Ključne točke za izbiro rotorja motorja z aksialnim pretokom v različnih delovnih pogojih – motorji v pestu, robotski spoji, pogon drona

Uvod: premik paradigme od 'Cylinder' do 'Disc'

Ko ljudje razmišljajo o električnih motorjih, si večina predstavlja dolg valj, kjer stator obdaja rotor in se magnetno polje širi radialno. Vendar pa motor, ki kljubuje tej konvencionalni obliki, poganja novo tehnološko revolucijo – motor z aksialnim pretokom . Stisne stator in rotor v skoraj ploščat disk, kompakten kot sendvič piškotek.

Jedro te izravnalne revolucije je temeljna sprememba smeri magnetne poti. V tradicionalnem motorju z radialnim pretokom magnetno polje seva navzven od osi; pri motorju z aksialnim pretokom poteka magnetno polje vzporedno z osjo, stator in rotor pa sta obrnjena drug proti drugemu v obliki diska. Ta premik prinaša osupljive prednosti pri zmogljivosti:  pri enaki uporabi materiala je navor motorja z aksialnim pretokom sorazmeren s kubom premera rotorja (medtem ko je pri tradicionalnem radialnem motorju samo kvadrat premera), kar doseže 2–3-kratno povečanje gostote navora in učinkovitost, ki presega 96 %.  Hkrati je njegova osna dolžina le 1/3 do 1/2 običajnega motorja, z manjšo prostornino za več kot 50 % in težo zmanjšano za približno 40 %–50 % pri enaki moči.

Ključ do doseganja tako visoke gostote moči in gostote navora pri motorjih z aksialnim pretokom leži v domiselni zasnovi strukture rotorja. Različni scenariji uporabe zahtevajo različne zmogljivosti, izbira strukture magnetnega vezja rotorja, materiala trajnega magneta in topologije pa pogosto neposredno določa, ali lahko motor v celoti uresniči svoje prednosti. Ta članek se začne s tremi tipičnimi scenariji uporabe – motorji pesta, robotski spoji in pogon drona – in sistematično analizira ključne točke izbire rotorja.

1. Motorji v pestu: kompromis med gostoto navora in širokim razponom hitrosti

Motorji v pestu so nameščeni znotraj kolesnega obroča, kjer je prostor izjemno omejen – to je primarna konstrukcijska omejitev. Hkrati morajo zagotavljati visoko gostoto navora (za speljevanje in vzpenjanje), širok razpon hitrosti (od nizke hitrosti plazenja do hitrega križarjenja) in dobro sposobnost odvajanja toplote.

Kar zadeva izbiro strukture rotorja, motorji v pestu običajno uporabljajo  nadometne in napere (notranje) tipe , pri čemer ima vsak drugačne prednostne naloge. Površinsko nameščeni trajni magneti so neposredno pritrjeni na površino jedra rotorja, kar ponuja preprosto strukturo, visoko gostoto pretoka zračne reže in primernost za aplikacije, ki zasledujejo končno gostoto moči. Vendar visokohitrostno vrtenje rotorja velikega premera ustvarja ogromno centrifugalno silo, ki zahteva zadrževalni tulec za pritrditev površinsko nameščenih magnetov. To zahteva nemagnetne materiale visoke trdnosti, sam tulec pa poveča zračno režo in s tem zmanjša izhod.

Trajni magneti tipa napere (notranji) so vgrajeni v rotor. S koncentracijo toka bistveno izboljšajo gostoto navora in zmožnost podaljšanja hitrosti z oslabitvijo toka. Na primer, motor pesta STAF-PMSM z naperami, ki ga je zasnovala univerza Jiangsu, uporablja strukturo z dvojnim rotorjem za povečanje območja vzbujanja zračne reže in tako doseže vzbujanje koncentracije toka. Zagotavlja največji navor 280 N·m in največjo moč 15 kW, zaradi česar je primeren za nova energetska vozila s porazdeljenim pogonom na kolesa. Poleg tega notranja struktura učinkovito ščiti trajne magnete pred neposredno izpostavljenostjo visoki temperaturi in mehanskim vplivom, s čimer se odpravi nevarnost odklopa magneta, s katerim se soočajo nadometni tipi pri visokih hitrostih.

Upravljanje toplote je še en ključni izziv za motorje v pestu. Pri delovanju z visoko močjo so elektromagnetne izgube koncentrirane in pogoji hlajenja so slabi. To zahteva natančno toplotno modeliranje na podlagi analize izgub za doseganje učinkovitega hlajenja. Trenutno aksialni pretočni motor z enim rotorjem z dvema statorjema (AFIR) izboljšuje gostoto moči s povečanjem električne obremenitve z dvema statorjema, medtem ko motor z aksialnim pretokom brez jarma (YASA) odpravlja statorski jarem, da zmanjša izgubo železa, zniža toplotno obremenitev in hkrati izboljša učinkovitost in gostoto navora.

