Кључне тачке за избор ротора мотора са аксијалним флуксом под различитим радним условима – мотори главчине, зглобови робота, погон дрона

Увод: Промена парадигме са 'Цилиндар' на 'Диск'

Када људи размишљају о електричним моторима, већина замишља дугачак цилиндар где статор затвара ротор, а магнетно поље се шири радијално. Међутим, мотор који пркоси овом конвенционалном облику покреће нову технолошку револуцију - аксијални флукс мотор . Компримује статор и ротор у скоро раван диск, компактан као сендвич колачић.

Срж ове спљоштене револуције лежи у фундаменталној промени смера магнетне путање. У традиционалном мотору радијалног флукса, магнетно поље зрачи напоље од осе; у мотору са аксијалним флуксом, магнетно поље тече паралелно са осом, са статором и ротором окренутим један према другом у распореду диска. Ова промена доноси запањујуће предности у перформансама:  са истом употребом материјала, обртни момент мотора аксијалног флукса је пропорционалан куби пречника ротора (док је за традиционални радијални мотор само квадрат пречника), постижући повећање густине обртног момента од 2-3 пута и ефикасност која прелази 96%.  У исто време, његова аксијална дужина је само 1/3 до 1/2 од конвенционалног мотора, са запремином смањеном за више од 50% и тежином смањеном за приближно 40%–50% под истом снагом.

Кључ за постизање тако велике густине снаге и густине обртног момента у моторима са аксијалним флуксом лежи у генијалном дизајну структуре ротора. Различити сценарији примене намећу различите захтеве за перформансама, а избор структуре магнетног кола ротора, материјала перманентног магнета и топологије често директно одређују да ли мотор може у потпуности да оствари своје предности. Овај чланак почиње са три типична сценарија примене – мотори главчине, зглобови робота и погон дронова – и систематски анализира кључне тачке избора ротора.

1. Мотори главчине: компромис између густине обртног момента и широког опсега брзине

Мотори главчине су уграђени унутар наплатка точка, где је простор изузетно ограничен – ово је примарно ограничење дизајна. Они морају истовремено да обезбеде високу густину обртног момента (за стартовање и пењање), широк распон брзина (од пузања при малој брзини до крстарења великом брзином) и добру способност одвођења топлоте.

Што се тиче избора структуре ротора, мотори са главчином обично користе  површинске и жбице (унутрашње) типове , сваки са различитим приоритетима дизајна. Површински монтирани перманентни магнети су директно причвршћени на површину језгра ротора, нудећи једноставну структуру, високу густину флукса у ваздушном зазору и погодност за апликације које теже максималној густини снаге. Међутим, велика брзина ротације ротора великог пречника генерише огромну центрифугалну силу, која захтева чауру за причвршћивање магнета на површини. Ово захтева немагнетне материјале високе чврстоће, а сам рукав повећава ваздушни зазор, чиме се смањује излаз.

Трајни магнети типа кракова (унутрашњи) су уграђени унутар ротора. Кроз концентрацију флукса, они значајно побољшавају густину обртног момента и способност проширења брзине за смањење флукса. На пример, СТАФ-ПМСМ мотор са главчином типа кракова који је дизајнирао Универзитет Јиангсу користи структуру са двоструким ротором да повећа подручје побуде ваздушног процепа, постижући побуду концентрације флукса. Пружа максимални обртни момент од 280 Н·м и максималну снагу од 15 кВ, што га чини погодним за возила нове енергије са дистрибуираним погоном на точкове. Штавише, унутрашња структура ефикасно штити трајне магнете од директног излагања високој температури и механичким ударима, превазилазећи ризик од одвајања магнета са којим се типови који се налазе на површини суочавају при великим брзинама.

