Axial-Flux Permanent Magnet Motors

Axial-flux motorer er ved at blive en af de vigtigste elmotor-teknologier til højtydende elbiler. Sammenlignet med konventionelle radialflux-motorer kan de levere meget højt motormoment og høj effekt i en langt tyndere pakke. Det gør dem særligt attraktive til sportsvogne og performance-elbiler, hvor plads, vægt, termisk stabilitet og gentagen acceleration betyder lige så meget som spidseffekt.

En axial-flux permanentmagnetmotor, ofte forkortet til AFPM-motor, bruger det samme grundlæggende elektromagnetiske princip som en konventionel Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), men placerer det magnetiske kredsløb anderledes. I stedet for at bygge motoren som en lang cylinder er en axial-flux-motor formet mere som en tynd skive.

En enkel måde at forestille sig forskellen på er denne: en radialflux-motor fungerer som en cylinder, mens en axial-flux-motor fungerer som et par magnetiske skiver, der vender mod hinanden.

Sådan virker det

I en konventionel Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) løber den primære magnetiske fluxvej vinkelret på rotationsaksen. I en axial-flux-motor løber den primære fluxvej parallelt med aksen. Resultatet er en motor formet som en tynd skive i stedet for en lang cylinder.

Rotor- og statoropbygning: Kernekomponenterne i en AFPM-motor er flade skiver. Den mest almindelige opbygning i højeffektive biler er H-konfigurationen, også kaldet yokeless-and-segmented-armature (YASA)-topologien. To rotorskiver med permanentmagneter sidder på hver side af en central statorskive og klemmes ind fra venstre og højre.

Magnetisk kredsløb: Permanentmagneterne på de to rotorskiver vender samtidig mod statoren fra begge sider. Magnetisk flux passerer direkte fra den ene rotor gennem statorviklingen og videre ind i den modsatte rotor. Det skaber en kort, lavtabsmagnetisk vej. Der er ikke noget konventionelt bagjern bag magneterne, og derfor kaldes topologien "yokeless".

Statorvikling: Statoren består af individuelt viklede segmenter arrangeret i en ring omkring aksen. Hvert segment er en separat spole. Det forenkler vikling, køling og samling sammenlignet med en kontinuerlig radial stator, men kræver også præcis produktion og kontrol af tolerancer.

Kommutering og styring: Som enhver synkron motor kræver en AFPM-motor elektronisk kommutering. En højtydende inverter leverer trefaset vekselstrøm til statorspolerne. Positionsfeedback fra en resolver eller encoder gør det muligt med feltorienteret styring at holde statorfeltet justeret med rotormagneterne.

Momentproduktion: Fordi begge rotorflader bidrager til momentet samtidig, og magneterne sidder tæt på skivens ydre diameter, er den effektive momentarm stor i forhold til motorens masse. Det er hovedårsagen til, at AFPM-motorer kan opnå meget høj momenttæthed.

Hvorfor det betyder noget i elbiler

For elbilproducenter er den primære fordel ved axial-flux-motorer ikke kun høj spidseffekt. Den tynde motorform kan gøre hele drivlinjen lettere at pakke, især i performancebiler med flere motorer. Den gør det også muligt for ingeniører at placere mere af det aktive magnetiske materiale længere fra rotationsaksen, hvilket øger momentet uden at gøre motoren længere.

For føreren opleves fordelen som stærk acceleration fra stilstand, hurtig momentrespons og bedre gentagelsesstabilitet ved hård kørsel. Teknologien vil derfor sandsynligvis først dukke op i dyre performance-elbiler, før den bliver almindelig i mere udbredte modeller.

Axial-flux-motorer er især nyttige, når en producent ønsker at kombinere høj ydelse med kompakt pakning. Derfor er teknologien attraktiv til performance-elbiler, elektriske sportsvogne, hybrid hypercars og anvendelser, hvor drivlinjelængden er begrænset.

Axial-flux vs. radialflux-motorer

Fordele

Høj moment- og effekttæthed: En AFPM-motor kan levere mere moment pr. kilogram og pr. liter end en radialflux-PMSM med sammenlignelig ydelse. Den korte fluxvej og store aktive diameter gør det muligt at producere kraftigt moment i en meget kompakt pakke. I Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé er axial-flux-motorerne kun få centimeter brede, men hver motor kan levere flere hundrede kilowatt afhængigt af anvendelsen.

Højt potentiale for kontinuerlig effekt: Med den rigtige direkte køle-løsning kan en AFPM-motor fastholde en høj andel af sin spidseffekt i længere tid end mange kompakte radialflux-maskiner. Det gør teknologien velegnet til anvendelser, der kræver gentagen acceleration ved fuld belastning, såsom banekørsel, hvor en konventionel motor kan være nødt til at reducere ydelsen, når temperaturerne stiger.

Kompakt pakning: Den tynde skiveform frigør plads langs drivakslen. Det er nyttigt for drivlinjer, hvor to motorer deler en fælles aksel, eller hvor motoren skal passe mellem batteripakken og hjulene uden at forlænge akselafstanden.

