Ключевые моменты при выборе ротора двигателя с осевым магнитным потоком для различных условий эксплуатации – ступичные двигатели, соединения роботов, привод дронов

Введение: смена парадигмы от «цилиндра» к «диску».

Когда люди думают об электродвигателях, большинство представляет себе длинный цилиндр, в котором статор окружает ротор, а магнитное поле распространяется радиально. Однако двигатель, который бросает вызов этой традиционной форме, является движущей силой новой технологической революции – двигатель с осевым магнитным потоком . Он сжимает статор и ротор в почти плоский диск, компактный, как сэндвич-печенье.

Суть этой революции в выравнивании лежит в фундаментальном изменении направления магнитного пути. В традиционном двигателе с радиальным потоком магнитное поле распространяется наружу от оси; в двигателе с осевым магнитным потоком магнитное поле движется параллельно оси, при этом статор и ротор обращены друг к другу в виде диска. Этот сдвиг дает удивительные преимущества в производительности:  при том же использовании материала крутящий момент двигателя с осевым магнитным потоком пропорционален кубу диаметра ротора (в то время как для традиционного радиального двигателя он равен только квадрату диаметра), что обеспечивает увеличение плотности крутящего момента в 2–3 раза и КПД, превышающий 96%.  При этом его осевая длина составляет всего от 1/3 до 1/2 длины обычного двигателя, при этом объем уменьшается более чем на 50%, а вес снижается примерно на 40–50% при той же мощности.

Ключом к достижению такой высокой удельной мощности и плотности крутящего момента в двигателях с осевым магнитным потоком является оригинальная конструкция конструкции ротора. Различные сценарии применения предъявляют разные требования к производительности, а выбор структуры магнитной цепи ротора, материала постоянного магнита и топологии часто напрямую определяет, сможет ли двигатель полностью реализовать свои преимущества. Эта статья начинается с трех типичных сценариев применения — ступичных двигателей, соединений роботов и приводов дронов — и систематически анализирует основные моменты выбора ротора.

1. Ступичные двигатели: компромисс между плотностью крутящего момента и широким диапазоном скоростей.

Ступичные электродвигатели устанавливаются внутри обода колеса, где пространство крайне ограничено – это основное ограничение конструкции. Они должны одновременно обеспечивать высокую плотность крутящего момента (для трогания с места и набора высоты), широкий диапазон скоростей (от медленного ползания до высокой крейсерской скорости) и хорошую теплоотдачу.

Что касается выбора конструкции ротора, в ступичных двигателях обычно используются  двигатели поверхностного монтажа и спицевые (внутренние) , каждый из которых имеет разные приоритеты конструкции. Постоянные магниты поверхностного монтажа непосредственно крепятся к поверхности сердечника ротора, что обеспечивает простую конструкцию, высокую плотность потока в воздушном зазоре и пригодность для применений, требующих максимальной плотности мощности. Однако высокоскоростное вращение ротора большого диаметра создает огромную центробежную силу, поэтому требуется удерживающая втулка для фиксации магнитов поверхностного монтажа. Для этого требуются высокопрочные немагнитные материалы, а сама втулка увеличивает воздушный зазор, тем самым снижая мощность.

Постоянные магниты спицевого типа (внутренние) встроены внутрь ротора. За счет концентрации магнитного потока они значительно улучшают плотность крутящего момента и возможность увеличения скорости при ослаблении магнитного потока. Например, двигатель-концентратор со спицами STAF-PMSM, разработанный Университетом Цзянсу, использует конструкцию с двумя роторами для увеличения площади возбуждения воздушного зазора, обеспечивая возбуждение концентрации потока. Он обеспечивает максимальный крутящий момент 280 Н·м и максимальную мощность 15 кВт, что делает его пригодным для автомобилей с распределенным приводом на новых источниках энергии. Более того, внутренняя структура эффективно защищает постоянные магниты от прямого воздействия высокой температуры и механического воздействия, устраняя риск отсоединения магнитов, с которым сталкиваются типы поверхностного монтажа на высоких скоростях.

