Pikat kyçe për zgjedhjen e rotorit të motorit me fluks boshtor në kushte të ndryshme funksionimi - Motorët e qendrës, nyjet e robotëve, shtytja e dronëve

Hyrje: Zhvendosja e paradigmës nga 'Cylinder' në 'Disc'

Kur njerëzit mendojnë për motorët elektrikë, shumica parashikojnë një cilindër të gjatë ku statori mbyll rotorin dhe fusha magnetike përhapet në mënyrë radiale. Megjithatë, një motor që sfidon këtë formë konvencionale po drejton një revolucion të ri teknologjik - të motori i fluksit aksial . Ai ngjesh statorin dhe rotorin në një disk pothuajse të sheshtë, kompakt sa një biskotë sanduiç.

Thelbi i këtij revolucioni rrafshues qëndron në një ndryshim thelbësor në drejtimin e rrugës magnetike. Në një motor tradicional me fluks radial, fusha magnetike rrezaton nga jashtë nga boshti; në një motor me fluks boshtor, fusha magnetike shkon paralelisht me boshtin, me statorin dhe rotorin përballë njëri-tjetrit në një rregullim disku. Ky zhvendosje sjell avantazhe mahnitëse të performancës:  me të njëjtin përdorim materiali, çift rrotullimi i një motori me fluks boshtor është proporcional me kubin e diametrit të rotorit (ndërsa për një motor tradicional radial është vetëm katrori i diametrit), duke arritur një rritje të densitetit të çift rrotullues 2-3 herë dhe efikasitet që kalon 96%.  Në të njëjtën kohë, gjatësia e tij boshtore është vetëm 1/3 deri në 1/2 e asaj të një motori konvencional, me vëllim të reduktuar me më shumë se 50% dhe peshë të reduktuar me afërsisht 40%-50% me të njëjtën fuqi.

Çelësi për të arritur një densitet kaq të lartë të fuqisë dhe densitetit të çift rrotullues në motorët me fluks boshtor qëndron në dizajnin e zgjuar të strukturës së rotorit. Skenarët e ndryshëm të aplikimit imponojnë kërkesa të veçanta të performancës dhe zgjedhja e strukturës së qarkut magnetik të rotorit, materialit të magnetit të përhershëm dhe topologjisë shpesh përcakton drejtpërdrejt nëse motori mund të realizojë plotësisht avantazhet e tij. Ky artikull fillon me tre skenarë tipikë aplikimi - motorët e shpërndarësit, nyjet e robotëve dhe shtytja e dronëve - dhe analizon sistematikisht pikat thelbësore të përzgjedhjes së rotorit.

1. Motorët me qendër: këmbimi ndërmjet densitetit të çift rrotullues dhe gamës së gjerë të shpejtësisë

Motorët e shpërndarësit janë instaluar brenda buzës së rrotës, ku hapësira është jashtëzakonisht e kufizuar - ky është kufizimi kryesor i projektimit. Ato duhet të sigurojnë njëkohësisht densitet të lartë çift rrotullues (për nisje dhe ngjitje), një gamë të gjerë shpejtësie (nga zvarritja me shpejtësi të ulët deri te lundrimi me shpejtësi të lartë) dhe aftësi të mirë të shpërndarjes së nxehtësisë.

Për sa i përket zgjedhjes së strukturës së rotorit, motorët e shpërndarësit zakonisht përdorin  lloje të montuara në sipërfaqe dhe me fole (të brendshme) , secila me përparësi të ndryshme projektimi. Magnetët e përhershëm të montuar në sipërfaqe janë të lidhura drejtpërdrejt me sipërfaqen e bërthamës së rotorit, duke ofruar një strukturë të thjeshtë, densitet të lartë të fluksit të hendekut të ajrit dhe përshtatshmëri për aplikime që ndjekin densitetin përfundimtar të fuqisë. Megjithatë, rrotullimi me shpejtësi të lartë i një rotori me diametër të madh gjeneron forcë të madhe centrifugale, që kërkon një mëngë mbajtëse për të siguruar magnetët e montuar në sipërfaqe. Kjo kërkon materiale jomagnetike me rezistencë të lartë, dhe vetë mëngja rrit hendekun e ajrit, duke reduktuar kështu prodhimin.

