Nyckelpunkter för val av axialflödesmotorrotor under olika driftsförhållanden – navmotorer, robotleder, drönarframdrivning

Introduktion: Paradigmskifte från 'Cylinder' till 'Disc'

När människor tänker på elmotorer föreställer sig de flesta en lång cylinder där statorn omsluter rotorn och magnetfältet fortplantar sig radiellt. Men en motor som trotsar denna konventionella form driver en ny teknisk revolution – den axialflödesmotor . Den komprimerar statorn och rotorn till en nästan platt skiva, lika kompakt som en smörgåskaka.

Kärnan i denna utplattande revolution ligger i en fundamental förändring i magnetisk vägriktning. I en traditionell radiell flödesmotor strålar magnetfältet utåt från axeln; i en axialflödesmotor löper magnetfältet parallellt med axeln, med stator och rotor vända mot varandra i ett skivarrangemang. Denna förändring ger häpnadsväckande prestandafördelar:  med samma materialanvändning är vridmomentet för en axialflödesmotor proportionell mot rotordiameterns kub (medan det för en traditionell radialmotor bara är kvadraten på diametern), vilket uppnår en vridmomentdensitetsökning på 2–3 gånger och verkningsgrad som överstiger 96 %.  Samtidigt är dess axiella längd endast 1/3 till 1/2 av en konventionell motor, med volym minskad med mer än 50 % och vikt minskad med cirka 40 %–50 % under samma effekt.

Nyckeln till att uppnå så hög effekttäthet och vridmomentdensitet i axialflödesmotorer ligger i den geniala designen av rotorstrukturen. Olika tillämpningsscenarier ställer distinkta prestandakrav, och valet av rotormagnetisk kretsstruktur, permanentmagnetmaterial och topologi avgör ofta direkt om motorn till fullo kan realisera sina fördelar. Den här artikeln börjar med tre typiska tillämpningsscenarier – navmotorer, robotleder och drönarframdrivning – och analyserar systematiskt kärnpunkterna för val av rotor.

1. Navmotorer: Avvägning mellan vridmomentdensitet och brett hastighetsområde

Navmotorer är installerade inuti hjulfälgen, där utrymmet är extremt begränsat – detta är den primära designbegränsningen. De måste samtidigt ge hög vridmomentdensitet (för start och klättring), ett brett hastighetsområde (från låghastighetskrypning till höghastighetscruising) och god värmeavledningsförmåga.

När det gäller val av rotorstruktur använder navmotorer vanligtvis  ytmonterade och ekertyper (interiör) , var och en med olika designprioriteringar. Ytmonterade permanentmagneter är direkt fästa på ytan av rotorkärnan, och erbjuder en enkel struktur, hög luftgapflödestäthet och lämplighet för applikationer som strävar efter ultimat effekttäthet. Höghastighetsrotation av en rotor med stor diameter genererar emellertid enorm centrifugalkraft, vilket kräver en hållarhylsa för att säkra de ytmonterade magneterna. Detta kräver höghållfasta icke-magnetiska material, och själva hylsan ökar luftgapet och minskar därmed uteffekten.

Ekertyp (invändig) permanentmagneter är inbäddade i rotorn. Genom flödeskoncentration förbättrar de avsevärt vridmomentdensiteten och flödesförsvagande hastighetsförlängningsförmåga. Till exempel använder STAF-PMSM-navmotorn av ekertyp designad av Jiangsu University en dubbelrotorstruktur för att öka luftgapets exciteringsarea, vilket uppnår excitation av flödeskoncentration. Den levererar ett maximalt vridmoment på 280 N·m och en maximal effekt på 15 kW, vilket gör den lämplig för distribuerade inhjulsdrivna nya energifordon. Dessutom skyddar den inre strukturen effektivt permanentmagneterna från direkt exponering för hög temperatur och mekanisk påverkan, vilket övervinner risken för magnetlossning som ytmonterade typer möter vid höga hastigheter.