Управљање топлотом је још један кључни изазов за моторе са главчином. У раду велике снаге, електромагнетни губици су концентрисани и услови хлађења су лоши. Ово захтева прецизно термичко моделирање засновано на анализи губитака да би се постигло ефикасно хлађење. Тренутно, мотор са аксијалним флуксом са два статора и једним ротором (АФИР) побољшава густину снаге повећањем електричног оптерећења са два статора, док мотор аксијалног флукса без јарма (ИАСА) елиминише јарам статора како би смањио губитак гвожђа, снизивши топлотно оптерећење уз побољшање ефикасности и густине обртног момента.

Све у свему, избор ротора за моторе са главчином мора уравнотежити  густину обртног момента, могућност проширења брзине и поузданост . За потребе малих брзина са високим обртним моментом, пожељне су конструкције које се постављају на површину или конструкције типа кракова, али ако је потребан широк опсег брзине, тип кракова је прикладнији због своје концентрације флукса и способности слабљења флукса.

2. Зглобови робота: Двоструки захтеви ниске инерције и контроле прецизности

Зглобови робота захтевају изразито различите карактеристике од мотора са главчином. У великим зглобовима као што су кукови, струкови и ноге, високи обртни момент и екстремна тежина су основни захтеви – у поређењу са традиционалним радијалним моторима, мотори са аксијалним флуксом у овим сценаријима могу смањити заузетост простора за 30%–60% и тежину за више од 30%, при чему неки дизајни достижу 60%–70%. У малим зглобовима као што су ручни зглобови и прсти, прецизност и ниска инерција постају већи приоритет.

Однос обртног момента и инерције  је кључни параметар дизајна за зглобне моторе робота. Истраживања показују да је обртни момент аксијалног флукс мотора пропорционалан коцки пречника ротора, што значи да се у компактном простору спљоштеног споја може постићи екстремно висок излазни обртни момент при малим брзинама, док се структура танког диска може уградити директно у спој и поједностављује дисипацију топлоте.

За избор ротора, спојеви робота дају предност површински монтираним структурама или Халбацх низовима. Површинска конструкција, са малим губицима ротора и малим моментом инерције, омогућава  бржи динамички одговор  – време одзива убрзања се може смањити са 15 мс на 5–8 мс, што је кључно за покрете робота који захтевају брзо покретање/заустављање и прецизно позиционирање. Халбацх низ, кроз специфичан образац правца магнетизације, појачава магнетно поље на једној страни док га скоро поништава са друге, омогућавајући елиминацију језгра ротора и даље смањење инерције и губитака ротора.

Дизајн магнетног кола и избор материјала трајног магнета такође захтевају прецизну контролу. Мотори са аксијалним флуксом користе прстенасти распоред магнета, који скраћује дужину магнетне путање и повећава густину обртног момента у поређењу са радијалним распоредом традиционалних мотора са радијалним флуксом. Такође, пошто роботски зглобови често укључују редукторе или чак шеме квази-директног погона (КДД), потребна је већа коерцитивност и термичка стабилност. Када то трошкови дозвољавају, висококоерцитивни разреди са тешким ретким земљиштима као што су диспрозијум и тербијум могу ефикасно спречити демагнетизацију од обрнутих магнетних поља током рада.

За минијатурне спојеве у опсегу 16–18 мм, мотори са аксијалним флуксом типа ПЦБ показују јединствене предности. Користећи јеткање уместо традиционалних бакарних намотаја, они нуде високу конзистентност производње, мали губитак гвожђа и екстремну лагану тежину.

3. Погон дронова: екстремни изазови густине снаге и отпорности на термичку демагнетизацију

Погонски системи дронова суочавају се са фундаменталном контрадикцијом:  сваки додатни грам тежине смањује време лета, а сваки степен пораста температуре смањује снагу . Подаци показују да за мотор са аксијалним флуксом са односом потиска и тежине већим од 25:1, смањење масе за 1 кг може повећати домет за око 10 км. Због тога су мала тежина и велика густина снаге примарни критеријуми дизајна за погонске моторе дронова.

