Comparados aos motores de fluxo radial, os motores de fluxo axial têm muitas vantagens no projeto de veículos elétricos. Por exemplo, os motores de fluxo axial podem alterar o design do trem de força movendo o motor do eixo para o interior das rodas.
1. Eixo de poder
Motores de fluxo axialestão recebendo cada vez mais atenção (ganhar força). Por muitos anos, esse tipo de motor tem sido usado em aplicações estacionárias, como elevadores e máquinas agrícolas, mas na última década, muitos desenvolvedores têm trabalhado para melhorar essa tecnologia e aplicá-la em motocicletas elétricas, cápsulas de aeroporto, caminhões de carga, veículos elétricos. veículos e até aviões.
Os motores de fluxo radial tradicionais usam ímãs permanentes ou motores de indução, que fizeram progressos significativos na otimização de peso e custo. No entanto, eles enfrentam muitas dificuldades para continuar a se desenvolver. O fluxo axial, um tipo de motor completamente diferente, pode ser uma boa alternativa.
Em comparação com motores radiais, a área de superfície magnética efetiva dos motores de ímã permanente de fluxo axial é a superfície do rotor do motor, não o diâmetro externo. Portanto, em um determinado volume de motor, os motores de ímã permanente de fluxo axial geralmente podem fornecer maior torque.
Motores de fluxo axialsão mais compactos; Comparado aos motores radiais, o comprimento axial do motor é muito menor. Para motores de rodas internos, este é frequentemente um fator crucial. A estrutura compacta dos motores axiais garante maior densidade de potência e densidade de torque do que motores radiais semelhantes, eliminando assim a necessidade de velocidades operacionais extremamente altas.
A eficiência dos motores de fluxo axial também é muito alta, geralmente ultrapassando 96%. Isso se deve ao caminho de fluxo unidimensional mais curto, que é comparável ou até superior em eficiência em comparação aos melhores motores de fluxo radial 2D do mercado.
O comprimento do motor é menor, geralmente 5 a 8 vezes menor, e o peso também é reduzido em 2 a 5 vezes. Esses dois fatores mudaram a escolha dos projetistas de plataformas de veículos elétricos.
2. Tecnologia de fluxo axial
Existem duas topologias principais paramotores de fluxo axial: estator único de rotor duplo (às vezes chamado de máquinas estilo toro) e estator duplo de rotor único.
Atualmente, a maioria dos motores de ímã permanente utiliza topologia de fluxo radial. O circuito de fluxo magnético começa com um ímã permanente no rotor, passa pelo primeiro dente do estator e depois flui radialmente ao longo do estator. Em seguida, passe pelo segundo dente para alcançar o segundo aço magnético do rotor. Em uma topologia de fluxo axial de rotor duplo, o circuito de fluxo começa no primeiro ímã, passa axialmente pelos dentes do estator e atinge imediatamente o segundo ímã.
Isto significa que o caminho do fluxo é muito mais curto do que o dos motores de fluxo radial, resultando em volumes de motor menores, maior densidade de potência e eficiência na mesma potência.
Motor radial, onde o fluxo magnético passa pelo primeiro dente e depois retorna para o dente seguinte através do estator, chegando ao ímã. O fluxo magnético segue um caminho bidimensional.
O caminho do fluxo magnético de uma máquina de fluxo magnético axial é unidimensional, portanto, aço elétrico de grão orientado pode ser usado. Este aço facilita a passagem do fluxo, melhorando assim a eficiência.
Os motores de fluxo radial tradicionalmente usam enrolamentos distribuídos, com até metade das extremidades do enrolamento não funcionando. A saliência da bobina resultará em peso, custo, resistência elétrica adicionais e mais perda de calor, forçando os projetistas a melhorar o projeto do enrolamento.
As extremidades da bobinamotores de fluxo axialsão muito menos, e alguns projetos usam enrolamentos concentrados ou segmentados, que são completamente eficazes. Para máquinas radiais de estator segmentado, a ruptura do caminho do fluxo magnético no estator pode trazer perdas adicionais, mas para motores de fluxo axial, isso não é um problema. O design do enrolamento da bobina é a chave para distinguir o nível dos fornecedores.
3. Desenvolvimento
Os motores de fluxo axial enfrentam sérios desafios no projeto e na produção; apesar de suas vantagens tecnológicas, seus custos são muito superiores aos dos motores radiais. As pessoas têm um conhecimento profundo de motores radiais e métodos de fabricação e equipamentos mecânicos também estão prontamente disponíveis.