Termisk hantering är en annan kärnutmaning för navmotorer. Vid drift med hög effekt koncentreras elektromagnetiska förluster och kylförhållandena är dåliga. Detta kräver noggrann termisk modellering baserad på förlustanalys för att uppnå effektiv kylning. För närvarande förbättrar axialflödesmotorn med dubbla statorer (AFIR) effekttätheten genom att öka den elektriska belastningen med två statorer, medan den oklösa axialflödesmotorn (YASA) eliminerar statoroket för att minska järnförlusten, sänka den termiska belastningen samtidigt som effektiviteten och vridmomentdensiteten förbättras.

Sammantaget måste rotorval för navmotorer balansera  vridmomentdensitet, hastighetsförlängningsförmåga och tillförlitlighet . För låghastighetskrav med högt vridmoment är ytmonterade strukturer eller strukturer av ekertyp att föredra, men om ett brett hastighetsområde behövs är ekertypen mer lämplig på grund av dess flödeskoncentration och flödesförsvagande förmåga.

2. Robotkopplingar: Dubbla krav på låg tröghet och precisionskontroll

Robotskarvar kräver tydligt olika egenskaper från navmotorer. I stora leder som höfter, midjor och ben är högt vridmoment och extrem lättvikt kärnkraven – jämfört med traditionella radialmotorer kan axialflödesmotorer i dessa scenarier minska utrymmesbeläggningen med 30 %–60 % och vikten med mer än 30 %, med vissa konstruktioner som når 60 %–70 %. I små leder som handleder och fingrar blir precision och låg tröghet högre prioritet.

Vridmoment-till-tröghetsförhållande  är en nyckeldesignparameter för robotledmotorer. Forskning visar att vridmomentet för en axiell flödesmotor är proportionell mot kuben av rotordiametern, vilket innebär att extremt högt vridmoment vid låg hastighet kan uppnås i det kompakta utrymmet av en tillplattad fog, medan den tunna skivstrukturen kan bäddas in direkt i fogen och förenklar värmeavledning.

För val av rotor prioriterar robotskarvar ytmonterade strukturer eller Halbach-matriser. Den ytmonterade strukturen, med sin låga rotorförlust och låga tröghetsmoment, möjliggör  snabbare dynamisk respons  – accelerationssvarstiden kan reduceras från 15 ms till 5–8 ms, vilket är avgörande för robotrörelser som kräver snabb start/stopp och exakt positionering. En Halbach-matris, genom ett specifikt magnetiseringsriktningsmönster, förstärker magnetfältet på ena sidan medan det nästan upphäver det på den andra, vilket möjliggör eliminering av rotorkärnan och ytterligare minskar rotorns tröghet och förluster.

Magnetisk kretsdesign och val av permanentmagnetmaterial kräver också exakt kontroll. Axiella flödesmotorer använder en ringformig magnetlayout, som förkortar den magnetiska väglängden och ökar vridmomentdensiteten jämfört med den radiella layouten för traditionella radiella flödesmotorer. Eftersom robotleder ofta inkluderar reducerare eller till och med quasi-direct drive (QDD)-scheman, krävs högre koercitivitet och termisk stabilitet. När kostnaden tillåter kan högkoercitivitetsgrader med tunga sällsynta jordartsmetaller som dysprosium och terbium effektivt förhindra avmagnetisering från omvända magnetfält under drift.

För miniatyrskarvar i intervallet 16–18 mm uppvisar axialflödesmotorer av PCB-typ unika fördelar. Genom att använda etsning istället för traditionella kopparlindningar erbjuder de hög tillverkningskonsistens, låg järnförlust och extrem lättvikt.

3. Drönarframdrivning: Extrema utmaningar med effekttäthet och motstånd mot termisk avmagnetisering

Drönarframdrivningssystem står inför en grundläggande motsägelse:  varje extra gram vikt minskar flygtiden, och varje grad av temperaturhöjning minskar effekten . Data visar att för en axiell flödesmotor med ett dragkraft-till-viktförhållande som överstiger 25:1, kan en minskning av massan med 1 kg öka räckvidden med cirka 10 km. Därför är lättvikt och hög effekttäthet de primära designkriterierna för drönarframdrivningsmotorer.

