Pointi Muhimu kwa Uteuzi wa Rota ya Axial Flux Chini ya Masharti Tofauti ya Uendeshaji - Motors za Hub, Viungo vya Roboti, Uendeshaji wa Drone

Utangulizi: Shift Paradigm kutoka 'Silinda' hadi 'Disc'

Watu wanapofikiria injini za umeme, wengi hufikiria silinda ndefu ambapo stator hufunga rota na uga wa sumaku hueneza kwa radially. Hata hivyo, motor ambayo inapinga sura hii ya kawaida inaendesha mapinduzi mapya ya teknolojia - the axial flux motor . Inabana stator na rota kwenye diski iliyo karibu bapa, iliyoshikana kama kuki ya sandwich.

Msingi wa mapinduzi haya ya gorofa iko katika mabadiliko ya kimsingi katika mwelekeo wa njia ya sumaku. Katika motor ya jadi ya radial flux, uwanja wa magnetic hutoka nje kutoka kwa mhimili; katika motor axial flux, shamba la magnetic linaendesha sambamba na mhimili, na stator na rotor inakabiliwa na kila mmoja katika mpangilio wa disc. Mabadiliko haya huleta faida za utendaji wa kushangaza:  kwa matumizi sawa ya nyenzo, torque ya motor ya axial flux inalingana na mchemraba wa kipenyo cha rotor (wakati kwa motor ya jadi ya radial ni mraba wa kipenyo), kufikia ongezeko la msongamano wa torque mara 2-3 na ufanisi unaozidi 96%.  Wakati huo huo, urefu wake wa axial ni 1/3 hadi 1/2 tu ya motor ya kawaida, na kiasi kilichopunguzwa kwa zaidi ya 50% na uzito umepunguzwa kwa takriban 40% -50% chini ya nguvu sawa.

Ufunguo wa kufikia msongamano mkubwa wa nguvu na msongamano wa torque katika motors za axial flux iko katika muundo wa busara wa muundo wa rotor. Matukio tofauti ya programu huweka mahitaji tofauti ya utendaji, na uteuzi wa muundo wa mzunguko wa sumaku wa rota, nyenzo ya sumaku ya kudumu, na topolojia mara nyingi huamua moja kwa moja ikiwa injini inaweza kutambua faida zake kikamilifu. Makala haya yanaanza na matukio matatu ya kawaida ya utumaji - injini za kitovu, viungio vya roboti, na mwendo wa ndege zisizo na rubani - na huchanganua kwa utaratibu vipengele vya msingi vya uteuzi wa rota.

1. Hub Motors: Biashara kati ya Msongamano wa Torque na Kiwango Kina cha Kasi

Motors za kitovu zimewekwa ndani ya ukingo wa gurudumu, ambapo nafasi ni ndogo sana - hii ndiyo kizuizi cha msingi cha kubuni. Ni lazima wakati huo huo zitoe msongamano wa juu wa torque (kwa kuanzia na kupanda), kasi mbalimbali (kutoka kwa kutambaa kwa kasi ya chini hadi kusafiri kwa kasi kubwa), na uwezo mzuri wa kutawanya joto.

Kwa upande wa uteuzi wa muundo wa rotor, motors za kitovu kawaida hutumia  aina za uso-vyema na zilizozungumzwa (ndani) , kila moja ikiwa na vipaumbele tofauti vya muundo. Sumaku za kudumu zilizowekwa kwenye uso zimeunganishwa moja kwa moja kwenye uso wa msingi wa rota, zikitoa muundo rahisi, msongamano mkubwa wa mtiririko wa hewa-pengo, na kufaa kwa programu zinazofuata msongamano wa mwisho wa nguvu. Hata hivyo, mzunguko wa kasi wa rota yenye kipenyo kikubwa hutokeza nguvu kubwa ya katikati, inayohitaji mkoba wa kubakiza ili kulinda sumaku zilizowekwa kwenye uso. Hii inadai nyenzo zisizo za sumaku zenye nguvu nyingi, na sleeve yenyewe huongeza pengo la hewa, na hivyo kupunguza pato.