Na splošno mora izbira rotorja za motorje v pestu uravnotežiti  gostoto navora, zmožnost podaljševanja hitrosti in zanesljivost . Za zahteve po visokem navoru pri nizki hitrosti so prednostne površinsko nameščene strukture ali strukture tipa napere, če pa je potreben širok razpon hitrosti, je vrsta napere primernejša zaradi koncentracije toka in sposobnosti oslabitve toka.

2. Robotski spoji: Dvojne zahteve nizke vztrajnosti in natančnega nadzora

Robotski spoji zahtevajo izrazito drugačne lastnosti kot motorji v pestu. V velikih sklepih, kot so boki, pasovi in ​​noge, sta glavni zahtevi velik izhodni navor in izjemna lahka teža – v primerjavi s tradicionalnimi radialnimi motorji lahko motorji z aksialnim pretokom v teh scenarijih zmanjšajo zasedenost prostora za 30 %–60 % in težo za več kot 30 %, pri čemer nekateri modeli dosežejo 60 %–70 %. V majhnih sklepih, kot so zapestja in prsti, postaneta natančnost in nizka vztrajnost višje prioritete.

Razmerje med navorom in vztrajnostjo  je ključni konstrukcijski parameter za robotske spojne motorje. Raziskave kažejo, da je navor motorja z aksialnim pretokom sorazmeren s kocko premera rotorja, kar pomeni, da je mogoče doseči izredno visok izhodni navor pri nizki hitrosti v kompaktnem prostoru sploščenega spoja, medtem ko je tanko diskasto strukturo mogoče vgraditi neposredno v spoj in poenostavi odvajanje toplote.

Pri izbiri rotorja dajejo robotski spoji prednost površinsko nameščenim strukturam ali nizom Halbach. Površinsko nameščena struktura z nizko izgubo rotorja in nizkim vztrajnostnim momentom omogoča  hitrejši dinamični odziv  – odzivni čas pospeševanja je mogoče zmanjšati s 15 ms na 5–8 ms, kar je ključnega pomena za gibanje robota, ki zahteva hiter zagon/ustavitev in natančno pozicioniranje. Halbachov niz prek posebnega vzorca smeri magnetizacije poveča magnetno polje na eni strani, medtem ko ga skoraj izniči na drugi strani, kar omogoča odstranitev jedra rotorja in nadaljnje zmanjšanje vztrajnosti in izgub rotorja.

Zasnova magnetnega vezja in izbira materiala trajnega magneta prav tako zahtevata natančen nadzor. Motorji z aksialnim pretokom uporabljajo obročasto magnetno postavitev, ki skrajša dolžino magnetne poti in poveča gostoto navora v primerjavi z radialno postavitvijo tradicionalnih motorjev z radialnim pretokom. Ker robotski spoji pogosto vključujejo reduktorje ali celo sheme kvazidirektnega pogona (QDD), sta potrebni večja koercitivnost in toplotna stabilnost. Če stroški dopuščajo, lahko visokokoercitivne stopnje s težkimi redkimi zemljami, kot sta disprozij in terbij, med delovanjem učinkovito preprečijo razmagnetenje zaradi obratnih magnetnih polj.

Za miniaturne spoje v območju 16–18 mm, motorji z aksialnim pretokom tipa PCB kažejo edinstvene prednosti. Z jedkanjem namesto tradicionalnih bakrenih navitij nudijo visoko konsistentnost izdelave, nizko izgubo železa in izjemno majhno težo.

3. Pogon brezpilotnih letal: Ekstremni izzivi gostote moči in odpornosti na toplotno razmagnetenje

Pogonski sistemi dronov se soočajo s temeljnim protislovjem:  vsak dodatni gram teže skrajša čas letenja in vsaka stopnja dviga temperature zmanjša moč . Podatki kažejo, da lahko za motor z aksialnim pretokom z razmerjem potiska in teže, ki presega 25:1, zmanjšanje mase za 1 kg poveča doseg za približno 10 km. Zato sta lahka teža in visoka gostota moči glavni merili zasnove pogonskih motorjev za drone.