Lavere rotortræghed: En skiveformet rotor kan have lavere rotationsinerti end en lang cylindrisk rotor. Motoren kan reagere hurtigt på momentkommandoer, hvilket bidrager til skarp speederrespons og præcis effektlevering.

Potentielt høj effektivitet: Den korte magnetiske fluxvej kan reducere visse tab, og den kompakte viklingsopbygning kan hjælpe med at reducere kobberforbruget. Den virkelige effektivitet afhænger dog af hele motordesignet, inverteren, kølesystemet og driftspunktet. Axial-flux-motorer er ikke automatisk mere effektive i alle køresituationer.

Begrænsninger

Sjældne jordarter: Som de fleste højtydende permanentmagnetmotorer bruger en AFPM-motor sjældne jordartsmagneter som neodym-jern-bor (NdFeB) eller samarium-kobolt (SmCo). Disse magneter er dyre, og forsyningskæden er koncentreret i et begrænset antal lande.

Mekanisk kompleksitet: Den dobbelte rotor-H-konfiguration påfører statoren store aksiale kræfter fra begge sider. Motorhuset skal absorbere disse kræfter uden at tillade afstanden mellem rotor og stator at ændre sig. Det stiller høje krav til lejedesign, husets stivhed, samlingspræcision og produktionstolerancer.

Varmestrøm gennem statorskiven: En radialflux-motor kan køles via en vandkappe rundt om ydersiden af huset. I en AFPM-motor er statoren klemt mellem to rotorer, så kølingen skal nå statorspolerne direkte. Højtydende konstruktioner bruger typisk direkte olie-køling, der sprøjtes på eller gennem de segmenterede spoler, hvilket tilføjer rørføring, pumper, tætningskrav og termisk styringskompleksitet.

Omkostninger og skalerbarhed: AFPM-motorer er stadig mindre modne i masseproduktion end konventionelle radialflux-motorer. Den segmenterede stator, præcis kontrol af luftgabet, magnetplacering og direkte kølesystem kan øge omkostningerne, især før produktionsvolumenerne stiger.

Nye produktionsprocesser: Stansning af rotorskiver, justering af magneterne, vikling af den segmenterede stator og kontrol af de meget små luftgab kræver produktionsteknikker, som traditionelt ikke har været en del af almindelig elmotorsproduktion. Mercedes-Benz har oplyst, at omkring 65 af de cirka 100 produktionsstep, der bruges til at bygge deres axial-flux-motorer på Berlin-Marienfelde-fabrikken, er nye, og mange beskrives som verdens første.

Modstand ved friløb: Som alle permanentmagnetmotorer kan en AFPM-motor skabe modstand, når rotoren drejer uden strøm, fordi magneterne fortsat inducerer spænding i statorspolerne. Nogle elbiler reducerer dette tab ved mekanisk at frakoble motoren, når den ikke er nødvendig, især på en sekundær aksel.

Anvendelse i serieproducerede elbiler

Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé er en af de første serieproducerede batterielektriske biler, der bruger axial-flux-motorer som sine primære trækmotorer. Bilen bruger tre axial-flux-motorer udviklet af YASA: én på forakslen og to på bagakslen, pakket i en bag High-Performance Electric Drive Unit og en front drive unit. I GT 63-varianten er den maksimale systemydelse op til 860 kW.

YASA er en britisk elmotorspecialist, som blev opkøbt af Mercedes-Benz i juli 2021. Deres axial-flux-teknologi er blevet udviklet til fremtidige Mercedes-AMG performance-elbiler, hvor høj effekttæthed, kompakt pakning og gentagelig ydelse er centrale designmål.

Andre højtydende producenter har også vist interesse for axial-flux-designs. Ferrari har signaleret axial-flux-motorteknologi til deres Elettrica-program, mens Koenigsegg bruger den kompakte Quark axial-flux-motor i Gemera. Disse anvendelser viser, hvor teknologien i øjeblikket giver mest mening: dyre, ydelsesfokuserede køretøjer, hvor kompakt størrelse og høj ydelse retfærdiggør den ekstra kompleksitet.

Resumé

Axial-flux-motorer tilbyder en anden måde at pakke en elektrisk trækmotor på. Ved at placere den magnetiske flux langs rotationsaksen i stedet for på tværs af den kan de levere meget højt moment og høj effekt fra en tynd, skiveformet pakke.

Teknologien er ikke en universel erstatning for radialflux-motorer. Den medfører udfordringer med køling, produktion, omkostninger, kontrol af luftgabet og brug af sjældne jordartsmagneter. Men for højtydende elbiler er fordelene betydelige. Axial-flux-motorer gør det muligt for ingeniører at pakke mere effekt ind på mindre plads, forbedre momentresponsen og understøtte gentagen kørsel med høj belastning.

Af den grund vil axial-flux-motorer sandsynligvis blive en vigtig teknologi i næste generation af elektriske performancebiler, før de gradvist breder sig til bredere elbilsegmenter, efterhånden som produktionen skaleres op, og omkostningerne falder.

Lær mere

Se denne Munro Live-video for et dybere kig på design og produktion af axial-flux-motorer.