Kľúčové body pre výber rotora motora s axiálnym tokom za rôznych prevádzkových podmienok – nábojové motory, kĺby robota, pohon dronov

Úvod: Posun paradigmy z 'Valca' na 'Disk'

Keď ľudia myslia na elektromotory, väčšina si predstaví dlhý valec, kde stator obklopuje rotor a magnetické pole sa šíri radiálne. Avšak motor, ktorý sa vymyká tomuto konvenčnému tvaru, poháňa novú technologickú revolúciu – motor s axiálnym tokom . Stláča stator a rotor do takmer plochého disku, kompaktného ako sendvičový koláčik.

Jadro tejto revolúcie sploštenia spočíva v zásadnej zmene smeru magnetickej dráhy. V tradičnom motore s radiálnym tokom magnetické pole vyžaruje smerom von z osi; v motore s axiálnym tokom prebieha magnetické pole rovnobežne s osou, pričom stator a rotor sú oproti sebe v kotúčovom usporiadaní. Tento posun prináša úžasné výkonnostné výhody:  pri rovnakom použití materiálu je krútiaci moment motora s axiálnym tokom úmerný tretej mocnine priemeru rotora (zatiaľ čo u tradičného radiálneho motora je to iba štvorec priemeru), čím sa dosahuje 2- až 3-násobné zvýšenie hustoty krútiaceho momentu a účinnosť presahujúca 96 %.  Zároveň je jeho axiálna dĺžka len 1/3 až 1/2 dĺžky bežného motora, s objemom zníženým o viac ako 50 % a hmotnosťou zníženou približne o 40 % – 50 % pri rovnakom výkone.

Kľúčom k dosiahnutiu takej vysokej hustoty výkonu a hustoty krútiaceho momentu v motoroch s axiálnym tokom je dômyselná konštrukcia rotorovej konštrukcie. Rôzne aplikačné scenáre kladú odlišné požiadavky na výkon a výber štruktúry magnetického obvodu rotora, materiálu permanentného magnetu a topológie často priamo určuje, či motor môže plne realizovať svoje výhody. Tento článok začína tromi typickými aplikačnými scenármi – nábojovými motormi, kĺbmi robotov a pohonom dronov – a systematicky analyzuje kľúčové body výberu rotora.

1. Nábojové motory: Kompromis medzi hustotou krútiaceho momentu a širokým rozsahom otáčok

Nábojové motory sú inštalované vo vnútri ráfika kolesa, kde je priestor extrémne obmedzený – to je hlavné konštrukčné obmedzenie. Musia súčasne poskytovať vysokú hustotu krútiaceho momentu (na rozbeh a stúpanie), široký rozsah rýchlostí (od pomalého plazenia po vysokorýchlostnú plavbu) a dobrú schopnosť odvádzať teplo.

Pokiaľ ide o výber konštrukcie rotora, nábojové motory bežne používajú  povrchové a špicové (interiérové) typy , z ktorých každý má iné konštrukčné priority. Povrchové permanentné magnety sú priamo pripevnené k povrchu jadra rotora, ponúkajú jednoduchú štruktúru, vysokú hustotu toku vzduchovej medzery a sú vhodné pre aplikácie, ktoré sledujú maximálnu hustotu výkonu. Vysokorýchlostné otáčanie rotora s veľkým priemerom však generuje obrovskú odstredivú silu, ktorá si vyžaduje prídržnú objímku na zaistenie povrchovo namontovaných magnetov. To si vyžaduje vysokopevnostné nemagnetické materiály a samotná manžeta zväčšuje vzduchovú medzeru, čím sa znižuje výkon.

Vo vnútri rotora sú zabudované lúčové (vnútorné) permanentné magnety. Prostredníctvom koncentrácie toku výrazne zlepšujú hustotu krútiaceho momentu a schopnosť predlžovania rýchlosti zoslabovania toku. Napríklad lúčový motor STAF-PMSM navrhnutý univerzitou Jiangsu využíva štruktúru s dvoma rotormi na zväčšenie oblasti budenia vzduchovej medzery, čím sa dosiahne excitácia koncentrácie toku. Poskytuje maximálny krútiaci moment 280 N·m a maximálny výkon 15 kW, vďaka čomu je vhodný pre nové energetické vozidlá s distribuovaným pohonom kolies. Okrem toho vnútorná štruktúra účinne chráni permanentné magnety pred priamym vystavením vysokej teplote a mechanickým nárazom, čím prekonáva riziko uvoľnenia magnetu, ktorému pri vysokých rýchlostiach čelia typy s povrchovou montážou.