Sumaku za kudumu za aina ya kuongea (ndani) zimewekwa ndani ya rotor. Kupitia mkusanyiko wa mtiririko, wao huboresha kwa kiasi kikubwa wiani wa torque na uwezo wa kuongeza kasi wa kudhoofisha. Kwa mfano, injini ya kitovu cha STAF-PMSM iliyobuniwa na Chuo Kikuu cha Jiangsu hutumia muundo wa rota mbili ili kuongeza eneo la uchochezi wa pengo la hewa, kufikia msisimko wa mkusanyiko wa flux. Inatoa torque ya upeo wa 280 N·m na nguvu ya juu zaidi ya kW 15, na kuifanya kufaa kwa magari mapya ya nishati yanayoendeshwa ndani ya gurudumu. Zaidi ya hayo, muundo wa mambo ya ndani hulinda kwa ufanisi sumaku za kudumu kutokana na mfiduo wa moja kwa moja kwa joto la juu na athari za mitambo, kushinda hatari ya kikosi cha sumaku ambacho aina za uso hukabiliana kwa kasi ya juu.

Usimamizi wa joto ni changamoto nyingine ya msingi kwa motors za kitovu. Chini ya uendeshaji wa nguvu ya juu, hasara za sumakuumeme hujilimbikizia na hali ya baridi ni mbaya. Hili linahitaji uundaji sahihi wa halijoto kulingana na uchanganuzi wa hasara ili kufikia ubaridi unaofaa. Hivi sasa, dual-stator single-rotor axial flux motor (AFIR) inaboresha msongamano wa nguvu kwa kuongeza upakiaji wa umeme na stators mbili, wakati motor-less axial flux motor (YASA) huondoa nira ya stator ili kupunguza hasara ya chuma, kupunguza mzigo wa mafuta wakati wa kuboresha ufanisi na wiani wa torque.

Kwa ujumla, uteuzi wa rota kwa injini za kitovu lazima usawazishe  msongamano wa torque, uwezo wa kuongeza kasi na kutegemewa . Kwa mahitaji ya kasi ya chini ya torque, miundo ya juu ya uso au ya kuzungumza inapendekezwa, lakini ikiwa aina mbalimbali za kasi zinahitajika, aina ya kuzungumza inafaa zaidi kwa sababu ya mkusanyiko wake wa flux na uwezo wa kudhoofisha.

2. Viungo vya Robot: Mahitaji ya Dual ya Inertia ya Chini na Udhibiti wa Usahihi

Viungo vya roboti vinahitaji sifa tofauti kabisa kutoka kwa injini za kitovu. Katika viungo vikubwa kama vile viuno, viuno na miguu, torque ya juu na uzani mwepesi ni mahitaji ya msingi - ikilinganishwa na motors za jadi za radial, motors za axial flux katika hali hizi zinaweza kupunguza ukali wa nafasi kwa 30% -60% na uzito kwa zaidi ya 30%, na miundo mingine kufikia 60% -70%. Katika viungo vidogo kama vile mikono na vidole, usahihi na hali ya chini huwa vipaumbele vya juu.

Uwiano wa torque-to-inertia  ni kigezo muhimu cha muundo wa motors za pamoja za roboti. Utafiti unaonyesha kuwa torati ya motor ya axial flux inalingana na mchemraba wa kipenyo cha rota, ikimaanisha kuwa pato la juu sana la kasi ya chini linaweza kupatikana katika nafasi ya kompakt ya kiunganishi kilichowekwa bapa, wakati muundo wa diski nyembamba unaweza kupachikwa moja kwa moja kwenye pamoja na kurahisisha utawanyiko wa joto.

Kwa uteuzi wa rotor, viungo vya roboti vinatoa kipaumbele kwa miundo iliyowekwa kwenye uso au safu za Halbach. Muundo uliowekwa kwenye uso, na upotezaji wake wa chini wa rotor na hali ya chini ya hali, huwezesha  majibu ya kasi ya nguvu  - wakati wa majibu ya kuongeza kasi unaweza kupunguzwa kutoka 15 ms hadi 5-8 ms, ambayo ni muhimu kwa mwendo wa roboti unaohitaji kuanza kwa haraka / kuacha na nafasi sahihi. Safu ya Halbach, kupitia muundo maalum wa mwelekeo wa usumaku, huongeza uga wa sumaku kwa upande mmoja huku ikikaribia kuighairi kwa upande mwingine, hivyo kuruhusu uondoaji wa msingi wa rota na kupunguza zaidi hali na hasara ya rota.

