Farklı Çalışma Koşullarında Eksenel Akı Motoru Rotor Seçiminde Önemli Noktalar – Hub Motorları, Robot Bağlantıları, Drone Tahrik Sistemi

Giriş: 'Silindir'den 'Disk'e Paradigma Değişimi

İnsanlar elektrik motorlarını düşündüklerinde, çoğu kişi statorun rotoru çevrelediği ve manyetik alanın radyal olarak yayıldığı uzun bir silindir hayal eder. Ancak bu geleneksel şekle meydan okuyan bir motor, yeni bir teknolojik devrime öncülük ediyor: eksenel akı motoru . Stator ve rotoru neredeyse düz bir disk halinde, bir sandviç kurabiyesi kadar kompakt bir şekilde sıkıştırır.

Bu düzleşme devriminin özü, manyetik yol yönündeki temel bir değişiklikte yatmaktadır. Geleneksel bir radyal akılı motorda, manyetik alan eksenden dışarıya doğru yayılır; eksenel akılı motorda, manyetik alan eksene paralel olarak uzanır ve stator ve rotor bir disk düzeninde birbirine bakar. Bu değişim şaşırtıcı performans avantajları getiriyor:  aynı malzeme kullanımıyla eksenel akılı motorun torku, rotor çapının küpüyle orantılıdır (geleneksel bir radyal motor için bu yalnızca çapın karesidir), tork yoğunluğunda 2-3 kat artış ve %96'yı aşan verimlilik elde edilir.  Aynı zamanda, eksenel uzunluğu geleneksel bir motorun uzunluğunun yalnızca 1/3 ila 1/2'si kadardır; hacmi %50'den fazla azalır ve ağırlığı aynı güç altında yaklaşık %40 ila %50 azalır.

Eksenel akılı motorlarda bu kadar yüksek güç yoğunluğu ve tork yoğunluğu elde etmenin anahtarı, rotor yapısının ustaca tasarımında yatmaktadır. Farklı uygulama senaryoları farklı performans gereksinimleri gerektirir ve rotor manyetik devre yapısının, kalıcı mıknatıs malzemesinin ve topolojisinin seçimi genellikle motorun avantajlarını tam olarak gerçekleştirip gerçekleştiremeyeceğini doğrudan belirler. Bu makale üç tipik uygulama senaryosuyla (göbek motorları, robot bağlantıları ve drone tahriki) başlıyor ve rotor seçiminin temel noktalarını sistematik olarak analiz ediyor.

1. Hub Motorları: Tork Yoğunluğu ile Geniş Hız Aralığı Arasındaki Denge

Göbek motorları, alanın son derece sınırlı olduğu tekerlek jantının içine monte edilir; bu, birincil tasarım kısıtlamasıdır. Aynı anda yüksek tork yoğunluğu (başlangıç ​​ve tırmanma için), geniş bir hız aralığı (düşük hızlı gezinmeden yüksek hızlı seyire kadar) ve iyi ısı dağıtma kapasitesi sağlamalıdırlar.

Rotor yapısı seçimi açısından, göbek motorları genellikle  yüzeye monte ve jant teli (iç) tiplerini kullanır. her biri farklı tasarım önceliğine sahip olan Yüzeye monte kalıcı mıknatıslar doğrudan rotor çekirdeğinin yüzeyine bağlanır ve basit bir yapı, yüksek hava boşluğu akı yoğunluğu ve en üst düzeyde güç yoğunluğunun peşinde olan uygulamalar için uygunluk sunar. Bununla birlikte, büyük çaplı bir rotorun yüksek hızlı dönüşü, yüzeye monte mıknatısları sabitlemek için bir tutma manşonu gerektiren muazzam merkezkaç kuvveti üretir. Bu, yüksek mukavemetli manyetik olmayan malzemeler gerektirir ve manşonun kendisi hava boşluğunu artırarak çıktıyı azaltır.