Magnetët e përhershëm të tipit spike (të brendshëm) janë të ngulitur brenda rotorit. Nëpërmjet përqendrimit të fluksit, ato përmirësojnë ndjeshëm densitetin e çift rrotullues dhe aftësinë për zgjatjen e shpejtësisë për dobësimin e fluksit. Për shembull, motori shpërndarës i tipit folës STAF-PMSM i projektuar nga Universiteti Jiangsu përdor një strukturë me dy rotor për të rritur zonën e ngacmimit të hendekut të ajrit, duke arritur ngacmimin e përqendrimit të fluksit. Ai jep një çift rrotullues maksimal prej 280 N·m dhe fuqi maksimale prej 15 kW, duke e bërë atë të përshtatshëm për automjetet me energji të re të shpërndarë në rrota. Për më tepër, struktura e brendshme mbron në mënyrë efektive magnetët e përhershëm nga ekspozimi i drejtpërdrejtë ndaj temperaturës së lartë dhe ndikimit mekanik, duke kapërcyer rrezikun e shkëputjes së magnetit me të cilin përballen llojet e montuara në sipërfaqe me shpejtësi të lartë.

Menaxhimi termik është një tjetër sfidë thelbësore për motorët me qendër. Në funksionimin me fuqi të lartë, humbjet elektromagnetike janë të përqendruara dhe kushtet e ftohjes janë të këqija. Kjo kërkon modelim të saktë termik bazuar në analizën e humbjeve për të arritur ftohje efektive. Aktualisht, motori i fluksit boshtor me një rotor me dy stator (AFIR) përmirëson densitetin e fuqisë duke rritur ngarkesën elektrike me dy statorë, ndërsa motori i fluksit boshtor pa zgjedhë (YASA) eliminon zgjedhën e statorit për të zvogëluar humbjen e hekurit, duke ulur ngarkesën termike duke përmirësuar efikasitetin dhe densitetin e çift rrotullues.

Në përgjithësi, zgjedhja e rotorit për motorët me qendër duhet të balancojë  densitetin e çift rrotullues, aftësinë e zgjatjes së shpejtësisë dhe besueshmërinë . Për kërkesat e shpejtësisë së ulët me çift rrotullues të lartë, preferohen strukturat e montuara në sipërfaqe ose të tipit fole, por nëse nevojitet një gamë e gjerë shpejtësie, tipi i folesë është më i përshtatshëm për shkak të përqendrimit të fluksit dhe aftësisë së tij për dobësimin e fluksit.

2. Lidhjet e robotëve: Kërkesat e dyfishta të kontrollit të inercisë së ulët dhe precizitetit

Lidhjet e robotëve kërkojnë karakteristika dukshëm të ndryshme nga motorët me qendër. Në nyjet e mëdha si ijet, beli dhe këmbët, fuqia e lartë e rrotullimit dhe pesha ekstreme e lehtë janë kërkesat kryesore – krahasuar me motorët tradicionalë radialë, motorët me fluks boshtor në këto skenarë mund të zvogëlojnë zënien e hapësirës me 30%–60% dhe peshën me më shumë se 30%, me disa modele që arrijnë 60%–70%. Në nyjet e vogla si kyçet dhe gishtat, saktësia dhe inercia e ulët bëhen prioritete më të larta.

Raporti çift rrotullues ndaj inercisë  është një parametër kyç i projektimit për motorët e bashkimit të robotëve. Hulumtimet tregojnë se çift rrotullimi i një motori të fluksit aksial është proporcional me kubin e diametrit të rotorit, që do të thotë se prodhimi i çift rrotullues jashtëzakonisht i lartë me shpejtësi të ulët mund të arrihet në hapësirën kompakte të një nyjeje të rrafshuar, ndërsa struktura e hollë e diskut mund të futet drejtpërdrejt në bashkim dhe thjeshton shpërndarjen e nxehtësisë.

Për zgjedhjen e rotorit, nyjet e robotëve u japin përparësi strukturave të montuara në sipërfaqe ose vargjeve Halbach. Struktura e montuar në sipërfaqe, me humbjen e saj të ulët të rotorit dhe momentin e ulët të inercisë, mundëson  reagim më të shpejtë dinamik  - koha e reagimit të përshpejtimit mund të reduktohet nga 15 ms në 5-8 ms, gjë që është thelbësore për lëvizjet e robotëve që kërkojnë nisje/ndalim të shpejtë dhe pozicionim të saktë. Një grup Halbach, përmes një modeli specifik të drejtimit të magnetizimit, rrit fushën magnetike në njërën anë ndërsa pothuajse e anulon atë nga ana tjetër, duke lejuar eliminimin e bërthamës së rotorit dhe reduktimin e mëtejshëm të inercisë dhe humbjeve të rotorit.