Um dos principais desafios dos motores de fluxo axial é manter um entreferro uniforme entre o rotor e o estator, pois a força magnética é muito maior que a dos motores radiais, dificultando a manutenção de um entreferro uniforme. O motor de fluxo axial de rotor duplo também apresenta problemas de dissipação de calor, pois o enrolamento está localizado profundamente no estator e entre os dois discos do rotor, dificultando muito a dissipação de calor.
Os motores de fluxo axial também são difíceis de fabricar por vários motivos. A máquina de rotor duplo usando uma máquina de rotor duplo com topologia de culatras (ou seja, removendo a culatra de ferro do estator, mas mantendo os dentes de ferro) supera alguns desses problemas sem expandir o diâmetro e o ímã do motor.
No entanto, a remoção do suporte traz novos desafios, como fixar e posicionar dentes individuais sem uma conexão mecânica do suporte. O resfriamento também é um desafio maior.
Também é difícil produzir o rotor e manter o entreferro, pois o disco do rotor atrai o rotor. A vantagem é que os discos do rotor estão diretamente conectados através de um anel de eixo, de modo que as forças se cancelam. Isso significa que o mancal interno não suporta essas forças e sua única função é manter o estator na posição intermediária entre os dois discos do rotor.
Os motores de rotor único com estator duplo não enfrentam os desafios dos motores circulares, mas o projeto do estator é muito mais complexo e difícil de conseguir automação, e os custos relacionados também são altos. Ao contrário de qualquer motor de fluxo radial tradicional, os processos de fabricação de motores axiais e equipamentos mecânicos surgiram apenas recentemente.
4. Aplicação de veículos elétricos
A confiabilidade é crucial na indústria automotiva, e comprovar a confiabilidade e robustez de diferentesmotores de fluxo axialconvencer os fabricantes de que estes motores são adequados para produção em massa sempre foi um desafio. Isso levou os fornecedores de motores axiais a realizarem extensos programas de validação por conta própria, com cada fornecedor demonstrando que a confiabilidade de seu motor não é diferente dos motores de fluxo radial tradicionais.
O único componente que pode se desgastar em ummotor de fluxo axialsão os rolamentos. O comprimento do fluxo magnético axial é relativamente curto e a posição dos rolamentos é mais próxima, geralmente projetada para ser ligeiramente “superdimensionada”. Felizmente, o motor de fluxo axial tem uma massa de rotor menor e pode suportar cargas dinâmicas de eixo mais baixas do rotor. Portanto, a força real aplicada aos rolamentos é muito menor que a do motor de fluxo radial.
O eixo eletrônico é uma das primeiras aplicações de motores axiais. A largura mais fina pode encapsular o motor e a caixa de engrenagens no eixo. Em aplicações híbridas, o comprimento axial mais curto do motor, por sua vez, encurta o comprimento total do sistema de transmissão.
O próximo passo é instalar o motor axial na roda. Desta forma, a potência pode ser transmitida diretamente do motor para as rodas, melhorando a eficiência do motor. Devido à eliminação de transmissões, diferenciais e eixos de transmissão, a complexidade do sistema também foi reduzida.
No entanto, parece que as configurações padrão ainda não apareceram. Cada fabricante de equipamento original está pesquisando configurações específicas, pois os diferentes tamanhos e formatos dos motores axiais podem alterar o design dos veículos elétricos. Comparados aos motores radiais, os motores axiais têm uma densidade de potência mais alta, o que significa que motores axiais menores podem ser usados. Isto proporciona novas opções de design para plataformas de veículos, como a colocação de baterias.
4.1 Armadura segmentada
A topologia de motor YASA (Yokeless and Segmented Armature) é um exemplo de topologia de rotor duplo e estator único, que reduz a complexidade de fabricação e é adequada para produção em massa automatizada. Esses motores têm densidade de potência de até 10 kW/kg em velocidades de 2.000 a 9.000 rpm.
Utilizando um controlador dedicado, pode fornecer uma corrente de 200 kVA para o motor. O controlador tem volume aproximado de 5 litros e pesa 5,8 quilos, incluindo gerenciamento térmico com resfriamento de óleo dielétrico, adequado para motores de fluxo axial, bem como motores de indução e de fluxo radial.
Isso permite que os fabricantes de equipamentos originais de veículos elétricos e os desenvolvedores de primeira linha escolham com flexibilidade o motor apropriado com base na aplicação e no espaço disponível. O tamanho e o peso menores tornam o veículo mais leve e possui mais baterias, aumentando assim o aumento da autonomia.
