Ключові моменти для вибору ротора двигуна з осьовим потоком за різних умов експлуатації – двигуни-концентратори, шарніри роботів, двигуни дронів

Вступ: зміна парадигми від 'циліндра' до 'диска'

Коли люди думають про електродвигуни, більшість уявляють собі довгий циліндр, де статор оточує ротор, а магнітне поле поширюється радіально. Однак двигун, який кидає виклик цій традиційній формі, стимулює нову технологічну революцію – the осьовий двигун . Він стискає статор і ротор у майже плоский диск, компактний, як бутербродне печиво.

Суть цієї революції сплощення полягає в фундаментальній зміні напрямку магнітного шляху. У традиційному двигуні з радіальним потоком магнітне поле випромінюється назовні від осі; в двигуні з осьовим потоком магнітне поле проходить паралельно осі, при цьому статор і ротор звернені один до одного у вигляді диска. Цей зсув приносить дивовижні переваги в продуктивності:  за однакового використання матеріалу крутний момент двигуна з осьовим потоком пропорційний кубу діаметра ротора (у той час як для традиційного радіального двигуна це лише квадрат діаметра), досягаючи збільшення щільності крутного моменту в 2–3 рази та ефективності, що перевищує 96%.  У той же час його осьова довжина становить лише 1/3-1/2 довжини звичайного двигуна, причому об’єм зменшений більш ніж на 50%, а вага – приблизно на 40–50% за тієї самої потужності.

Ключ до досягнення такої високої питомої потужності та крутного моменту в двигунах з осьовим потоком лежить в геніальній конструкції роторної структури. Різні сценарії застосування висувають різні вимоги до продуктивності, а вибір структури магнітного кола ротора, матеріалу постійного магніту та топології часто безпосередньо визначає, чи зможе двигун повністю реалізувати свої переваги. Ця стаття починається з трьох типових сценаріїв застосування – двигуни-концентратори, з’єднання роботів і двигун дрона – і систематично аналізуються ключові моменти вибору ротора.

1. Двигуни втулки: компроміс між щільністю крутного моменту та широким діапазоном обертів

Двигуни втулки встановлюються всередині обода колеса, де простір надзвичайно обмежений – це основне обмеження конструкції. Вони повинні одночасно забезпечувати високу щільність крутного моменту (для старту та підйому), широкий діапазон швидкості (від низької швидкості повзання до високошвидкісного крейсерського руху) та хорошу здатність розсіювати тепло.

З точки зору вибору конструкції ротора, у двигунах-концентриках зазвичай використовуються  типи з поверхневим монтажем і спицями (всередині) , кожен з яких має різні пріоритети конструкції. Поверхневі постійні магніти безпосередньо прикріплюються до поверхні сердечника ротора, пропонуючи просту структуру, високу щільність потоку повітряного зазору та придатність для застосувань, які прагнуть отримати максимальну щільність потужності. Однак високошвидкісне обертання ротора великого діаметру створює величезну відцентрову силу, що вимагає утримуючої втулки для фіксації магнітів, встановлених на поверхні. Це вимагає високоміцних немагнітних матеріалів, а сама гільза збільшує повітряний зазор, тим самим зменшуючи продуктивність.

Спицеві (внутрішні) постійні магніти вбудовані в ротор. Завдяки концентрації потоку вони значно покращують щільність крутного моменту та здатність до збільшення швидкості за рахунок ослаблення потоку. Наприклад, двигун зі спицями STAF-PMSM, розроблений Університетом Цзянсу, використовує структуру з двома роторами для збільшення площі збудження повітряного зазору, досягаючи збудження концентрації потоку. Він забезпечує максимальний крутний момент 280 Н·м і максимальну потужність 15 кВт, що робить його придатним для транспортних засобів нової енергії з розподіленим повним приводом. Крім того, внутрішня структура ефективно захищає постійні магніти від прямого впливу високої температури та механічного впливу, долаючи ризик від’єднання магніту, з яким стикаються типи поверхневого монтажу на високих швидкостях.