Dizajni i qarkut magnetik dhe zgjedhja e materialit me magnet të përhershëm kërkojnë gjithashtu kontroll të saktë. Motorët me fluks boshtor përdorin një plan urbanistik magnetik, i cili shkurton gjatësinë e shtegut magnetik dhe rrit densitetin e çift rrotullues në krahasim me paraqitjen radiale të motorëve tradicionalë të fluksit radial. Gjithashtu, për shkak se nyjet e robotëve shpesh përfshijnë reduktues apo edhe skema kuazi-drejtpërdrejtë (QDD), kërkohet shtrëngim më i lartë dhe stabilitet termik. Kur kostoja lejon, shkallët me shtrëngim të lartë me toka të rënda të rralla si disprosium dhe terbium mund të parandalojnë efektivisht demagnetizimin nga fushat magnetike të kundërta gjatë funksionimit.

Për nyjet miniaturë në diapazonin 16–18 mm, motorët me fluks boshtor të tipit PCB po tregojnë avantazhe unike. Duke përdorur gravurë në vend të mbështjelljeve tradicionale të bakrit, ato ofrojnë qëndrueshmëri të lartë të prodhimit, humbje të ulët të hekurit dhe peshë ekstreme.

3. Propulsioni i dronëve: Sfidat ekstreme të densitetit të fuqisë dhe rezistencës ndaj çmagnetizimit termik

Sistemet e shtytjes së dronëve përballen me një kontradiktë thelbësore:  çdo gram peshë shtesë zvogëlon kohën e fluturimit dhe çdo shkallë e rritjes së temperaturës redukton fuqinë . Të dhënat tregojnë se për një motor me fluks aksial me një raport shtytje-peshë që kalon 25:1, reduktimi i masës me 1 kg mund të rrisë rrezen me rreth 10 km. Prandaj, pesha e lehtë dhe dendësia e lartë e fuqisë janë kriteret kryesore të projektimit për motorët shtytës të dronëve.

Për sa i përket densitetit të fuqisë, motorët me fluks boshtor tregojnë avantazhe dërrmuese në lëvizjen me dron. Dendësia e tyre vëllimore e fuqisë mund të arrijë  14.9 kW/kg , shumë më tepër se ajo e motorëve radialë tradicionalë. Dendësia e matur e fuqisë varion nga  5.8 në 21 kW/kg , me densitet çift rrotullues prej  15 deri në 25 Nm/kg . Sistemi më i fundit i shtytjes me fluks boshtor të serisë 'Yufeng' arrin një densitet të vazhdueshëm fuqie prej 10 Nm/kg dhe një densitet maksimal të çift rrotullues prej 20 Nm/kg, duke e bërë atë të përshtatshëm për shtytje me lëvizje direkte në aeroplanët e avancuar, si p.sh. eVTOL me pilot dhe dronët me krahë të përbërë.

Përtej densitetit të fuqisë, motorët shtytës të dronëve përballen gjithashtu me rrezikun e demagnetizimit në mjedise me temperaturë të lartë. Gjatë fluturimit, motorët funksionojnë me fuqi të lartë për periudha të gjata, duke shkaktuar rritje të shpejtë të temperaturës në mbështjellje dhe magnet të përhershëm. Nëse misionet kryhen në nxehtësinë e verës ose në zonat e shkretëtirës, ​​kombinimi i temperaturës së ambientit dhe vetë-ngrohjes krijon sfida të rënda demagnetizimi për magnetët e përhershëm.