När det gäller effekttäthet visar axialflödesmotorer överväldigande fördelar i drönarframdrivning. Deras volymetriska effekttäthet kan nå  14,9 kW/kg , vilket vida överstiger traditionella radialmotorer. Uppmätta effekttätheter sträcker sig från  5,8 till 21 kW/kg , med vridmomentdensiteter på  15 till 25 Nm/kg . Det senaste 'Yufeng' T-seriens axialflödesframdrivningssystem uppnår en kontinuerlig effekttäthet på 10 Nm/kg och en toppvridmomentdensitet på 20 Nm/kg, vilket gör den väl lämpad för direktdriven framdrivning i avancerade flygplan som bemannade eVTOL och sammansatta vingdrönare.

Utöver effekttätheten riskerar drönarframdrivningsmotorer också risken för avmagnetisering i högtemperaturmiljöer. Under flygning arbetar motorer med hög effekt under längre perioder, vilket orsakar snabb temperaturökning i lindningar och permanentmagneter. Om uppdrag utförs i sommarvärme eller ökenområden skapar kombinationen av omgivningstemperatur och självuppvärmning allvarliga avmagnetiseringsutmaningar för permanentmagneterna.

Val av permanentmagnetmaterial påverkar direkt drönarmotorernas höga temperaturtillförlitlighet.  Bland vanliga permanentmagnetmaterial erbjuder neodym-järn-bor (NdFeB) den högsta magnetiska prestandan, men standardkvaliteter (N-serien) har en maximal driftstemperatur på endast 80–100°C, och irreversibel magnetisk förlust kan uppstå över 200°C. NdFeB-kvaliteter med hög koercitivitet (SH, UH, EH, AH-serien) kan arbeta upp till 150–240°C, men deras stabilitet vid höga temperaturer är fortfarande sämre än samarium-kobolt (SmCo). SmCo-magneter kan fungera stabilt över  300°C , med en Curie-temperatur som överstiger 720°C, och deras magnetiska egenskaper varierar endast 1/4–1/3 så mycket som NdFeB med temperaturen. Nackdelarna är något lägre magnetisk energiprodukt och högre kostnad. För konsumentdrönare är högpresterande NdFeB tillräckligt för de flesta behov; men för industriella drönare och bemannad eVTOL under hög temperatur och hög effekt, är SmCo – trots sin kostnad – ett nödvändigt val för tillförlitlighet.

4. Snabböversikt av rotortyper: Jämförelse av ytmonterad vs. interiör

Baserat på ovanstående analys sammanfattas huvudrotorstrukturtyperna för axialflödesmotorer i följande tabell:

5. SDM: En nyckeldrivrutin för ytmonterade axialflödesmotorrotorer

Efter att ha analyserat nyckelrotorvalspunkterna för de tre stora scenarierna kommer vi fram till ett kärnelement –  ​​ingenjörsförmågan för högpresterande permanentmagneter och ytmonterade rotorstrukturer . Det är just här SDM:s tekniska fördelar ligger.

SDM är ett nationellt högteknologiskt företag fokuserat på magneter och magnetiska lösningar, med 16 års erfarenhet av professionell magnetproduktion. Företaget har ett strategiskt samarbete med China Aluminium, det största gruvföretaget för sällsynta jordartsmetaller i Kina, vilket säkerställer en stabil och säker tillgång på råvaror för sällsynta jordartsmetaller. Samtidigt bedriver SDM djupgående samarbetsforskning med den  kinesiska vetenskapsakademin  och arbetar med kunder på finita elementanalys (FEA), vilket ger exakt simuleringsstöd redan från början av magnetkretsdesign, vilket förkortar utvecklingscyklerna och minskar trial-and-error-kostnaderna.

Inom området för ytmonterade axialflödesmotorrotorer erbjuder SDM systematiska tillverknings- och designfördelar:

För det första ett komplett produktionssystem med certifieringar på hög nivå.  Företaget innehar IATF 16949 (kvalitetsledningssystem för bilar), har upprätthållit ett rekord med nolldefekter (0 PPM) som Tier-2-leverantör till General Motors sedan 2010, och har även ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, koldioxidavtryck och BSCI-certifieringar. Dess produkter uppfyller RoHS-, REACH- och SGS-testkraven. Detta innebär att varje parti permanentmagneter genomgår rigorös kvalitetskontroll, från spårbarhet av råvaror till leverans av färdig produkt.