Управління температурою є ще однією основною проблемою для двигунів-концентраторів. Під час роботи з високою потужністю електромагнітні втрати зосереджені, а умови охолодження погані. Це вимагає точного теплового моделювання на основі аналізу втрат для досягнення ефективного охолодження. В даний час однороторний аксіальний двигун із двома статорами (AFIR) покращує щільність потужності за рахунок збільшення електричного навантаження за допомогою двох статорів, тоді як двигун без ярма з аксіальним потоком (YASA) усуває ярмо статора для зменшення втрат заліза, зниження теплового навантаження, одночасно покращуючи ефективність і щільність крутного моменту.

Загалом, вибір ротора для двигуна-концентрика повинен збалансувати  щільність крутного моменту, здатність до збільшення швидкості та надійність . Для низьких швидкостей і високих крутних моментів перевагу надають конструкціям поверхневого монтажу або типу спиць, але якщо необхідний широкий діапазон швидкостей, тип спиць є більш придатним через його концентрацію потоку та здатність послаблювати потік.

2. З’єднання роботів: подвійні вимоги до низької інерції та точності керування

З’єднання роботів вимагають суттєво відмінних характеристик від моторів-ступиць. У великих суглобах, таких як стегна, талія та ноги, високий крутний момент і надзвичайно легка вага є основними вимогами. У порівнянні з традиційними радіальними двигунами, двигуни з осьовим потоком у цих сценаріях можуть зменшити займаний простір на 30%–60% і вагу більш ніж на 30%, причому в деяких конструкціях цей показник досягає 60%–70%. У дрібних суглобах, таких як зап’ястки та пальці, точність і низька інерція стають більш пріоритетними.

Співвідношення крутного моменту до моменту інерції  є ключовим конструктивним параметром для шарнірних двигунів роботів. Дослідження показують, що крутний момент двигуна з осьовим потоком пропорційний кубу діаметра ротора, що означає, що надзвичайно високий крутний момент на низькій швидкості може бути досягнутий у компактному просторі сплощеного з’єднання, тоді як тонка дискова структура може бути вбудована безпосередньо в з’єднання та спрощує розсіювання тепла.

Для вибору ротора з’єднання роботів надають пріоритет конструкціям, що монтуються на поверхні, або масивам Halbach. Поверхнева конструкція з низькими втратами ротора та низьким моментом інерції забезпечує  швидшу динамічну реакцію  – час реакції прискорення можна скоротити з 15 мс до 5–8 мс, що має вирішальне значення для рухів робота, які вимагають швидкого запуску/зупинки та точного позиціонування. Матриця Хальбаха за допомогою спеціальної моделі напрямку намагніченості посилює магнітне поле з одного боку та майже скасовує його з іншого, дозволяючи усунути серцевину ротора та додатково зменшити інерцію та втрати ротора.

Конструкція магнітного кола та вибір матеріалу постійного магніту також вимагають точного контролю. Двигуни з осьовим потоком використовують кільцеву схему магніту, яка скорочує довжину магнітного шляху та збільшує щільність крутного моменту порівняно з радіальною схемою традиційних двигунів з радіальним потоком. Крім того, оскільки з’єднання роботів часто включають редуктори або навіть схеми квазіпрямого приводу (QDD), потрібна більша коерцитивна сила та термічна стабільність. Якщо це дозволяє вартість, висококоерцитивні класи з важкими рідкісноземельними елементами, такими як диспрозій і тербій, можуть ефективно запобігати розмагнічуванню від зворотних магнітних полів під час роботи.

Для мініатюрних з’єднань у діапазоні 16–18 мм аксіальні двигуни типу PCB демонструють унікальні переваги. Використовуючи травлення замість традиційних мідних обмоток, вони забезпечують високу стабільність виробництва, низькі втрати заліза та надзвичайно легку вагу.

3. Дроновий двигун: екстремальні проблеми щільності потужності та стійкості до термічного розмагнічування

Системи руху дронів стикаються з фундаментальним протиріччям:  кожен додатковий грам ваги скорочує час польоту, а кожен градус підвищення температури зменшує потужність . Дані показують, що для двигуна з осьовим потоком із співвідношенням тяги до ваги, що перевищує 25:1, зменшення маси на 1 кг може збільшити дальність приблизно на 10 км. Таким чином, легка вага та висока питома потужність є основними критеріями дизайну двигунів дронів.