Ubunifu wa mzunguko wa sumaku na uteuzi wa nyenzo za kudumu za sumaku pia zinahitaji udhibiti sahihi. Motors za axial flux hutumia mpangilio wa sumaku wa annular, ambao hupunguza urefu wa njia ya sumaku na huongeza msongamano wa torque ikilinganishwa na mpangilio wa radial wa motors za jadi za radial flux. Pia, kwa sababu viungo vya roboti mara nyingi hujumuisha vipunguzaji au hata miradi ya quasi-direct drive (QDD), nguvu ya juu na utulivu wa joto inahitajika. Gharama inaporuhusu, viwango vya juu vya kulazimishwa vilivyo na ardhi nzito adimu kama vile dysprosium na terbium vinaweza kuzuia upunguzaji wa sumaku kutoka kwa sehemu za sumaku nyuma wakati wa operesheni.

Kwa viungo vya miniature katika safu ya 16-18 mm, motors za axial flux za aina ya PCB zinaonyesha faida za kipekee. Kwa kutumia etching badala ya vilima vya jadi vya shaba, hutoa uthabiti wa juu wa utengenezaji, upotezaji wa chini wa chuma, na uzani mwepesi sana.

3. Uendeshaji wa Drone: Changamoto Kubwa za Msongamano wa Nguvu na Upinzani kwa Upunguzaji wa Usumaku wa Joto.

Mifumo ya kurusha ndege zisizo na rubani inakabiliwa na ukinzani wa kimsingi:  kila gramu ya ziada ya uzito hupunguza muda wa kukimbia, na kila kiwango cha kupanda kwa joto hupunguza nguvu . Takwimu zinaonyesha kuwa kwa injini ya axial flux yenye uwiano wa kutia-kwa-uzito unaozidi 25:1, kupunguza uzito kwa kilo 1 kunaweza kuongeza umbali kwa kilomita 10 hivi. Kwa hiyo, uzani mwepesi na msongamano mkubwa wa nguvu ni vigezo vya msingi vya kubuni kwa motors za drone propulsion.

Kwa upande wa msongamano wa nguvu, motors za axial flux zinaonyesha faida kubwa katika propulsion ya drone. Uzito wao wa nguvu za ujazo unaweza kufikia  14.9 kW/kg , zaidi ya ile ya motors za jadi za radial. Msongamano wa nguvu uliopimwa ni kati ya  5.8 hadi 21 kW/kg , na msongamano wa torque  15 hadi 25 Nm/kg . Mfumo wa hivi punde zaidi wa 'Yufeng' T-mfululizo wa usukumaji wa axial flux unafanikisha msongamano wa nishati endelevu wa Nm/kg 10 na msongamano wa kilele wa torque ya Nm/kg 20, na kuufanya ufaane vyema na uendeshaji wa moja kwa moja katika ndege za hali ya juu kama vile eVTOL yenye rubani na ndege zisizo na rubani za mrengo wa kiwanja.

Zaidi ya msongamano wa nguvu, injini za kusongesha ndege zisizo na rubani pia zinakabiliwa na hatari ya demagnetization katika mazingira ya joto la juu. Wakati wa kukimbia, motors hufanya kazi kwa nguvu ya juu kwa muda mrefu, na kusababisha kupanda kwa kasi kwa joto katika vilima na sumaku za kudumu. Iwapo misheni inafanywa katika majira ya joto au maeneo ya jangwa, mchanganyiko wa halijoto iliyoko na kujipatia joto huleta changamoto kubwa za kupunguza sumaku kwa sumaku za kudumu.

Uchaguzi wa nyenzo za sumaku za kudumu huathiri moja kwa moja kuegemea kwa joto la juu la motors za drone.  Miongoni mwa nyenzo za kawaida za sumaku za kudumu, neodymium-iron-boroni (NdFeB) hutoa utendaji wa juu zaidi wa sumaku, lakini darasa za kawaida (N mfululizo) zina joto la juu la uendeshaji la 80-100 ° C pekee, na upotevu wa sumaku usioweza kurekebishwa unaweza kutokea zaidi ya 200 ° C. Madaraja ya NdFeB yenye nguvu ya juu (mfululizo wa SH, UH, EH, AH) yanaweza kufanya kazi hadi 150–240°C, lakini uthabiti wao wa halijoto ya juu bado ni duni kuliko samarium-cobalt (SmCo). Sumaku za SmCo zinaweza kufanya kazi kwa utulivu zaidi ya  300°C , na halijoto ya Curie inazidi 720°C, na sifa zao za sumaku hutofautiana tu 1/4–1/3 kama vile NdFeB na halijoto. Hasara ni chini kidogo ya bidhaa ya nishati ya sumaku na gharama ya juu. Kwa drones za watumiaji, NdFeB ya utendaji wa juu inatosha kwa mahitaji mengi; lakini kwa ndege zisizo na rubani za viwandani na eVTOL iliyo na mtu chini ya hali ya joto ya juu, hali ya juu ya nguvu, SmCo - licha ya gharama yake - ni chaguo muhimu kwa kuegemea.