Kar zadeva gostoto moči, motorji z aksialnim pretokom kažejo izjemne prednosti pri pogonu dronov. Njihova volumetrična gostota moči lahko doseže  14,9 kW/kg , kar močno presega gostoto tradicionalnih radialnih motorjev. Izmerjene gostote moči segajo od  5,8 do 21 kW/kg , z gostotami navora od  15 do 25 Nm/kg . Najnovejši aksialni pogonski sistem 'Yufeng' serije T dosega neprekinjeno gostoto moči 10 Nm/kg in največjo gostoto navora 20 Nm/kg, zaradi česar je zelo primeren za pogon z direktnim pogonom v naprednih letalih, kot so eVTOL s posadko in brezpilotna letala s sestavljenimi krili.

Poleg gostote moči se pogonski motorji za drone soočajo tudi s tveganjem razmagnetenja v okoljih z visoko temperaturo. Med letom motorji dlje časa delujejo z visoko močjo, kar povzroča hiter dvig temperature v navitjih in trajnih magnetih. Če se misije izvajajo v poletni vročini ali puščavskih območjih, kombinacija temperature okolja in samosegrevanja ustvarja resne izzive razmagnetenja za trajne magnete.

Izbira materiala trajnega magneta neposredno vpliva na visokotemperaturno zanesljivost motorjev za drone.  Med običajnimi trajnimi magnetnimi materiali ponuja neodim-železo-bor (NdFeB) največjo magnetno zmogljivost, vendar imajo standardne stopnje (serija N) najvišjo delovno temperaturo le 80–100 °C, nepopravljiva magnetna izguba pa lahko nastopi nad 200 °C. Razredi NdFeB z visoko koercitivnostjo (serije SH, UH, EH, AH) lahko delujejo do 150–240 °C, vendar je njihova stabilnost pri visokih temperaturah še vedno slabša od samarij-kobalta (SmCo). Magneti SmCo lahko stabilno delujejo nad  300 °C , s Curiejevo temperaturo, ki presega 720 °C, njihove magnetne lastnosti pa se s temperaturo spreminjajo le za 1/4–1/3 toliko kot NdFeB. Slabosti so nekoliko manjša magnetna energija izdelka in višji stroški. Pri potrošniških dronih za večino potreb zadostuje visoko zmogljiv NdFeB; toda za industrijske brezpilotne zrakoplove in eVTOL s posadko v pogojih visoke temperature in velike moči je SmCo – kljub svoji ceni – nujna izbira za zanesljivost.

4. Hiter pregled vrst rotorjev: Primerjava površinsko nameščenih in notranjih

Na podlagi zgornje analize so tipi strukture glavnega rotorja za motorje z aksialnim pretokom povzeti v naslednji tabeli:

5. SDM: ključno gonilo za površinsko nameščene rotorje motorjev z aksialnim pretokom

Po analizi ključnih točk izbire rotorja za tri glavne scenarije pridemo do osrednjega elementa –  inženirske zmogljivosti za visoko zmogljive trajne magnete in površinsko nameščene strukture rotorja . Prav v tem so tehnične prednosti SDM.

SDM je nacionalno visokotehnološko podjetje, osredotočeno na magnete in magnetne rešitve, s 16-letnimi izkušnjami v profesionalni proizvodnji magnetov. Podjetje strateško sodeluje s podjetjem China Aluminium, največjim podjetjem za rudarjenje redkih zemelj na Kitajskem, ki zagotavlja stabilno in varno dobavo surovin redkih zemelj. Hkrati SDM izvaja poglobljene skupne raziskave s  Kitajsko akademijo znanosti  in sodeluje s strankami pri analizi končnih elementov (FEA), s čimer zagotavlja natančno simulacijsko podporo od samega začetka načrtovanja magnetnega vezja, s čimer skrajša razvojne cikle in zmanjša stroške poskusov in napak.

Na področju površinsko nameščenih rotorjev motorjev z aksialnim pretokom SDM ponuja sistematične proizvodne in konstrukcijske prednosti:

Prvič, popoln proizvodni sistem s certifikati na visoki ravni.  Podjetje ima IATF 16949 (sistem vodenja kakovosti v avtomobilski industriji), od leta 2010 ohranja evidenco brez napak (0 PPM) kot dobavitelj Tier-2 za General Motors in ima tudi certifikate ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, ogljični odtis in BSCI. Njeni izdelki izpolnjujejo zahteve glede testiranja RoHS, REACH in SGS. To pomeni, da je vsaka serija trajnih magnetov podvržena strogi kontroli kakovosti, od sledljivosti surovin do odpreme končnega izdelka.