Tepelný manažment je ďalšou kľúčovou výzvou pre nábojové motory. Pri vysokovýkonnej prevádzke sú elektromagnetické straty koncentrované a podmienky chladenia sú zlé. To si vyžaduje presné tepelné modelovanie založené na analýze strát, aby sa dosiahlo efektívne chladenie. V súčasnosti dvojstatorový jednorotorový motor s axiálnym tokom (AFIR) zlepšuje hustotu výkonu zvýšením elektrického zaťaženia pomocou dvoch statorov, zatiaľ čo motor s axiálnym tokom bez strmeňa (YASA) eliminuje strmeň statora, aby sa znížili straty železa, čím sa znižuje tepelné zaťaženie a zároveň sa zlepšuje účinnosť a hustota krútiaceho momentu.

Celkovo musí výber rotora pre motory s nábojom vyvážiť  hustotu krútiaceho momentu, schopnosť rozšírenia otáčok a spoľahlivosť . Pre požiadavky na nízke otáčky s vysokým krútiacim momentom sa uprednostňujú povrchovo namontované alebo lúčové konštrukcie, ale ak je potrebný široký rozsah otáčok, lúčový typ je vhodnejší kvôli jeho koncentrácii toku a schopnosti zoslabovať tok.

2. Kĺby robota: Dvojité požiadavky na nízku zotrvačnosť a presné ovládanie

Robotické kĺby vyžadujú výrazne odlišné vlastnosti od nábojových motorov. Pri veľkých kĺboch, ako sú boky, pásy a nohy, sú hlavnými požiadavkami vysoký krútiaci moment a extrémne odľahčenie – v porovnaní s tradičnými radiálnymi motormi môžu motory s axiálnym tokom v týchto scenároch znížiť zaberanie priestoru o 30 % – 60 % a hmotnosť o viac ako 30 %, pričom niektoré konštrukcie dosahujú 60 % – 70 %. V malých kĺboch, ako sú zápästia a prsty, sa presnosť a nízka zotrvačnosť stávajú vyššou prioritou.

Pomer krútiaceho momentu k zotrvačnosti  je kľúčovým konštrukčným parametrom kĺbových motorov robotov. Výskum ukazuje, že krútiaci moment motora s axiálnym tokom je úmerný tretej mocnine priemeru rotora, čo znamená, že extrémne vysoký výstup krútiaceho momentu pri nízkych otáčkach možno dosiahnuť v kompaktnom priestore splošteného spoja, zatiaľ čo tenkú kotúčovú štruktúru je možné vložiť priamo do spoja a zjednodušiť odvod tepla.

Pri výbere rotora dávajú spoje robota prednosť konštrukciám namontovaným na povrchu alebo Halbachovým poliam. Povrchovo namontovaná konštrukcia s nízkou stratou rotora a nízkym momentom zotrvačnosti umožňuje  rýchlejšiu dynamickú odozvu  – čas odozvy zrýchlenia možno skrátiť z 15 ms na 5–8 ms, čo je rozhodujúce pre pohyby robota vyžadujúce rýchle spustenie/zastavenie a presné polohovanie. Halbachove pole prostredníctvom špecifického vzoru smeru magnetizácie zvyšuje magnetické pole na jednej strane, zatiaľ čo ho na druhej strane takmer ruší, čo umožňuje elimináciu jadra rotora a ďalšie zníženie zotrvačnosti rotora a strát.

Konštrukcia magnetického obvodu a výber materiálu permanentného magnetu tiež vyžadujú presné ovládanie. Motory s axiálnym tokom používajú usporiadanie prstencových magnetov, ktoré skracuje dĺžku magnetickej dráhy a zvyšuje hustotu krútiaceho momentu v porovnaní s radiálnym usporiadaním tradičných motorov s radiálnym tokom. Pretože kĺby robotov často obsahujú redukcie alebo dokonca schémy kvázi priameho pohonu (QDD), je potrebná vyššia koerciivita a tepelná stabilita. Ak to náklady dovolia, triedy s vysokou koercitivitou s ťažkými vzácnymi zeminami, ako je dysprózium a terbium, môžu účinne zabrániť demagnetizácii z reverzných magnetických polí počas prevádzky.

Pre miniatúrne spoje v rozsahu 16–18 mm vykazujú motory s axiálnym tokom typu PCB jedinečné výhody. Použitím leptania namiesto tradičných medených vinutí ponúkajú vysokú výrobnú konzistenciu, nízke straty železa a extrémne odľahčenie.

3. Pohon dronom: Extrémne výzvy hustoty výkonu a odolnosti voči tepelnej demagnetizácii

Pohonné systémy dronov čelia zásadnému rozporu:  každý gram hmotnosti navyše skracuje čas letu a každý stupeň zvýšenia teploty znižuje výkon . Údaje ukazujú, že pre motor s axiálnym tokom s pomerom ťahu k hmotnosti presahujúcim 25:1 môže zníženie hmotnosti o 1 kg zvýšiť dojazd o približne 10 km. Preto sú nízka hmotnosť a vysoká hustota výkonu hlavnými konštrukčnými kritériami pre motory na pohon dronov.

