magnetice, cu 16 ani de experiență în producția profesională de magneti. Compania are o cooperare strategică cu China Aluminium, cea mai mare întreprindere minieră de pământuri rare din China, asigurând o aprovizionare stabilă și sigură cu materii prime cu pământuri rare. În același timp, SDM efectuează cercetări aprofundate în colaborare cu  Academia Chineză de Științe  și lucrează cu clienții pe analiza elementelor finite (FEA), oferind suport de simulare precis încă de la începutul proiectării circuitelor magnetice, scurtând astfel ciclurile de dezvoltare și reducând costurile de încercare și eroare.

În domeniul rotoarelor cu motor cu flux axial montate la suprafață, SDM oferă avantaje sistematice de fabricație și proiectare:

În primul rând, un sistem de producție complet cu certificări de nivel înalt.  Compania deține IATF 16949 (sistem de management al calității auto), a menținut un record de zero defecte (0 PPM) ca furnizor Tier-2 al General Motors din 2010 și deține, de asemenea, certificări ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, amprenta de carbon și BSCI. Produsele sale respectă cerințele de testare RoHS, REACH și SGS. Aceasta înseamnă că fiecare lot de magneți permanenți este supus unui control riguros al calității, de la trasabilitatea materiilor prime până la livrarea produsului finit.

În al doilea rând, tehnologie de proces integrată matură pentru structurile rotorului montate la suprafață.  Într-un motor cu flux axial, un disc rotor cu magnet permanent montat pe suprafață trebuie să rezolve simultan trei dificultăți majore de inginerie:  fixarea de mare rezistență a magneților, stabilitatea în funcționarea la viteză mare și fabricabilitatea/asamblarea . SDM oferă diverse opțiuni de materiale magnetice, inclusiv clase NdFeB de înaltă coercibilitate și seria SmCo. Folosește o combinație de plăci de presare/cadre de fixare din polimer cu pierderi reduse și de înaltă rezistență, fiare de călcare din spate a rotorului și manșoane de reținere din fibră de carbon pentru a asigura o poziționare fiabilă a magnetului în condiții de funcționare de mare viteză, minimizând în același timp pierderile de curent turbionar al rotorului. Această soluție și-a dovedit avantajele cuprinzătoare de pierdere redusă a rotorului, rezistență structurală ridicată și procesabilitate bună a asamblarii.

În al treilea rând, o echipă tehnică de top care sprijină personalizarea high-end.  Echipa tehnică, construită de  experți în materiale magnetice de la Academia Chineză de Științe , include 2 doctoranzi, 5 deținători de diplome de master, 8 ingineri seniori și peste 80 de personal tehnic și de inginerie. Compania a înființat un centru municipal de cercetare și dezvoltare și o stație de lucru post-doctorală. Astfel, SDM poate produce nu numai magneți convenționali, ci și să ofere soluții tehnice complete pentru cerințele reale ale circuitelor magnetice în diferite condiții de lucru (motoare butuc, articulații robot, propulsie drone), inclusiv selecția gradului de magnet (coercivitate ultra-înaltă NdFeB N/M/UH, seriile SmCo5 / Sm-Co-₇), calcularea marjei elementului finit și demagnetizare.

În al patrulea rând, colaborarea industrie-universitare-cercetare și portofoliu larg de produse.  SDM menține relații de cooperare cu Institutul de Tehnologie și Inginerie a Materialelor din Ningbo (CAS) și Universitatea Southwest Jiaotong, urmărind continuu progresele materialelor magnetice. Gama sa de produse acoperă statori și rotoare cu micromotoare, motoare maglev, senzori, rezolutori, izolatori optici, magnet permanenți și componente magnetice moi, oferind suport unic pentru materiale magnetice pentru proiectele de motoare din diferite industrii.

Concluzie

Cu structura sa aplatizată și densitatea de putere transformatoare, motorul cu flux axial redefinește arhitectura de putere a vehiculelor electrice, roboților umanoizi și aeronavelor la joasă altitudine. În această cursă tehnologică centrată pe „densitatea cuplului” și „ușurarea”, designul structurii rotorului și calitatea materialelor cu magnet permanenți stabilesc limita inferioară, în timp ce structura montată pe suprafață - cu  designul său simplu, răspunsul dinamic rapid și densitatea mare a cuplului  - ocupă o poziție de neînlocuit în articulațiile robotului, viteze mici, cuplu mare și alte aplicații cu eficiență ridicată a butucului și alte aplicații solicitante.

De la optimizarea precisă a topologiei circuitului magnetic până la proiectarea stabilității la temperatură înaltă a materialelor cu magnet permanenți, numai prin stăpânirea lanțului complet al tehnologiei materialelor de bază și al proceselor de fabricație a rotorului poate fi stabilit un adevărat șanț în competiția acerbă de pe piață. SDM, cu acreditările sale ca întreprindere națională de înaltă tehnologie, 16 ani de experiență acumulată în magneți permanenți, suport tehnic din partea unei echipe de experți construite de CAS și un sistem sistematic de management al calității, oferă o bază solidă pentru fiabilitatea ridicată și performanța ridicată a rotoarelor cu flux axial montate pe suprafață. Fie că este vorba de provocarea cu gamă largă de viteze a motoarelor cu butuc, de cerințele de control cu ​​precizie cu inerție redusă ale articulațiilor robotului sau de cerințele extreme pentru densitatea puterii și rezistența la demagnetizare în propulsia dronei, SDM oferă soluții de inginerie completă de proces, de la materiale la simulare - tocmai forța motrice indispensabilă care mută motoarele cu flux axial de la aplicație la scară largă.