För det andra mogen integrerad processteknik för ytmonterade rotorstrukturer.  I en axialflödesmotor måste en ytmonterad rotorskiva med permanentmagnet samtidigt lösa tre stora tekniska svårigheter:  höghållfast fixering av magneter, stabilitet under höghastighetsdrift och tillverkningsbarhet/montering . SDM tillhandahåller olika magnetiska materialalternativ, inklusive NdFeB-kvaliteter med hög koercitivitet och SmCo-serier. Den använder en kombination av lågförluster, höghållfasta polymerpressplattor/fixeringsramar, rotorstödjärn och kolfiberhållarhylsor för att säkerställa tillförlitlig magnetpositionering under höghastighetsdrift, samtidigt som rotorns virvelströmsförluster minimeras. Denna lösning har bevisat sina omfattande fördelar med låg rotorförlust, hög strukturell hållfasthet och god bearbetbarhet vid montering.

För det tredje, ett tekniskt team på toppnivå som stödjer avancerad anpassning.  Det tekniska teamet, byggt av  experter på magnetiska material från den kinesiska vetenskapsakademin , inkluderar 2 doktorer, 5 innehavare av magisterexamen, 8 seniora ingenjörer och mer än 80 ingenjörer och teknisk personal. Företaget har etablerat ett kommunalt FoU-center och en postdoktoral arbetsstation. Sålunda kan SDM inte bara producera konventionella magneter utan också tillhandahålla tekniska lösningar i hela processen för faktiska magnetiska kretskrav under olika arbetsförhållanden (navmotorer, robotleder, drönarframdrivning), inklusive val av magnetkvalitet (ultra-hög koercivitet NdFeB N/M/UH-kvaliteter, SmCo5 / Sm-Co-₇-serier), beräkning av avmagnetiseringstemperaturelement och ändlig marginal.

För det fjärde, industri-universitet-forskning samarbete och bred produktportfölj.  SDM upprätthåller samarbetsrelationer med Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (CAS) och Southwest Jiaotong University, och spårar kontinuerligt framsteg inom magnetiska material. Dess produktsortiment omfattar mikromotorstatorer och -rotorer, maglev-motorer, sensorer, resolvers, optiska isolatorer, permanentmagneter och mjuka magnetiska komponenter, vilket ger ett enda magnetiskt materialstöd för motorkonstruktioner inom olika industrier.

Slutsats

Med sin tillplattade struktur och transformativa effekttäthet omdefinierar den axiella flödesmotorn kraftarkitekturen för elfordon, humanoida robotar och flygplan på låg höjd. I denna teknologitävling centrerad på 'vridmomentdensitet' och 'lättvikt', sätter rotorstrukturens design och kvaliteten på permanentmagnetmaterial den nedre gränsen, medan den ytmonterade strukturen – med sin  enkla design, snabba dynamiska respons och höga vridmomentdensitet  – intar en oersättlig position i robotleder, låghastighets högt vridmoment och lågeffektiva navdrifter och andra applikationsnavdrifter.

Från exakt optimering av magnetkretsens topologi till högtemperaturstabilitetsdesign av permanentmagnetmaterial, endast genom att bemästra hela kedjan av kärnmaterialteknologi och rotortillverkningsprocesser kan en sann vallgrav etableras i den hårda konkurrensen på marknaden. SDM, med sina meriter som ett nationellt högteknologiskt företag, 16 års samlad erfarenhet av permanentmagneter, teknisk support från ett CAS-byggt expertteam och ett systematiskt kvalitetsledningssystem, ger en solid grund för den höga tillförlitligheten och höga prestanda hos ytmonterade axialflödesmotorrotorer. Oavsett om det är navmotorers stora hastighetsutmaning, kraven på precisionskontroll med låg tröghet hos robotleder eller de extrema kraven på effekttäthet och avmagnetiseringsmotstånd i drönarframdrivning, erbjuder SDM fullprocesstekniska lösningar från material till simulering – precis den oumbärliga drivkraften som flyttar axialflödesmotorer till storskaliga tillämpningar i laboratorier.