Управление температурным режимом является еще одной основной проблемой для ступичных двигателей. При работе на большой мощности электромагнитные потери концентрируются, а условия охлаждения плохие. Для достижения эффективного охлаждения требуется точное тепловое моделирование на основе анализа потерь. В настоящее время двигатель с одним ротором и двойным статором с осевым магнитным потоком (AFIR) повышает удельную мощность за счет увеличения электрической нагрузки за счет двух статоров, в то время как двигатель с осевым магнитным потоком без ярма (YASA) устраняет ярмо статора, чтобы уменьшить потери в железе, снижая тепловую нагрузку при одновременном повышении эффективности и плотности крутящего момента.

В целом, выбор ротора для ступичных двигателей должен обеспечивать баланс  плотности крутящего момента, возможности увеличения скорости и надежности . Для требований к низкой скорости и высокому крутящему моменту предпочтительны конструкции поверхностного монтажа или спицевого типа, но если необходим широкий диапазон скоростей, спицевой тип является более подходящим из-за его концентрации флюса и способности ослаблять магнитный поток.

2. Соединения роботов: двойные требования низкой инерции и точного управления.

Соединения роботов требуют совершенно других характеристик от ступичных двигателей. В крупных суставах, таких как бедра, талии и ноги, основными требованиями являются высокий крутящий момент и чрезвычайная легкость – по сравнению с традиционными радиальными двигателями, двигатели с осевым магнитным потоком в этих сценариях могут уменьшить занимаемое пространство на 30–60% и вес более чем на 30%, а в некоторых конструкциях этот показатель достигает 60–70%. В мелких суставах, таких как запястья и пальцы, точность и низкая инерция становятся более приоритетными.

Отношение крутящего момента к инерции  является ключевым параметром конструкции шарнирных двигателей роботов. Исследования показывают, что крутящий момент двигателя с осевым магнитным потоком пропорционален кубу диаметра ротора, а это означает, что чрезвычайно высокий выходной крутящий момент на низких скоростях может быть достигнут в компактном пространстве плоского соединения, в то время как структура тонкого диска может быть встроена непосредственно в соединение и упрощает отвод тепла.

При выборе ротора соединения роботов отдают приоритет конструкциям поверхностного монтажа или массивам Хальбаха. Конструкция для поверхностного монтажа с низкими потерями ротора и низким моментом инерции обеспечивает  более быструю динамическую реакцию  : время реакции на ускорение можно сократить с 15 мс до 5–8 мс, что крайне важно для движений робота, требующих быстрого запуска/остановки и точного позиционирования. Массив Хальбаха за счет определенной схемы направления намагничивания усиливает магнитное поле с одной стороны и почти подавляет его с другой, позволяя исключить сердечник ротора и еще больше снизить инерцию и потери ротора.

Конструкция магнитной цепи и выбор материала постоянного магнита также требуют точного контроля. В двигателях с осевым магнитным потоком используется кольцевая компоновка магнитов, которая сокращает длину магнитного пути и увеличивает плотность крутящего момента по сравнению с радиальной компоновкой традиционных двигателей с радиальным магнитным потоком. Кроме того, поскольку соединения роботов часто включают в себя редукторы или даже схемы квазипрямого привода (QDD), требуются более высокая коэрцитивная сила и термическая стабильность. Если позволяет стоимость, марки с высокой коэрцитивной силой, содержащие тяжелые редкоземельные элементы, такие как диспрозий и тербий, могут эффективно предотвращать размагничивание от обратных магнитных полей во время работы.

Для миниатюрных соединений диаметром 16–18 мм двигатели с осевым магнитным потоком типа PCB демонстрируют уникальные преимущества. Используя травление вместо традиционных медных обмоток, они обеспечивают высокую стабильность производства, низкие потери в железе и чрезвычайно легкий вес.

3. Движение дронов: экстремальные проблемы плотности мощности и устойчивости к тепловому размагничиванию

Двигательные системы дронов сталкиваются с фундаментальным противоречием:  каждый дополнительный грамм веса сокращает время полета, а каждый градус повышения температуры снижает мощность . Данные показывают, что для двигателя с осевым магнитным потоком, у которого тяговооруженность превышает 25:1, уменьшение массы на 1 кг может увеличить дальность полета примерно на 10 км. Поэтому легкий вес и высокая удельная мощность являются основными критериями проектирования двигателей для дронов.