4. Muhtasari wa Haraka wa Aina za Rotor: Ulinganisho wa Uso-Uliowekwa dhidi ya Mambo ya Ndani

Kulingana na uchambuzi hapo juu, aina kuu za muundo wa rotor kwa motors axial flux ni muhtasari katika jedwali lifuatalo:

5. SDM: Dereva Muhimu kwa Rota za Axial Flux Motor zilizowekwa kwenye uso

Baada ya kuchambua pointi muhimu za uteuzi wa rotor kwa matukio matatu makuu, tunafika kwenye kipengele cha msingi -  uwezo wa uhandisi wa sumaku za kudumu za utendaji wa juu na miundo ya rotor iliyowekwa kwenye uso . Hapa ndipo hasa ambapo faida za kiufundi za SDM ziko.

SDM ni biashara ya kitaifa ya teknolojia ya hali ya juu inayolenga sumaku na suluhu za sumaku, yenye uzoefu wa miaka 16 katika utengenezaji wa sumaku wa kitaalamu. Kampuni hiyo ina ushirikiano wa kimkakati na China Aluminium, kampuni kubwa zaidi ya madini ya adimu nchini China, kuhakikisha usambazaji thabiti na salama wa malighafi adimu ya ardhi. Wakati huo huo, SDM hufanya utafiti wa kina wa ushirikiano na  Chuo cha Sayansi cha China  na hufanya kazi na wateja juu ya uchanganuzi wa vipengele vya mwisho (FEA), kutoa usaidizi sahihi wa uigaji tangu mwanzo kabisa wa muundo wa mzunguko wa sumaku, na hivyo kufupisha mizunguko ya maendeleo na kupunguza gharama za majaribio na makosa.

Katika uwanja wa rota za axial flux motor zilizowekwa kwenye uso, SDM inatoa utengenezaji wa kimfumo na faida za muundo:

Kwanza, mfumo kamili wa uzalishaji na vyeti vya juu.  Kampuni inashikilia IATF 16949 (mfumo wa usimamizi wa ubora wa magari), imedumisha rekodi ya sifuri-kasoro (0 PPM) kama muuzaji wa Tier-2 kwa General Motors tangu 2010, na pia ina ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, alama ya kaboni na vyeti vya BSCI. Bidhaa zake zinatii mahitaji ya upimaji wa RoHS, REACH na SGS. Hii inamaanisha kuwa kila kundi la sumaku za kudumu hupitia udhibiti mkali wa ubora, kutoka kwa ufuatiliaji wa malighafi hadi usafirishaji wa bidhaa iliyokamilika.

Pili, teknolojia iliyokomaa ya mchakato wa miundo ya rotor iliyowekwa kwenye uso.  Katika motor axial flux, diski ya rota ya sumaku ya kudumu iliyowekwa kwenye uso lazima isuluhishe kwa wakati mmoja matatizo matatu makuu ya uhandisi:  kurekebisha kwa nguvu ya juu ya sumaku, utulivu chini ya uendeshaji wa kasi, na manufacturability/assembly . SDM hutoa chaguo mbalimbali za nyenzo za sumaku, ikiwa ni pamoja na darasa za NdFeB za kulazimishwa na mfululizo wa SmCo. Inatumia mchanganyiko wa sahani/fremu za kurekebisha zenye hasara ya chini, zenye nguvu ya juu, chuma cha nyuma cha rota, na mikono ya kubakiza nyuzi za kaboni ili kuhakikisha uwekaji wa sumaku unaotegemewa chini ya uendeshaji wa kasi, huku ikipunguza hasara ya sasa ya rotor eddy. Suluhisho hili limethibitisha faida zake za kina za upotezaji mdogo wa rotor, nguvu ya juu ya kimuundo, na usindikaji mzuri wa kusanyiko.