Zgjedhja e materialit të magnetit të përhershëm ndikon drejtpërdrejt në besueshmërinë e temperaturës së lartë të motorëve të dronëve.  Ndër materialet e zakonshme të magnetit të përhershëm, neodymium-hekur-bor (NdFeB) ofron performancën më të lartë magnetike, por notat standarde (seri N) kanë një temperaturë maksimale të funksionimit prej vetëm 80-100°C dhe humbje magnetike të pakthyeshme mund të ndodhin mbi 200°C. Notat NdFeB me shtrëngim të lartë (seri SH, UH, EH, AH) mund të funksionojnë deri në 150-240°C, por stabiliteti i tyre në temperaturë të lartë është ende inferior ndaj samarium-kobaltit (SmCo). Magnetët SmCo mund të funksionojnë në mënyrë të qëndrueshme mbi  300°C , me një temperaturë Curie që tejkalon 720°C dhe vetitë e tyre magnetike ndryshojnë vetëm 1/4–1/3 aq sa NdFeB me temperaturën. Disavantazhet janë produkti pak më i ulët i energjisë magnetike dhe kosto më e lartë. Për dronët e konsumit, NdFeB me performancë të lartë është i mjaftueshëm për shumicën e nevojave; por për dronët industrialë dhe eVTOL me njerëz në kushte të temperaturës së lartë dhe fuqisë së lartë, SmCo – pavarësisht kostos së tij – është një zgjedhje e nevojshme për besueshmëri.

4. Vështrim i shpejtë i llojeve të rotorit: Krahasimi i montimit në sipërfaqe kundrejt të brendshmes

Bazuar në analizën e mësipërme, llojet kryesore të strukturës së rotorit për motorët me fluks boshtor janë përmbledhur në tabelën e mëposhtme:

5. SDM: Një drejtues kyç për rrotulluesit e motorëve me fluks boshtor të montuar në sipërfaqe

Pas analizimit të pikave kryesore të përzgjedhjes së rotorit për tre skenarët kryesorë, arrijmë në një element thelbësor -  aftësinë inxhinierike për magnet të përhershëm me performancë të lartë dhe strukturat e rotorit të montuara në sipërfaqe . Pikërisht këtu qëndrojnë avantazhet teknike të SDM.

SDM është një ndërmarrje kombëtare e teknologjisë së lartë e fokusuar në magnet dhe zgjidhje magnetike, me 16 vjet përvojë në prodhimin profesional të magneteve. Kompania ka një bashkëpunim strategjik me China Aluminium, sipërmarrja më e madhe e minierave të tokës së rrallë në Kinë, duke siguruar një furnizim të qëndrueshëm dhe të sigurt të lëndëve të para të tokës së rrallë. Në të njëjtën kohë, SDM kryen kërkime të thelluara bashkëpunuese me  Akademinë Kineze të Shkencave  dhe punon me klientët në analizën e elementeve të fundme (FEA), duke ofruar mbështetje të saktë simulimi që nga fillimi i projektimit të qarkut magnetik, duke shkurtuar kështu ciklet e zhvillimit dhe duke reduktuar kostot e provës dhe gabimit.

Në fushën e rotorëve të motorëve me fluks boshtor të montuar në sipërfaqe, SDM ofron avantazhe sistematike të prodhimit dhe projektimit:

Së pari, një sistem i plotë prodhimi me çertifikime të nivelit të lartë.  Kompania mban IATF 16949 (sistemi i menaxhimit të cilësisë së automobilave), ka mbajtur një rekord me zero defekte (0 PPM) si furnizues i nivelit 2 të General Motors që nga viti 2010, dhe gjithashtu zotëron ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, gjurmë karboni dhe çertifikata BSCI. Produktet e saj përputhen me kërkesat e testimit RoHS, REACH dhe SGS. Kjo do të thotë që çdo grup magnetësh të përhershëm i nënshtrohet një kontrolli rigoroz të cilësisë, nga gjurmueshmëria e lëndëve të para deri te dërgimi i produktit të përfunduar.

Së dyti, teknologjia e pjekur e procesit të integruar për strukturat e rotorit të montuar në sipërfaqe.  Në një motor me fluks boshtor, një disk i rotorit të magnetit të përhershëm i montuar në sipërfaqe duhet të zgjidhë njëkohësisht tre vështirësi të mëdha inxhinierike:  fiksimin e magneteve me forcë të lartë, qëndrueshmëri gjatë funksionimit me shpejtësi të lartë dhe prodhim/montim . SDM ofron opsione të ndryshme materiale magnetike, duke përfshirë notat NdFeB me shtrëngim të lartë dhe seritë SmCo. Ai përdor një kombinim të pllakave/kornizave të fiksimit të polimerit me humbje të ulët dhe me rezistencë të lartë, hekura mbështetëse të rotorit dhe mëngët mbajtëse të fibrave të karbonit për të siguruar pozicionim të besueshëm të magnetit nën funksionimin me shpejtësi të lartë, duke minimizuar humbjet e rrymës vorbulle të rotorit. Kjo zgjidhje ka vërtetuar avantazhet e saj gjithëpërfshirëse të humbjes së ulët të rotorit, forcës së lartë strukturore dhe procesueshmërisë së mirë të montimit.