З точки зору щільності потужності двигуни з осьовим потоком демонструють переважні переваги в приводі дронів. Їх об'ємна питома потужність може досягати  14,9 кВт/кг , що значно перевищує показники традиційних радіальних двигунів. Виміряна щільність потужності в діапазоні від  5,8 до 21 кВт/кг , з щільністю крутного моменту від  15 до 25 Нм/кг . Найновіша осьова рушійна система «Yufeng» серії T досягає безперервної щільності потужності 10 Нм/кг і максимальної щільності крутного моменту 20 Нм/кг, що робить її добре придатною для прямих рушійних сил у передових літальних апаратах, таких як пілотовані eVTOL і безпілотні літальні апарати зі складним крилом.

Окрім щільності потужності, рухові двигуни безпілотних літальних апаратів також стикаються з ризиком розмагнічування в середовищі з високою температурою. Під час польоту двигуни працюють на високій потужності протягом тривалого періоду часу, викликаючи швидке підвищення температури в обмотках і постійних магнітах. Якщо місії проводяться в літню спеку або в пустельних районах, поєднання температури навколишнього середовища та самонагрівання створює серйозні проблеми з розмагнічуванням постійних магнітів.

Вибір матеріалу постійного магніту безпосередньо впливає на високотемпературну надійність двигунів дронів.  Серед звичайних матеріалів постійного магніту неодим-залізо-бор (NdFeB) забезпечує найвищу магнітну ефективність, але стандартні сорти (серія N) мають максимальну робочу температуру лише 80–100°C, а необоротні втрати магнітного поля можуть виникнути при температурі вище 200°C. Висококоерцитивні марки NdFeB (серії SH, UH, EH, AH) можуть працювати до 150–240 °C, але їх високотемпературна стабільність все ще поступається самарій-кобальту (SmCo). Магніти SmCo можуть стабільно працювати при температурі вище  300 °C , з температурою Кюрі, що перевищує 720 °C, і їхні магнітні властивості змінюються лише на 1/4–1/3 від температури NdFeB. Недоліками є трохи менша магнітна енергія продукту і більш висока вартість. Для споживчих дронів високопродуктивного NdFeB достатньо для більшості потреб; але для промислових дронів і пілотованих eVTOL в умовах високої температури та високої потужності SmCo, незважаючи на свою вартість, є необхідним вибором для забезпечення надійності.

4. Короткий огляд типів роторів: Порівняння роторів, встановлених на поверхні, з роторами, що монтуються всередині

На основі наведеного вище аналізу типи конструкції головного ротора для двигунів з осьовим потоком узагальнено в наступній таблиці:

5. SDM: ключовий драйвер для роторів аксіальних двигунів з поверхневим монтажем

Проаналізувавши ключові моменти вибору ротора для трьох основних сценаріїв, ми дійшли до основного елемента –  інженерних можливостей для високоефективних постійних магнітів і роторних конструкцій поверхневого монтажу . Саме в цьому і полягають технічні переваги SDM.

SDM — це національне високотехнологічне підприємство, що спеціалізується на магнітах і магнітних рішеннях, із 16-річним досвідом професійного виробництва магнітів. Компанія має стратегічне співробітництво з China Aluminium, найбільшим підприємством з видобутку рідкоземельних металів у Китаї, що забезпечує стабільне та безпечне постачання рідкоземельних матеріалів. У той же час SDM проводить поглиблені спільні дослідження з  Академією наук Китаю  та працює з клієнтами над аналізом кінцевих елементів (FEA), забезпечуючи точну підтримку моделювання з самого початку розробки магнітного кола, тим самим скорочуючи цикли розробки та знижуючи витрати на спроби й помилки.

У сфері роторів двигунів з осьовим потоком для поверхневого монтажу SDM пропонує системні переваги у виробництві та дизайні:

По-перше, повна виробнича система з сертифікатами високого рівня.  Компанія володіє IATF 16949 (автомобільна система управління якістю), підтримує нульовий рівень дефектів (0 PPM) як постачальник Tier-2 для General Motors з 2010 року, а також має сертифікати ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, вуглецевий слід і BSCI. Її продукція відповідає вимогам тестування RoHS, REACH і SGS. Це означає, що кожна партія постійних магнітів проходить суворий контроль якості, від відстеження сировини до відвантаження готової продукції.