Tel tipi (iç) kalıcı mıknatıslar rotorun içine yerleştirilmiştir. Akı konsantrasyonu sayesinde tork yoğunluğunu ve akı zayıflatan hız genişletme kapasitesini önemli ölçüde artırırlar. Örneğin, Jiangsu Üniversitesi tarafından tasarlanan STAF-PMSM jant teli tipi göbek motoru, hava boşluğu uyarma alanını arttırmak ve akı konsantrasyonu uyarmasını sağlamak için çift rotorlu bir yapı kullanır. Maksimum 280 N·m tork ve maksimum 15 kW güç sağlar, bu da onu dağıtılmış tekerlekten çekişli yeni enerji araçları için uygun kılar. Üstelik iç yapı, kalıcı mıknatısları yüksek sıcaklığa ve mekanik darbeye doğrudan maruz kalmaktan etkili bir şekilde koruyarak, yüzeye monte tiplerin yüksek hızlarda karşılaştığı mıknatısın ayrılması riskinin üstesinden gelir.

Termal yönetim, göbek motorları için bir başka temel zorluktur. Yüksek güçlü çalışmada elektromanyetik kayıplar yoğunlaşır ve soğutma koşulları zayıf olur. Bu, etkili soğutma elde etmek için kayıp analizine dayalı doğru termal modelleme gerektirir. Şu anda, çift statorlu tek rotorlu eksenel akılı motor (AFIR), iki statorla elektrik yükünü artırarak güç yoğunluğunu artırırken, boyunduruksuz eksenel akılı motor (YASA), demir kaybını azaltmak için stator boyunduruğunu ortadan kaldırır, verimliliği ve tork yoğunluğunu artırırken termal yükü azaltır.

Genel olarak, göbek motorları için rotor seçimi dengelemelidir  tork yoğunluğunu, hız genişletme kapasitesini ve güvenilirliği . Düşük hızlı yüksek tork gereksinimleri için yüzeye monte veya jant teli tipi yapılar tercih edilir, ancak geniş bir hız aralığına ihtiyaç duyulursa tel tipi, akı konsantrasyonu ve akı zayıflatma özelliği nedeniyle daha uygundur.

2. Robot Bağlantıları: Düşük Atalet ve Hassas Kontrolün İkili Gereksinimi

Robot bağlantıları, göbek motorlarından belirgin şekilde farklı özellikler gerektirir. Kalça, bel ve bacaklar gibi büyük eklemlerde, yüksek tork çıkışı ve aşırı hafiflik temel gereksinimlerdir; geleneksel radyal motorlarla karşılaştırıldığında, eksenel akılı motorlar bu senaryolarda yer işgalini %30 ila %60 oranında ve ağırlığı %30'dan fazla azaltabilir; bazı tasarımlarda bu oran %60 ila %70'e ulaşır. Bilekler ve parmaklar gibi küçük eklemlerde hassasiyet ve düşük atalet daha yüksek öncelik haline gelir.

Tork-atalet oranı,  robot eklem motorları için önemli bir tasarım parametresidir. Araştırmalar, eksenel akılı motor torkunun rotor çapının küpü ile orantılı olduğunu göstermektedir; bu, düzleştirilmiş bir bağlantının kompakt alanında son derece yüksek düşük hızlı tork çıkışının elde edilebileceği anlamına gelirken, ince disk yapısı doğrudan bağlantının içine gömülebilir ve ısı dağıtımını basitleştirir.

Rotor seçimi için robot eklemleri yüzeye monte yapılara veya Halbach dizilerine öncelik verir. Düşük rotor kaybı ve düşük atalet momenti ile yüzeye monte yapı,  daha hızlı dinamik tepki sağlar  ; hızlanma tepki süresi 15 ms'den 5-8 ms'ye düşürülebilir; bu, hızlı başlatma/durdurma ve hassas konumlandırma gerektiren robot hareketleri için çok önemlidir. Halbach dizisi, belirli bir mıknatıslanma yönü modeli aracılığıyla, bir taraftaki manyetik alanı arttırırken diğer taraftaki manyetik alanı neredeyse tamamen ortadan kaldırır, rotor çekirdeğinin ortadan kaldırılmasına olanak tanır ve rotor ataletini ve kayıplarını daha da azaltır.