Së treti, një ekip teknik i nivelit të lartë që mbështet personalizimin e nivelit të lartë.  Ekipi teknik, i ndërtuar nga  ekspertë të materialeve magnetike nga Akademia Kineze e Shkencave , përfshin 2 doktoratura, 5 titullarë master, 8 inxhinierë të lartë dhe më shumë se 80 personel inxhinierik dhe teknik. Kompania ka krijuar një qendër komunale K&Zh dhe një stacion pune pas doktoraturës. Kështu, SDM jo vetëm që mund të prodhojë magnete konvencionale, por gjithashtu të ofrojë zgjidhje teknike të procesit të plotë për kërkesat aktuale të qarkut magnetik në kushte të ndryshme pune (motoret e shpërndarësit, nyjet e robotëve, shtytja e dronëve), duke përfshirë përzgjedhjen e shkallës së magnetit (notat NdFeB N/M/UH me shtrëngim ultra të lartë, SmCo5 / Sm-Co-₇, seritë e temperaturës së simulimit dhe demagnitizim.

Së katërti, bashkëpunimi industri-universitet-kërkim dhe portofol i gjerë i produkteve.  SDM mban marrëdhënie bashkëpunuese me Institutin Ningbo të Teknologjisë dhe Inxhinierisë së Materialeve (CAS) dhe Universitetin Jugperëndimor Jiaotong, duke ndjekur vazhdimisht përparimet në materialet magnetike. Gama e produkteve të saj mbulon statorët dhe rotorët me mikro-motor, motorë maglev, sensorë, zgjidhës, izolatorë optikë, magnet të përhershëm dhe komponentë magnetikë të butë, duke ofruar mbështetje materiale magnetike me një ndalesë për dizajnet e motorëve në industri të ndryshme.

konkluzioni

Me strukturën e tij të rrafshuar dhe densitetin transformues të fuqisë, motori i fluksit boshtor po ripërcakton arkitekturën e fuqisë së automjeteve elektrike, robotëve humanoidë dhe avionëve në lartësi të ulët. Në këtë garë teknologjike të përqendruar te 'densiteti i rrotullimit' dhe 'peshimi i lehtë', dizajni i strukturës së rotorit dhe cilësia e materialeve të magnetit të përhershëm vendosin kufirin e poshtëm, ndërsa struktura e montuar në sipërfaqe - me  dizajnin e saj të thjeshtë, reagimin e shpejtë dinamik dhe densitetin e lartë të çift  rrotullues - zë një pozicion të pazëvendësueshëm në lidhjet e robotëve, në lidhjet me shpejtësi të ulët dhe me shpejtësi të ulët, me shpejtësi të lartë dhe me shpejtësi të ulët, aplikime të tjera me shpejtësi të ulët.

Nga optimizimi i saktë i topologjisë së qarkut magnetik deri te dizajni i qëndrueshmërisë në temperaturë të lartë të materialeve me magnet të përhershëm, vetëm duke zotëruar zinxhirin e plotë të teknologjisë së materialit bazë dhe proceset e prodhimit të rotorit mund të krijohet një hendek i vërtetë në konkurrencën e ashpër të tregut. SDM, me kredencialet e saj si një ndërmarrje kombëtare e teknologjisë së lartë, 16 vjet përvojë të akumuluar në magnete të përhershëm, mbështetje teknike nga një ekip ekspertësh të ndërtuar nga CAS dhe një sistem sistematik të menaxhimit të cilësisë, ofron një bazë solide për besueshmërinë e lartë dhe performancën e lartë të rotorëve të motorëve me fluks boshtor të montuar në sipërfaqe. Pavarësisht nëse është sfida e shpejtësisë së gjerë të motorëve shpërndarës, kërkesat e kontrollit me saktësi të ulët të inercisë së nyjeve të robotëve, ose kërkesat ekstreme për densitetin e fuqisë dhe rezistencën e demagnetizimit në shtytjen e dronëve, SDM ofron zgjidhje inxhinierike të procesit të plotë nga materialet tek simulimi - pikërisht forca lëvizëse e domosdoshme që lëviz nga aplikimi aksial në fluks motorik në shkallë të gjerë.