По-друге, зріла інтегрована технологія процесу для роторних конструкцій поверхневого монтажу.  У двигуні з осьовим потоком роторний диск з постійним магнітом, встановлений на поверхні, повинен одночасно вирішувати три основні інженерні труднощі:  високоміцне кріплення магнітів, стабільність при роботі на високій швидкості та технологічність/складання . SDM пропонує різні варіанти магнітних матеріалів, у тому числі марки NdFeB з високою коерцитивністю та серії SmCo. У ньому використовується комбінація високоміцних полімерних прес-пластин/фіксуючих рам з низькими втратами, опор ротора та утримуючих втулок з вуглецевого волокна для забезпечення надійного позиціонування магніту під час високошвидкісної роботи, мінімізуючи втрати ротора на вихрові струми. Це рішення довело свої комплексні переваги низьких втрат ротора, високої міцності конструкції та хорошої технологічності складання.

По-третє, команда технічних спеціалістів найвищого рівня, яка підтримує високоякісні налаштування.  Технічна команда, створена  фахівцями з магнітних матеріалів з Китайської академії наук , включає 2 докторів наук, 5 магістрів, 8 старших інженерів і понад 80 інженерно-технічних працівників. Компанія створила муніципальний науково-дослідний центр і постдокторську робочу станцію. Таким чином, SDM може не тільки виробляти звичайні магніти, але й надавати повні технічні рішення для фактичних вимог до магнітних ланцюгів у різних робочих умовах (двигуни-концентратори, з’єднання роботів, двигуни дронів), включаючи вибір класу магніту (марки NdFeB з надвисокою коерцитивною силою N/M/UH, серії SmCo5 / Sm-Co-₇), розрахунок запасу температури розмагнічування та моделювання кінцевих елементів.

По-четверте, співпраця між галуззю, університетом і науковими дослідженнями та широке портфоліо продуктів.  SDM підтримує відносини співпраці з Інститутом технології матеріалів та інженерії Нінбо (CAS) і Південно-Західним університетом Цзяотун, постійно відстежуючи прогрес у галузі магнітних матеріалів. Асортимент продукції охоплює статори та ротори мікродвигунів, двигуни на магнітній підвісці, датчики, резольвери, оптичні ізолятори, постійні магніти та м’які магнітні компоненти, забезпечуючи універсальну підтримку магнітних матеріалів для конструкцій двигунів у різних галузях промисловості.

Висновок

Завдяки своїй сплющеній структурі та трансформаційній щільності потужності двигун з осьовим потоком переосмислює енергетичну архітектуру електромобілів, гуманоїдних роботів і літальних апаратів на низькій висоті. У цій технологічній гонці, зосередженій на «щільності крутного моменту» та «полегшеній вазі», конструкція роторної конструкції та якість матеріалів постійного магніту встановлюють нижню межу, тоді як поверхнева конструкція – з її  простою конструкцією, швидкою динамічною реакцією та високою щільністю крутного моменту  – займає незамінну позицію в шарнірах роботів, низькошвидкісних приводах втулки з високим крутним моментом та інших застосуваннях, що вимагають високої ефективності та низької інерції.

Від точної оптимізації топології магнітного кола до дизайну високотемпературної стабільності матеріалів постійного магніту, лише освоївши повний ланцюжок технології виготовлення матеріалів сердечника та процесів виробництва ротора, можна створити справжній рів у жорсткій ринковій конкуренції. SDM, що має репутацію національного високотехнологічного підприємства, 16-річний накопичений досвід роботи з постійними магнітами, технічну підтримку від команди експертів, створених CAS, і систематичну систему управління якістю, забезпечує міцну основу для високої надійності та високої продуктивності роторів двигунів з осьовим потоком поверхневого монтажу. Незалежно від того, чи йдеться про виклик двигунів-концентриків із широким діапазоном швидкостей, вимоги до низькоінерційної точності керування з’єднаннями роботів чи екстремальні вимоги до щільності потужності та стійкості до розмагнічування в двигунах дронів, SDM пропонує комплексні інженерні рішення від матеріалів до моделювання – саме та незамінна рушійна сила, яка переміщує двигуни з осьовим потоком від лабораторії до великомасштабного застосування.