С точки зрения удельной мощности двигатели с осевым магнитным потоком демонстрируют огромные преимущества в движении дронов. Их объемная плотность мощности может достигать  14,9 кВт/кг , что намного превышает удельную мощность традиционных радиальных двигателей. Измеренная плотность мощности находится в диапазоне от  5,8 до 21 кВт/кг , а плотность крутящего момента — от  15 до 25 Нм/кг . Новейшая двигательная установка Yufeng T-серии с осевым потоком обеспечивает постоянную плотность мощности 10 Нм/кг и пиковую плотность крутящего момента 20 Нм/кг, что делает ее хорошо подходящей для движения с прямым приводом в современных самолетах, таких как пилотируемые eVTOL и дроны с составным крылом.

Помимо удельной мощности, двигатели дронов также сталкиваются с риском размагничивания в условиях высоких температур. Во время полета двигатели работают на высокой мощности в течение длительного времени, что приводит к быстрому повышению температуры обмоток и постоянных магнитов. Если миссии проводятся в летнюю жару или в пустынных районах, сочетание температуры окружающей среды и самонагрева создает серьезные проблемы с размагничиванием постоянных магнитов.

Выбор материала постоянного магнита напрямую влияет на надежность двигателей дронов при высоких температурах.  Среди распространенных материалов для постоянных магнитов неодим-железо-бор (NdFeB) обеспечивает самые высокие магнитные характеристики, но стандартные марки (серия N) имеют максимальную рабочую температуру всего 80–100 °C, а необратимые магнитные потери могут возникнуть при температуре выше 200 °C. Высококоэрцитивные марки NdFeB (серии SH, UH, EH, AH) могут работать до 150–240°C, но их высокотемпературная стабильность все же уступает самарий-кобальту (SmCo). Магниты SmCo могут стабильно работать при температуре выше  300°C , с температурой Кюри более 720°C, а их магнитные свойства изменяются с температурой лишь на 1/4–1/3 меньше, чем у NdFeB. Недостатками являются несколько меньшая магнитная энергия продукта и более высокая стоимость. Для потребительских дронов высокопроизводительного NdFeB достаточно для большинства нужд; но для промышленных дронов и пилотируемых eVTOL в условиях высоких температур и высокой мощности SmCo, несмотря на его стоимость, является необходимым выбором для обеспечения надежности.

4. Краткий обзор типов роторов: сравнение поверхностного и внутреннего монтажа.

На основании приведенного выше анализа типы конструкции главного ротора двигателей с осевым магнитным потоком сведены в следующую таблицу:

5. SDM: ключевой драйвер для роторов двигателей с осевым магнитным потоком поверхностного монтажа

Проанализировав ключевые моменты выбора ротора для трех основных сценариев, мы пришли к основному элементу –  инженерным возможностям для высокопроизводительных постоянных магнитов и конструкций роторов для поверхностного монтажа . Именно в этом заключаются технические преимущества SDM.

SDM — национальное высокотехнологичное предприятие, специализирующееся на магнитах и ​​магнитных решениях, с 16-летним опытом профессионального производства магнитов. Компания поддерживает стратегическое сотрудничество с China Aluminium, крупнейшим предприятием по добыче редкоземельных металлов в Китае, обеспечивая стабильные и безопасные поставки редкоземельного сырья. В то же время SDM проводит углубленные совместные исследования с  Китайской академией наук  и работает с клиентами в области анализа конечных элементов (FEA), обеспечивая точную поддержку моделирования с самого начала проектирования магнитных цепей, тем самым сокращая циклы разработки и снижая затраты на пробы и ошибки.

В области роторов двигателей с осевым магнитным потоком для поверхностного монтажа компания SDM предлагает систематические преимущества в производстве и проектировании:

Во-первых, это полная производственная система с сертификатами высокого уровня.  Компания имеет сертификат IATF 16949 (система управления качеством автомобильной промышленности), с 2010 года поддерживает рекорд нулевого дефекта (0 PPM) в качестве поставщика второго уровня для General Motors, а также имеет сертификаты ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, углеродного следа и BSCI. Ее продукция соответствует требованиям испытаний RoHS, REACH и SGS. Это означает, что каждая партия постоянных магнитов проходит строгий контроль качества, от отслеживания сырья до отгрузки готовой продукции.