Drugič, zrela integrirana procesna tehnologija za površinsko nameščene rotorske strukture.  V motorju z aksialnim pretokom mora površinsko nameščen rotorski disk s trajnim magnetom hkrati rešiti tri velike inženirske težave:  visoko trdno pritrditev magnetov, stabilnost pri delovanju z visoko hitrostjo in možnost izdelave/sestavljanja . SDM ponuja različne možnosti magnetnih materialov, vključno z visokokoercitivnimi razredi NdFeB in serijami SmCo. Uporablja kombinacijo stiskalnih plošč/pritrdilnih okvirjev iz polimera z nizkimi izgubami in visoko trdnostjo, hrbtišč rotorja in zadrževalnih tulcev iz ogljikovih vlaken, da zagotovi zanesljivo pozicioniranje magneta pri delovanju z visoko hitrostjo, hkrati pa zmanjša izgube zaradi vrtinčnih tokov rotorja. Ta rešitev je dokazala svoje celovite prednosti nizke izgube rotorja, visoke strukturne trdnosti in dobre obdelovalnosti sestavljanja.

Tretjič, vrhunska tehnična ekipa, ki podpira vrhunske prilagoditve.  Tehnična ekipa, ki so jo sestavili  strokovnjaki za magnetne materiale s Kitajske akademije znanosti , vključuje 2 doktorja znanosti, 5 imetnikov magisterija, 8 višjih inženirjev in več kot 80 inženirjev in tehničnega osebja. Podjetje je ustanovilo občinski center za raziskave in razvoj ter podoktorsko delovno postajo. Tako lahko SDM ne samo proizvaja običajne magnete, ampak tudi nudi tehnične rešitve celotnega procesa za dejanske zahteve magnetnega vezja v različnih delovnih pogojih (motorji vozlišč, robotski spoji, pogon brezpilotnih letal), vključno z izbiro razreda magneta (razredi ultravisoke koercitivnosti NdFeB N/M/UH, serije SmCo5 / Sm-Co-₇), izračunom meje temperature razmagnetenja in simulacijo končnih elementov.

Četrtič, sodelovanje med industrijo, univerzo in raziskavami ter širok portfelj izdelkov.  SDM vzdržuje odnose sodelovanja z Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) in Southwest Jiaotong University ter nenehno spremlja napredek na področju magnetnih materialov. Njegova paleta izdelkov zajema statorje in rotorje mikromotorjev, motorje maglev, senzorje, razreševalce, optične izolatorje, trajne magnete in mehke magnetne komponente, ki zagotavljajo podporo magnetnega materiala na enem mestu za zasnove motorjev v različnih panogah.

Zaključek

S svojo sploščeno strukturo in transformativno gostoto moči motor z aksialnim pretokom na novo opredeljuje arhitekturo moči električnih vozil, humanoidnih robotov in letal na nizki nadmorski višini. V tej tehnološki tekmi, osredotočeni na 'gostoto navora' in 'lahko težo', zasnova strukture rotorja in kakovost materialov s trajnimi magneti postavljata spodnjo mejo, medtem ko površinsko nameščena struktura – s svojo  preprosto zasnovo, hitrim dinamičnim odzivom in visoko gostoto navora  – zavzema nenadomestljiv položaj v zglobih robotov, nizkohitrostnih pogonih pest z visokim navorom in drugih aplikacijah, ki zahtevajo visoko učinkovitost in nizko vztrajnost.

Od natančne optimizacije topologije magnetnega vezja do oblikovanja visokotemperaturne stabilnosti materialov s trajnimi magneti, samo z obvladovanjem celotne verige tehnologije jedrnega materiala in proizvodnih procesov rotorja je mogoče vzpostaviti pravi jarek v hudi tržni konkurenci. SDM s svojo referenco nacionalnega visokotehnološkega podjetja, 16-letnimi zbranimi izkušnjami na področju trajnih magnetov, tehnično podporo ekipe strokovnjakov, ki jo je sestavil CAS, in sistematičnim sistemom vodenja kakovosti zagotavlja trdne temelje za visoko zanesljivost in visoko zmogljivost površinsko nameščenih rotorjev motorjev z aksialnim tokom. Ne glede na to, ali gre za izziv s širokim razponom hitrosti, ki ga predstavljajo motorji v pestu, zahteve glede natančnosti krmiljenja z nizko vztrajnostjo za robotske spoje ali za ekstremne zahteve glede gostote moči in odpornosti proti razmagnetenju pri pogonu brezpilotnih letal, SDM ponuja inženirske rešitve celotnega procesa od materialov do simulacije – prav tista nepogrešljiva gonilna sila, ki premakne motorje z aksialnim pretokom iz laboratorija v uporabo v velikem obsegu.