У погледу густине снаге, мотори са аксијалним флуксом показују огромне предности у погону дронова. Њихова запреминска густина снаге може да достигне  14,9 кВ/кг , што је далеко више него код традиционалних радијалних мотора. Измерене густине снаге се крећу од  5,8 до 21 кВ/кг , са густином обртног момента од  15 до 25 Нм/кг . Најновији погонски систем „Иуфенг“ Т-серије аксијалног флукса постиже континуирану густину снаге од 10 Нм/кг и вршну густину обртног момента од 20 Нм/кг, што га чини веома погодним за погон са директним погоном у напредним авионима као што су еВТОЛ са посадом и дронови са сложеним крилима.

Поред густине снаге, погонски мотори дронова такође се суочавају са ризиком од демагнетизације у окружењима са високим температурама. Током лета, мотори раде великом снагом током дужег периода, узрокујући брз пораст температуре у намотајима и трајним магнетима. Ако се мисије спроводе у летњим врућинама или пустињским подручјима, комбинација температуре околине и самозагревања ствара озбиљне изазове демагнетизације за трајне магнете.

Избор материјала са трајним магнетом директно утиче на поузданост мотора дронова на високим температурама.  Међу уобичајеним материјалима са трајним магнетом, неодимијум-гвожђе-бор (НдФеБ) нуди највеће магнетне перформансе, али стандардне класе (Н серија) имају максималну радну температуру од само 80–100°Ц, а неповратни губитак магнета може да се јави изнад 200°Ц. Висококоерцитивни НдФеБ разреди (СХ, УХ, ЕХ, АХ серије) могу да раде до 150–240°Ц, али је њихова стабилност на високим температурама и даље инфериорна у односу на самаријум-кобалт (СмЦо). СмЦо магнети могу да раде стабилно изнад  300°Ц , са Киријевом температуром која прелази 720°Ц, а њихова магнетна својства варирају само 1/4–1/3 колико НдФеБ са температуром. Недостаци су нешто нижи производ магнетне енергије и већа цена. За потрошачке дронове, НдФеБ високих перформанси је довољан за већину потреба; али за индустријске беспилотне летелице и еВТОЛ са посадом у условима високе температуре и велике снаге, СмЦо – упркос својој цени – је неопходан избор за поузданост.

4. Брзи преглед типова ротора: Поређење површински монтираних у односу на унутрашње

На основу горње анализе, главни типови структуре ротора за моторе са аксијалним флуксом су сумирани у следећој табели:

5. СДМ: Кључни покретач за површински монтиране аксијалне роторе мотора

Након анализе кључних тачака избора ротора за три главна сценарија, долазимо до основног елемента –  инжењерске способности за перманентне магнете високих перформанси и површински монтиране структуре ротора . Управо у томе леже техничке предности СДМ-а.

СДМ је национално високотехнолошко предузеће фокусирано на магнете и магнетна решења, са 16 година искуства у професионалној производњи магнета. Компанија има стратешку сарадњу са Цхина Алуминиум, највећим предузећем за рударство ретких земаља у Кини, обезбеђујући стабилно и сигурно снабдевање сировинама ретких земаља. Истовремено, СДМ спроводи дубинско сарадничко истраживање са  Кинеском академијом наука  и ради са клијентима на анализи коначних елемената (ФЕА), пружајући тачну симулацијску подршку од самог почетка дизајна магнетних кола, чиме се скраћују циклуси развоја и смањују трошкови покушаја и грешака.

У области површински монтираних ротора мотора са аксијалним флуксом, СДМ нуди систематске предности у производњи и дизајну:

Прво, комплетан производни систем са сертификатима високог нивоа.  Компанија поседује ИАТФ 16949 (систем управљања квалитетом у аутомобилској индустрији), одржава рекорд без кварова (0 ППМ) као Тиер-2 добављач за Генерал Моторс од 2010. године, а такође поседује ИСО 9001, ИСО 14001, ИСО 45001, карбонски отисак и БСЦИ сертификате. Његови производи су у складу са РоХС, РЕАЦХ и СГС захтевима за тестирање. То значи да свака серија трајних магнета пролази кроз ригорозну контролу квалитета, од следљивости сировина до испоруке готовог производа.