Во-вторых, зрелая интегрированная технология производства роторных конструкций с поверхностным монтажом.  В двигателе с осевым магнитным потоком диск ротора с постоянными магнитами, установленный на поверхности, должен одновременно решать три основные инженерные трудности:  высокопрочное крепление магнитов, устойчивость при высокоскоростной работе и технологичность/сборка . SDM предлагает различные варианты магнитных материалов, включая марки NdFeB с высокой коэрцитивной силой и серию SmCo. В нем используется комбинация высокопрочных полимерных прижимных пластин/фиксирующих рам с низкими потерями, опорных элементов ротора и удерживающих втулок из углеродного волокна, что обеспечивает надежное позиционирование магнита при работе на высоких скоростях, одновременно сводя к минимуму потери ротора на вихревые токи. Это решение доказало свои комплексные преимущества, заключающиеся в низких потерях в роторе, высокой структурной прочности и хорошей технологичности сборки.

В-третьих, высококлассная техническая команда, поддерживающая высококачественную настройку.  Техническая команда, созданная  экспертами в области магнитных материалов из Китайской академии наук , включает 2 докторов наук, 5 магистров, 8 старших инженеров и более 80 инженерно-технических сотрудников. Компания создала муниципальный центр исследований и разработок и постдокторскую рабочую станцию. Таким образом, SDM может не только производить обычные магниты, но также предоставлять комплексные технические решения для реальных требований к магнитным цепям в различных условиях работы (двигатели-концентраторы, соединения роботов, движение дронов), включая выбор марки магнита (классы NdFeB N/M/UH со сверхвысокой коэрцитивной силой, серии SmCo5 / Sm-Co-₇), расчет температурного запаса размагничивания и моделирование методом конечных элементов.

В-четвертых, сотрудничество между промышленностью, университетами и исследованиями и широкий портфель продуктов.  SDM поддерживает отношения сотрудничества с Институтом технологии материалов и инженерии Нинбо (CAS) и Юго-западным университетом Цзяотун, постоянно отслеживая достижения в области магнитных материалов. Ассортимент ее продукции включает в себя статоры и роторы микродвигателей, двигатели на магнитной подвеске, датчики, резольверы, оптические изоляторы, постоянные магниты и магнитомягкие компоненты, обеспечивая универсальную поддержку магнитных материалов для конструкций двигателей в различных отраслях.

Заключение

Благодаря своей уплощенной конструкции и преобразующей плотности мощности двигатель с осевым магнитным потоком переопределяет энергетическую архитектуру электромобилей, человекоподобных роботов и маловысотных самолетов. В этой технологической гонке, сосредоточенной на «плотности крутящего момента» и «легком весе», конструкция конструкции ротора и качество материалов постоянных магнитов устанавливают нижний предел, в то время как конструкция поверхностного монтажа – с ее  простой конструкцией, быстрым динамическим откликом и высокой плотностью крутящего момента  – занимает незаменимое положение в соединениях роботов, низкоскоростных ступичных приводах с высоким крутящим моментом и других приложениях, требующих высокой эффективности и низкой инерции.

От точной оптимизации топологии магнитной цепи до разработки материалов для постоянных магнитов, устойчивых к высоким температурам, только освоив полную цепочку технологий изготовления материалов сердечника и процессов производства роторов, можно создать настоящий ров в условиях жесткой рыночной конкуренции. Компания SDM, имеющая репутацию национального высокотехнологичного предприятия, 16-летний опыт работы с постоянными магнитами, техническую поддержку со стороны группы экспертов CAS и систематическую систему управления качеством, обеспечивает прочную основу для высокой надежности и высоких характеристик роторов двигателей с осевым магнитным потоком поверхностного монтажа. Будь то широкий диапазон скоростей ступичных двигателей, требования к малоинерционному точному управлению сочленениями роботов или экстремальные требования к удельной мощности и сопротивлению размагничиванию при движении дронов, SDM предлагает комплексные технологические решения, от материалов до моделирования – именно незаменимую движущую силу, которая перемещает двигатели с осевым магнитным потоком из лаборатории в крупномасштабное применение.