Manyetik devre tasarımı ve sabit mıknatıslı malzeme seçimi de hassas kontrol gerektirir. Eksenel akılı motorlar, geleneksel radyal akılı motorların radyal düzenine kıyasla manyetik yol uzunluğunu kısaltan ve tork yoğunluğunu artıran halka şeklinde bir mıknatıs düzeni kullanır. Ayrıca robot eklemleri sıklıkla redüktörler ve hatta yarı doğrudan tahrik (QDD) şemaları içerdiğinden, daha yüksek zorlayıcılık ve termal stabilite gereklidir. Maliyet izin verdiğinde, disprosyum ve terbiyum gibi ağır nadir toprak elementleri içeren yüksek koersivite dereceleri, çalışma sırasında ters manyetik alanlardan kaynaklanan manyetikliğin giderilmesini etkili bir şekilde önleyebilir.

16–18 mm aralığındaki minyatür bağlantılar için PCB tipi eksenel akılı motorlar benzersiz avantajlar göstermektedir. Geleneksel bakır sargılar yerine gravür kullanarak yüksek üretim tutarlılığı, düşük demir kaybı ve son derece hafiflik sunarlar.

3. Drone Tahrik Sistemi: Güç Yoğunluğu ve Termal Demanyetizasyona Direnç Konusunda Aşırı Zorluklar

Drone tahrik sistemleri temel bir çelişkiyle karşı karşıyadır:  Her ekstra gram ağırlık uçuş süresini kısaltır ve her derece sıcaklık artışı gücü azaltır . Veriler, itme-ağırlık oranı 25:1'i aşan bir eksenel akılı motor için kütleyi 1 kg azaltmanın menzili yaklaşık 10 km artırabileceğini göstermektedir. Bu nedenle hafiflik ve yüksek güç yoğunluğu, drone tahrik motorları için birincil tasarım kriterleridir.

Güç yoğunluğu açısından eksenel akılı motorlar, drone itişinde çok büyük avantajlar göstermektedir. Hacimsel güç yoğunlukları ulaşabilir . Ölçülen güç yoğunlukları  14,9 kW/kg'a , geleneksel radyal motorlarınkini çok aşan aralığında olup  5,8 ila 21 kW/kg tork yoğunlukları  15 ila 25 Nm/kg arasındadır . En yeni 'Yufeng' T serisi eksenel akı tahrik sistemi, 10 Nm/kg'lık sürekli bir güç yoğunluğuna ve 20 Nm/kg'lık bir tepe tork yoğunluğuna ulaşır; bu da onu, insanlı eVTOL ve bileşik kanatlı dronlar gibi gelişmiş uçaklarda doğrudan tahrikli tahrik için çok uygun hale getirir.

Güç yoğunluğunun ötesinde, drone tahrik motorları yüksek sıcaklıktaki ortamlarda manyetikliğin kaybolma riskiyle de karşı karşıyadır. Uçuş sırasında motorlar uzun süre yüksek güçte çalışarak sargılarda ve kalıcı mıknatıslarda hızlı sıcaklık artışına neden olur. Görevler yaz sıcağında veya çöl bölgelerinde yürütülüyorsa, ortam sıcaklığı ve kendi kendine ısınma kombinasyonu, kalıcı mıknatıslar için ciddi manyetiklik giderme zorlukları yaratır.

Kalıcı mıknatıs malzemesi seçimi, drone motorlarının yüksek sıcaklık güvenilirliğini doğrudan etkiler.  Yaygın olarak kullanılan kalıcı mıknatıs malzemeleri arasında neodimyum-demir-bor (NdFeB) en yüksek manyetik performansı sunar, ancak standart kalitelerin (N serisi) maksimum çalışma sıcaklığı yalnızca 80–100°C'dir ve 200°C'nin üzerinde geri dönüşü olmayan manyetik kayıp meydana gelebilir. Yüksek zorlayıcı NdFeB kaliteleri (SH, UH, EH, AH serisi) 150–240°C'ye kadar çalışabilir, ancak yüksek sıcaklık stabiliteleri hala samaryum-kobalttan (SmCo) daha düşüktür. SmCo mıknatısları, 720°C'yi aşan Curie sıcaklığıyla üzerinde stabil bir şekilde çalışabilir  300°C'nin ve manyetik özellikleri sıcaklıkla NdFeB'nin yalnızca 1/4–1/3'ü kadar değişir. Dezavantajları biraz daha düşük manyetik enerji ürünü ve daha yüksek maliyettir. Tüketici dronları için yüksek performanslı NdFeB çoğu ihtiyaç için yeterlidir; ancak yüksek sıcaklık ve yüksek güç koşullarındaki endüstriyel dronlar ve insanlı eVTOL için SmCo, maliyetine rağmen güvenilirlik açısından gerekli bir seçimdir.