Pokiaľ ide o hustotu výkonu, motory s axiálnym tokom vykazujú obrovské výhody v pohone dronov. Ich objemová hustota výkonu môže dosiahnuť  14,9 kW/kg , čo je oveľa viac ako u tradičných radiálnych motorov. Namerané hustoty výkonu sa pohybujú od  5,8 do 21 kW/kg , s hustotou krútiaceho momentu od  15 do 25 Nm/kg . Najnovší pohonný systém s axiálnym tokom 'Yufeng' série T dosahuje kontinuálnu hustotu výkonu 10 Nm/kg a maximálnu hustotu krútiaceho momentu 20 Nm/kg, vďaka čomu sa dobre hodí na pohon s priamym pohonom v pokročilých lietadlách, ako sú pilotované eVTOL a drony so zloženými krídlami.

Okrem hustoty výkonu čelia pohonné motory dronov aj riziku demagnetizácie v prostredí s vysokou teplotou. Počas letu motory pracujú na vysoký výkon po dlhú dobu, čo spôsobuje rýchly nárast teploty vo vinutí a permanentných magnetoch. Ak sa misie uskutočňujú v letných horúčavách alebo v púštnych oblastiach, kombinácia okolitej teploty a vlastného zahrievania vytvára pre permanentné magnety vážne problémy s demagnetizáciou.

Výber materiálu permanentného magnetu priamo ovplyvňuje spoľahlivosť motorov dronov pri vysokej teplote.  Spomedzi bežných materiálov s permanentnými magnetmi ponúka najvyšší magnetický výkon neodým-železo-bór (NdFeB), ale štandardné druhy (séria N) majú maximálnu prevádzkovú teplotu len 80–100 °C a nad 200 °C môže dôjsť k nevratnej magnetickej strate. Typy NdFeB s vysokou koercitivitou (séria SH, UH, EH, AH) môžu pracovať až do 150–240 °C, ale ich stabilita pri vysokej teplote je stále nižšia ako stabilita samária-kobaltu (SmCo). Magnety SmCo môžu stabilne pracovať nad  300 °C , pričom Curieova teplota presahuje 720 °C a ich magnetické vlastnosti sa menia iba o 1/4–1/3 v porovnaní s NdFeB s teplotou. Nevýhodou je o niečo nižší produkt magnetickej energie a vyššia cena. Pre spotrebiteľské drony je pre väčšinu potrieb postačujúci vysokovýkonný NdFeB; ale pre priemyselné drony a pilotované eVTOL pri vysokej teplote a vysokom výkone je SmCo – napriek svojej cene – nevyhnutnou voľbou pre spoľahlivosť.

4. Rýchly prehľad typov rotorov: Porovnanie povrchovo namontovaných a vnútorných

Na základe vyššie uvedenej analýzy sú hlavné typy konštrukcie rotora pre motory s axiálnym tokom zhrnuté v nasledujúcej tabuľke:

5. SDM: Kľúčový ovládač pre povrchovo namontované axiálne rotory motora

Po analýze kľúčových bodov výberu rotora pre tri hlavné scenáre sa dostávame k základnému prvku –  inžinierskej schopnosti pre vysokovýkonné permanentné magnety a povrchovo namontované konštrukcie rotorov . Presne v tom spočívajú technické výhody SDM.

SDM je národný high-tech podnik zameraný na magnety a magnetické riešenia so 16-ročnými skúsenosťami v profesionálnej výrobe magnetov. Spoločnosť má strategickú spoluprácu s China Aluminium, najväčším ťažobným podnikom vzácnych zemín v Číne, ktorý zabezpečuje stabilné a bezpečné dodávky surovín vzácnych zemín. SDM zároveň vykonáva hĺbkový výskum v spolupráci s  Čínskou akadémiou vied  a spolupracuje so zákazníkmi na analýze konečných prvkov (FEA), pričom poskytuje presnú simulačnú podporu od samého začiatku návrhu magnetických obvodov, čím skracuje vývojové cykly a znižuje náklady na pokusy a omyly.

V oblasti povrchovo namontovaných rotorov motorov s axiálnym tokom ponúka SDM systematické výrobné a konštrukčné výhody:

Po prvé, kompletný výrobný systém s certifikátmi na vysokej úrovni.  Spoločnosť je držiteľom IATF 16949 (systém manažérstva kvality v automobilovom priemysle), od roku 2010 si udržiava rekord bez chýb (0 PPM) ako Tier-2 dodávateľ pre General Motors a tiež vlastní certifikáty ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, uhlíkovú stopu a BSCI. Jej produkty spĺňajú požiadavky na testovanie RoHS, REACH a SGS. To znamená, že každá šarža permanentných magnetov podlieha prísnej kontrole kvality, od vysledovateľnosti surovín až po expedíciu hotového výrobku.