Друго, зрела интегрисана процесна технологија за површински монтиране роторске структуре.  У мотору са аксијалним флуксом, површински монтирани диск ротора са перманентним магнетом мора истовремено да реши три главне инжењерске потешкоће:  фиксирање магнета велике чврстоће, стабилност при раду при великим брзинама и могућност израде/монтаже . СДМ пружа различите опције магнетног материјала, укључујући висококоерцитивне НдФеБ разреде и СмЦо серију. Користи комбинацију плоча за пресовање од полимера високе чврстоће/причврсних рамова са малим губицима, држача ротора и чаура од угљеничних влакана како би се обезбедило поуздано позиционирање магнета при раду велике брзине, док се губици вртложне струје ротора минимизирају. Ово решење је доказало своје свеобухватне предности малих губитака ротора, високе структурне чврстоће и добре обрадивости монтаже.

Треће, врхунски технички тим који подржава врхунско прилагођавање.  Технички тим, који су изградили  стручњаци за магнетне материјале из Кинеске академије наука , укључује 2 доктора наука, 5 магистара, 8 виших инжењера и више од 80 инжењера и техничког особља. Компанија је основала општински центар за истраживање и развој и постдокторску радну станицу. Дакле, СДМ не само да може да производи конвенционалне магнете, већ и да обезбеди техничка решења целог процеса за стварне захтеве магнетног кола у различитим радним условима (мотори чворишта, зглобови робота, погон дронова), укључујући избор степена магнета (ултра-висока коерцитивност НдФеБ Н/М/УХ разреда, СмЦо5 / См-Цо-₇ серија), израчунавање маргине температуре демаг и финитна серија елемената.

Четврто, сарадња између индустрије, универзитета и истраживања и широк портфолио производа.  СДМ одржава кооперативне односе са Нингбо институтом за технологију материјала и инжењеринг (ЦАС) и Универзитетом Југозапад Јиаотонг, континуирано пратећи напредак у области магнетних материјала. Његов асортиман производа обухвата статоре и роторе за микромоторе, магнетне моторе, сензоре, резолвере, оптичке изолаторе, перманентне магнете и меке магнетне компоненте, пружајући свеобухватну подршку магнетним материјалима за дизајн мотора у различитим индустријама.

Закључак

Са својом спљоштеном структуром и трансформативном густином снаге, мотор аксијалног флукса редефинише архитектуру снаге електричних возила, хуманоидних робота и авиона на малим висинама. У овој технолошкој трци усредсређеној на „густину обртног момента“ и „олакшавање“, дизајн структуре ротора и квалитет материјала са трајним магнетима постављају доњу границу, док површинска конструкција – са својим  једноставним дизајном, брзим динамичким одзивом и великом густином обртног момента  – заузима незаменљиву позицију у зглобовима робота, малим брзинама, погонима мале брзине, високим обртним моментом и другим захтевима за погон са високим обртним моментом.

Од прецизне оптимизације топологије магнетног кола до високотемпературног стабилног дизајна трајних магнетних материјала, само савладавањем комплетног ланца технологије материјала језгра и процеса производње ротора може се успоставити прави јарак у жестокој тржишној конкуренцији. СДМ, са својим акредитивима као национално високотехнолошко предузеће, 16 година акумулираног искуства у перманентним магнетима, техничком подршком стручног тима који је изградио ЦАС, и систематским системом управљања квалитетом, пружа чврсту основу за високу поузданост и високе перформансе површински монтираних ротора мотора са аксијалним флуксом. Било да се ради о изазову широког опсега брзине мотора са главчином, захтевима ниске инерције за прецизном контролом зглобова робота или екстремним захтевима за густином снаге и отпором на демагнетизацију у погону дронова, СДМ нуди инжењерска решења целог процеса од материјала до симулације – управо незаменљива покретачка сила која се креће од примене флукса мотора великих размера на аксијалну радну снагу.