5. Aplicação de motocicletas elétricas
Para motocicletas elétricas e ATVs, algumas empresas desenvolveram motores de fluxo axial CA. O projeto comumente usado para este tipo de veículo são projetos de fluxo axial baseados em escovas DC, enquanto o novo produto é um projeto sem escovas CA totalmente selado.
As bobinas dos motores CC e CA permanecem estacionárias, mas os rotores duplos usam ímãs permanentes em vez de armaduras rotativas. A vantagem deste método é que não requer reversão mecânica.
O projeto axial CA também pode usar controladores de motor CA trifásicos padrão para motores radiais. Isto ajuda a reduzir custos, pois o controlador controla a corrente de torque, não a velocidade. O controlador requer uma frequência de 12 kHz ou superior, que é a frequência principal de tais dispositivos.
A frequência mais alta vem da indutância do enrolamento inferior de 20 µ H. A frequência pode controlar a corrente para minimizar a ondulação da corrente e garantir um sinal senoidal o mais suave possível. Do ponto de vista dinâmico, esta é uma ótima maneira de obter um controle mais suave do motor, permitindo mudanças rápidas de torque.
Este projeto adota um enrolamento distribuído de camada dupla, de forma que o fluxo magnético flui do rotor para outro rotor através do estator, com um caminho muito curto e maior eficiência.
A chave para este projeto é que ele pode operar com uma tensão máxima de 60 V e não é adequado para sistemas de tensão mais alta. Portanto, pode ser utilizado para motocicletas elétricas e veículos de quatro rodas da classe L7e, como o Renault Twizy.
A tensão máxima de 60 V permite que o motor seja integrado em sistemas elétricos convencionais de 48 V e simplifica o trabalho de manutenção.
As especificações das motocicletas de quatro rodas L7e no Regulamento Quadro Europeu 2002/24/CE estipulam que o peso dos veículos utilizados para o transporte de mercadorias não exceda 600 kg, excluindo o peso das baterias. Esses veículos não podem transportar mais de 200 quilogramas de passageiros, não mais de 1.000 quilogramas de carga e não mais de 15 quilowatts de potência do motor. O método de enrolamento distribuído pode fornecer um torque de 75-100 Nm, com uma potência de saída de pico de 20-25 kW e uma potência contínua de 15 kW.
O desafio do fluxo axial reside na forma como os enrolamentos de cobre dissipam o calor, o que é difícil porque o calor deve passar através do rotor. O enrolamento distribuído é a chave para resolver este problema, pois possui um grande número de slots de pólos. Desta forma, há uma área superficial maior entre o cobre e o invólucro, e o calor pode ser transferido para o exterior e descarregado por um sistema de refrigeração líquida padrão.
Vários pólos magnéticos são essenciais para a utilização de formas de onda senoidais, que ajudam a reduzir harmônicos. Esses harmônicos se manifestam como aquecimento dos ímãs e do núcleo, enquanto os componentes de cobre não conseguem transportar o calor. Quando o calor se acumula em ímãs e núcleos de ferro, a eficiência diminui, e é por isso que otimizar a forma de onda e o caminho do calor é crucial para o desempenho do motor.
O design do motor foi otimizado para reduzir custos e alcançar a produção em massa automatizada. Um anel de alojamento extrudado não requer processamento mecânico complexo e pode reduzir custos de material. A bobina pode ser enrolada diretamente e um processo de colagem é usado durante o processo de enrolamento para manter a forma correta de montagem.
O ponto principal é que a bobina é feita de fio padrão disponível comercialmente, enquanto o núcleo de ferro é laminado com aço padrão do transformador, que simplesmente precisa ser cortado no formato. Outros projetos de motores exigem o uso de materiais magnéticos macios na laminação do núcleo, o que pode ser mais caro.
A utilização de enrolamentos distribuídos significa que o aço magnético não precisa ser segmentado; Podem ter formatos mais simples e mais fáceis de fabricar. Reduzir o tamanho do aço magnético e garantir sua facilidade de fabricação tem um impacto significativo na redução de custos.
O design deste motor de fluxo axial também pode ser personalizado de acordo com as necessidades do cliente. Os clientes têm versões personalizadas desenvolvidas em torno do design básico. Em seguida, fabricado em uma linha de produção experimental para verificação antecipada da produção, que pode ser replicada em outras fábricas.
A personalização ocorre principalmente porque o desempenho do veículo depende não apenas do projeto do motor de fluxo magnético axial, mas também da qualidade da estrutura do veículo, da bateria e do BMS.
Horário da postagem: 28 de setembro de 2023