4. Rotor Tiplerine Hızlı Genel Bakış: Yüzeye Monteli ve İç Mekan Karşılaştırması

Yukarıdaki analize dayanarak eksenel akılı motorlar için ana rotor yapısı tipleri aşağıdaki tabloda özetlenmiştir:

5. SDM: Yüzeye Monte Eksenel Akı Motor Rotorları için Temel Sürücü

Üç ana senaryo için kilit rotor seçim noktalarını analiz ettikten sonra, temel bir öğeye ulaşıyoruz:  yüksek performanslı kalıcı mıknatıslar ve yüzeye monte rotor yapıları için mühendislik kapasitesi . SDM'nin teknik avantajları tam olarak burada yatmaktadır.

SDM, profesyonel mıknatıs üretiminde 16 yıllık deneyime sahip, mıknatıslara ve manyetik çözümlere odaklanan ulusal bir yüksek teknoloji kuruluşudur. Şirket, Çin'in en büyük nadir toprak madenciliği işletmesi olan China Aluminium ile stratejik bir işbirliğine sahiptir ve nadir toprak hammaddelerinin istikrarlı ve güvenli bir şekilde tedarik edilmesini sağlar. Aynı zamanda SDM, ile derinlemesine işbirliğine dayalı araştırmalar yürütmekte  Çin Bilimler Akademisi  ve sonlu elemanlar analizi (FEA) konusunda müşterilerle birlikte çalışarak manyetik devre tasarımının en başından itibaren doğru simülasyon desteği sağlamakta, böylece geliştirme döngülerini kısaltmakta ve deneme yanılma maliyetlerini azaltmaktadır.

Yüzeye monte eksenel akılı motor rotorları alanında SDM, sistematik üretim ve tasarım avantajları sunar:

Birincisi, üst düzey sertifikalara sahip eksiksiz bir üretim sistemi.  Şirket, IATF 16949'a (otomotiv kalite yönetim sistemi) sahiptir, 2010'dan bu yana General Motors'un Tier-2 tedarikçisi olarak sıfır kusurlu (0 PPM) rekorunu korumuştur ve ayrıca ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, karbon ayak izi ve BSCI sertifikalarına sahiptir. Ürünleri RoHS, REACH ve SGS test gereksinimlerine uygundur. Bu, her bir kalıcı mıknatıs grubunun, ham madde izlenebilirliğinden bitmiş ürün sevkiyatına kadar sıkı bir kalite kontrolünden geçtiği anlamına gelir.

İkincisi, yüzeye monte rotor yapıları için olgun entegre proses teknolojisi.  Eksenel akılı motorda, yüzeye monte sabit mıknatıslı rotor diskinin aynı anda üç ana mühendislik zorluğunu çözmesi gerekir:  mıknatısların yüksek mukavemetli sabitlenmesi, yüksek hızda çalışma altında stabilite ve üretilebilirlik/montaj . SDM, yüksek zorlayıcı NdFeB kaliteleri ve SmCo serisi dahil olmak üzere çeşitli manyetik malzeme seçenekleri sunar. Rotor girdap akımı kayıplarını en aza indirirken, yüksek hızlı çalışma altında güvenilir mıknatıs konumlandırması sağlamak için düşük kayıplı, yüksek mukavemetli polimer baskı plakaları/sabitleme çerçeveleri, rotor arka demirleri ve karbon fiber tutma manşonlarının bir kombinasyonunu kullanır. Bu çözüm, düşük rotor kaybı, yüksek yapısal dayanıklılık ve iyi montaj işlenebilirliği gibi kapsamlı avantajlarını kanıtlamıştır.