Tatu, timu ya ufundi ya kiwango cha juu inayosaidia ubinafsishaji wa hali ya juu.  Timu ya ufundi, iliyojengwa na  wataalam wa nyenzo za sumaku kutoka Chuo cha Sayansi cha China , inajumuisha PhD 2, wenye digrii 5 za uzamili, wahandisi wakuu 8, na zaidi ya wafanyikazi 80 wa uhandisi na ufundi. Kampuni imeanzisha kituo cha R&D cha manispaa na kituo cha kazi cha baada ya udaktari. Kwa hivyo, SDM haiwezi tu kutoa sumaku za kawaida, lakini pia kutoa suluhisho kamili za kiufundi kwa mahitaji halisi ya mzunguko wa sumaku chini ya hali tofauti za kufanya kazi (motor za kitovu, viungo vya roboti, propulsion ya drone), pamoja na uteuzi wa daraja la sumaku (uwezo wa hali ya juu wa NdFeB N/M/UH, SmCo5 / Sm-Co-₇ mfululizo), kipengele cha uigaji wa joto na safu ya uigaji.

Nne, ushirikiano wa utafiti wa sekta na chuo kikuu na jalada pana la bidhaa.  SDM hudumisha uhusiano wa ushirikiano na Taasisi ya Ningbo ya Teknolojia ya Vifaa na Uhandisi (CAS) na Chuo Kikuu cha Jiaotong Kusini Magharibi, kwa kuendelea kufuatilia maendeleo ya nyenzo za sumaku. Aina mbalimbali za bidhaa zake hujumuisha vidhibiti na rota za injini ndogo, injini za maglev, vitambuzi, visuluhishi, vitenganishi vya macho, sumaku ya kudumu na vijenzi laini vya sumaku, vinavyotoa usaidizi wa nyenzo za sumaku za kusimama mara moja kwa miundo ya gari katika tasnia mbalimbali.

Hitimisho

Kwa muundo wake bapa na msongamano wa nguvu unaobadilika, injini ya axial flux inafafanua upya usanifu wa nguvu wa magari ya umeme, roboti za humanoid, na ndege za urefu wa chini. Katika mbio hizi za teknolojia zinazozingatia 'wiani wa torque' na 'uzani mwepesi', muundo wa rota na ubora wa nyenzo za sumaku za kudumu huweka kikomo cha chini, wakati muundo uliopachikwa kwenye uso - pamoja na  muundo wake rahisi, mwitikio wa kasi wa kasi, na msongamano wa juu wa torque  - unachukua nafasi isiyoweza kubadilishwa katika viungio vya roboti, kasi ya chini katika kitovu cha tokoki na ufanisi wa chini wa kitovu cha programu.

Kutoka kwa uboreshaji sahihi wa topolojia ya mzunguko wa sumaku hadi muundo wa uthabiti wa halijoto ya juu wa nyenzo za kudumu za sumaku, ni kwa kusimamia tu mlolongo kamili wa teknolojia ya nyenzo za msingi na michakato ya utengenezaji wa rota ndipo mkondo wa kweli unaweza kuanzishwa katika ushindani mkali wa soko. SDM, pamoja na vitambulisho vyake kama biashara ya kitaifa ya teknolojia ya juu, uzoefu wa miaka 16 katika sumaku za kudumu, usaidizi wa kiufundi kutoka kwa timu ya wataalam iliyojengwa na CAS, na mfumo wa usimamizi wa ubora wa utaratibu, hutoa msingi thabiti wa kuegemea juu na utendaji wa juu wa rota za axial flux zilizowekwa kwenye uso. Iwe ni changamoto ya masafa mapana ya injini za kitovu, mahitaji ya udhibiti wa usahihi wa hali ya chini ya viungio vya roboti, au mahitaji makubwa ya msongamano wa nguvu na ukinzani wa demagnetization katika mwendo wa ndege zisizo na rubani, SDM inatoa suluhu za uhandisi kamili kutoka kwa nyenzo hadi kuiga - haswa nguvu muhimu ya kuendesha ambayo husogeza axial flux motors kutoka kwa maabara ya maombi.