Po druhé, vyspelá integrovaná procesná technológia pre povrchové konštrukcie rotorov.  V motore s axiálnym tokom musí rotorový disk s permanentným magnetom na povrchu súčasne vyriešiť tri hlavné technické problémy:  vysokopevnostné upevnenie magnetov, stabilitu pri vysokorýchlostnej prevádzke a vyrobiteľnosť/montáž . SDM poskytuje rôzne možnosti magnetických materiálov vrátane tried NdFeB s vysokou koercitivitou a série SmCo. Používa kombináciu nízkostratových, vysokopevnostných polymérových lisovacích dosiek/upevňovacích rámov, zadných žebier rotora a prídržných puzdier z uhlíkových vlákien, aby sa zabezpečilo spoľahlivé umiestnenie magnetu pri vysokorýchlostnej prevádzke a zároveň sa minimalizovali straty rotora vírivými prúdmi. Toto riešenie preukázalo svoje komplexné výhody nízkej straty rotora, vysokej konštrukčnej pevnosti a dobrej montážnej spracovateľnosti.

Po tretie, špičkový technický tím podporujúci špičkové prispôsobenie.  Technický tím zostavený  odborníkmi na magnetické materiály z Čínskej akadémie vied zahŕňa 2 PhD., 5 držiteľov magisterského titulu, 8 senior inžinierov a viac ako 80 inžinierskych a technických pracovníkov. Spoločnosť zriadila mestské centrum výskumu a vývoja a postdoktorandské pracovisko. SDM teda môže nielen vyrábať konvenčné magnety, ale aj poskytovať komplexné technické riešenia pre skutočné požiadavky na magnetické obvody v rôznych pracovných podmienkach (motory nábojov, kĺby robotov, pohon dronov), vrátane výberu kvality magnetu (triedy NdFeB N/M/UH s ultra vysokou koercitivitou, séria SmCo5 / Sm-Co-₇), výpočtu teplotného rozpätia demagnetizácie a simulácie teploty prvkov demagnetizácie.

Po štvrté, spolupráca medzi priemyslom, univerzitou a výskumom a široké portfólio produktov.  SDM udržiava kooperatívne vzťahy s Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) a Southwest Jiaotong University, pričom neustále sleduje pokroky v oblasti magnetických materiálov. Jej produktový rad zahŕňa statory a rotory mikromotorov, maglev motory, senzory, rozkladače, optické izolátory, permanentné magnety a mäkké magnetické komponenty, ktoré poskytujú jednorázovú magnetickú materiálovú podporu pre návrhy motorov v rôznych odvetviach.

Záver

So svojou sploštenou štruktúrou a transformačnou hustotou výkonu motor s axiálnym tokom nanovo definuje energetickú architektúru elektrických vozidiel, humanoidných robotov a lietadiel s nízkou nadmorskou výškou. V týchto technologických pretekoch zameraných na 'hustotu krútiaceho momentu' a 'ľahkú hmotnosť' určuje spodnú hranicu konštrukcia rotorovej konštrukcie a kvalita materiálov s permanentnými magnetmi, zatiaľ čo povrchová konštrukcia – so svojou  jednoduchou konštrukciou, rýchlou dynamickou odozvou a vysokou hustotou krútiaceho momentu  – zaujíma nezastupiteľné miesto v kĺboch ​​robotov, nízkorýchlostných pohonoch nábojov s vysokým krútiacim momentom a iných aplikáciách vyžadujúcich vysokú účinnosť a nízku zotrvačnosť.

Od presnej optimalizácie topológie magnetického obvodu až po návrh vysokoteplotnej stability materiálov s permanentnými magnetmi, iba zvládnutím celého reťazca technológie jadrového materiálu a procesov výroby rotora môže byť v tvrdej trhovej konkurencii vytvorená skutočná priekopa. SDM so svojimi oprávneniami ako národný high-tech podnik, 16-ročnými skúsenosťami v oblasti permanentných magnetov, technickou podporou od expertného tímu vytvoreného CAS a systematickým systémom riadenia kvality poskytuje solídny základ pre vysokú spoľahlivosť a vysoký výkon povrchovo namontovaných rotorov s axiálnym tokom. Či už ide o problém so širokým rozsahom otáčok nábojových motorov, požiadavky na presné riadenie robotických kĺbov s nízkou zotrvačnosťou alebo extrémne požiadavky na hustotu výkonu a odolnosť proti demagnetizácii v pohone dronov, SDM ponúka komplexné technické riešenia od materiálov po simuláciu – presne tú nenahraditeľnú hnaciu silu, ktorá posúva motory s axiálnym tokom z laboratória do rozsiahlych aplikácií.