Üçüncüsü, üst düzey kişiselleştirmeyi destekleyen üst düzey bir teknik ekip.  tarafından oluşturulan teknik ekip  Çin Bilimler Akademisi'nin manyetik malzeme uzmanları , 2 doktoralı, 5 yüksek lisans sahibi, 8 kıdemli mühendis ve 80'den fazla mühendislik ve teknik personelden oluşuyor. Şirket, belediyeye ait bir Ar-Ge merkezi ve doktora sonrası çalışma istasyonu kurmuştur. Böylece, SDM yalnızca geleneksel mıknatıslar üretmekle kalmaz, aynı zamanda mıknatıs derecesi seçimi (ultra yüksek koersivite NdFeB N/M/UH dereceleri, SmCo5 / Sm-Co-₇ serisi), demanyetizasyon sıcaklık marjı hesaplaması ve sonlu eleman simülasyonu dahil olmak üzere farklı çalışma koşulları (göbek motorları, robot bağlantıları, drone tahriki) altında gerçek manyetik devre gereksinimleri için tam prosesli teknik çözümler sağlayabilir.

Dördüncüsü, sanayi-üniversite-araştırma işbirliği ve geniş ürün portföyü.  SDM, Ningbo Malzeme Teknolojisi ve Mühendisliği Enstitüsü (CAS) ve Southwest Jiaotong Üniversitesi ile işbirliğine dayalı ilişkiler sürdürmekte ve manyetik malzemelerdeki gelişmeleri sürekli olarak takip etmektedir. Ürün yelpazesi, mikro motor statörleri ve rotorları, maglev motorları, sensörler, çözücüler, optik izolatörler, kalıcı mıknatıs ve yumuşak manyetik bileşenleri kapsamakta olup, farklı endüstrilerdeki motor tasarımları için tek elden manyetik malzeme desteği sağlamaktadır.

Çözüm

Düzleştirilmiş yapısı ve dönüştürücü güç yoğunluğuyla eksenel akılı motor, elektrikli araçların, insansı robotların ve alçak irtifa uçaklarının güç mimarisini yeniden tanımlıyor. 'Tork yoğunluğu' ve 'hafifleştirme' merkezli bu teknoloji yarışında, rotor yapısı tasarımı ve kalıcı mıknatıs malzemelerinin kalitesi alt sınırı belirlerken, yüzeye monte yapı -  basit tasarımı, hızlı dinamik tepkisi ve yüksek tork yoğunluğuyla  - robot eklemlerinde, düşük hızlı, yüksek torklu göbek tahriklerinde ve yüksek verimlilik ve düşük atalet gerektiren diğer uygulamalarda yeri doldurulamaz bir konuma sahiptir.

Manyetik devre topolojisinin hassas optimizasyonundan kalıcı mıknatıs malzemelerinin yüksek sıcaklık kararlılığı tasarımına kadar, yalnızca çekirdek malzeme teknolojisi ve rotor üretim süreçlerinin tüm zincirinde uzmanlaşılarak, şiddetli pazar rekabetinde gerçek bir hendek oluşturulabilir. SDM, ulusal bir yüksek teknoloji kuruluşu olarak kimlik bilgileri, kalıcı mıknatıslarda 16 yıllık birikmiş deneyim, CAS tarafından oluşturulmuş uzman ekibin teknik desteği ve sistematik kalite yönetim sistemi ile yüzeye monte eksenel akılı motor rotorlarının yüksek güvenilirliği ve yüksek performansı için sağlam bir temel sağlar. İster göbek motorlarının geniş hız aralığı zorluğu, ister robot bağlantılarının düşük ataletli hassas kontrol talepleri, ister drone itişindeki güç yoğunluğu ve manyetiklik giderme direncine yönelik aşırı gereksinimler olsun, SDM malzemelerden simülasyona kadar tam süreç mühendislik çözümleri sunar; eksenel akılı motorları laboratuvardan büyük ölçekli uygulamaya taşıyan vazgeçilmez itici güçtür.