Aksiaalivuon pysyväismagneettimoottorit

Axiaalivuon moottorit ovat nousemassa yhdeksi tärkeimmistä sähkömoottoriteknologioista suorituskykyisissä sähköautoissa. Verrattuna perinteisiin radiaalivuomoottoreihin ne voivat tuottaa erittäin suuren vääntömomentin ja tehon paljon ohuemmassa paketissa. Tämä tekee niistä erityisen houkuttelevia urheiluautoille ja suorituskykyisille sähköautoille, joissa tila, paino, lämpövakaus ja toistuva kiihtyvyys ovat yhtä tärkeitä kuin huipputeho.

Axiaalivuon kestomagneettimoottori, usein lyhennettynä AFPM-moottoriksi, käyttää samaa perussähkömagneettista periaatetta kuin perinteinen pysyväismagneettisynkronimoottori (PMSM), mutta magneettipiiri on järjestetty eri tavalla. Sen sijaan, että moottori rakennettaisiin pitkäksi sylinteriksi, axiaalivuomoottori on muodoltaan enemmän ohut levy.

Yksinkertainen tapa hahmottaa ero on tämä: radiaalivuomoottori toimii kuin sylinteri, kun taas axiaalivuomoottori toimii kuin toisiaan vasten olevien magneettiensa kanssa pari levyä.

Miten se toimii

Perinteisessä pysyväismagneettisynkronimoottorissa (PMSM) päämagneettivuon reitti kulkee kohtisuoraan pyörimisakseliin nähden. Axiaalivuomoottorissa päävuon reitti kulkee akselin suuntaisesti. Tuloksena on moottori, joka on pitkä sylinterin sijaan ohut levy.

Roottorin ja staattorin rakenne: AFPM-moottorin ydinkomponentit ovat litteitä levyjä. Yleisin rakenne suorituskykyisessä autokäytössä on H-konfiguraatio, jota kutsutaan myös yokeless-and-segmented-armature (YASA) -topologiaksi. Kaksi kestomagneetteja kantavaa roottorilevyä sijaitsee keskeisen staattorilevyn molemmin puolin, puristaen sen vasemmalta ja oikealta.

Magneettipiiri: Kahden roottorilevyn kestomagneetit ovat samalla kertaa vastakkain staattorin kanssa molemmilta puolilta. Magneettivuo kulkee suoraan yhdestä roottorista staattorin käämin läpi vastakkaiseen roottoriin. Tämä luo lyhyen, pienihäviöisen magneettisen reitin. Magneettien takana ei ole perinteistä taustarautaa, minkä vuoksi tätä topologiaa kutsutaan "yokeless"-ratkaisuksi.

Staattorin käämitys: Staattori koostuu yksittäin käämittyistä segmenteistä, jotka on järjestetty renkaaksi akselin ympärille. Jokainen segmentti on erillinen kela. Tämä yksinkertaistaa käämintää, jäähdytystä ja kokoonpanoa verrattuna yhtenäiseen radiaalistaattoriin, mutta edellyttää myös tarkkaa valmistusta ja toleranssien hallintaa.

Kommutointi ja ohjaus: Kuten mikä tahansa synkronimoottori, AFPM-moottori vaatii elektronisen kommutoinnin. Suorituskykyinen invertteri syöttää kolmivaiheista vaihtovirtaa staattorin keloille. Resolverilta tai enkooderilta tuleva asentopalaute mahdollistaa kenttäorientoidun ohjauksen, joka pitää staattorin kentän linjassa roottorin magneettien kanssa.

Vääntömomentin tuotto: Koska molemmat roottoripinnat tuottavat vääntöä samanaikaisesti ja magneetit sijaitsevat lähellä levyn ulkoreunaa, tehokas vipuvarsi on suuri moottorin massaan nähden. Tämä on pääsyy siihen, miksi AFPM-moottorit voivat saavuttaa erittäin suuren vääntömomenttitiheyden.

Miksi sillä on merkitystä sähköautoissa

Sähköautovalmistajille axiaalivuomoottorien tärkein etu ei ole pelkästään korkea huipputeho. Ohut moottorimuoto voi tehdä koko voimansiirron paketoinnista helpompaa, erityisesti suorituskykyisissä autoissa, joissa on useita moottoreita. Se antaa myös insinööreille mahdollisuuden sijoittaa enemmän aktiivista magneettista materiaalia kauemmas pyörimisakselista, mikä lisää vääntömomenttia ilman, että moottoria tarvitsee pidentää.

Kuljettajalle etu näkyy vahvana liikkeellelähdön suorituskykynä, nopeana vääntömomenttivasteena ja parempana toistettavuutena kovassa ajossa. Siksi teknologia ilmestyy todennäköisimmin ensin kalliisiin suorituskykyisiin sähköautoihin ennen kuin se yleistyy valtavirran malleissa.

Axiaalivuomoottorit ovat erityisen hyödyllisiä, kun valmistaja haluaa yhdistää suuren tehon kompaktin paketoinnin kanssa. Tämän vuoksi teknologia on houkutteleva suorituskykyisille sähköautoille, sähköurheiluautoille, hybridihyperautoille ja sovelluksiin, joissa voimansiirron pituus on rajoitettu.

Axiaalivuo vs. radiaalivuomoottorit

Edut

Suuri vääntömomentti- ja tehotiheys: AFPM-moottori voi tuottaa enemmän vääntömomenttia kilogrammaa ja litraa kohti kuin vastaavan tehon radiaalivuoinen PMSM. Lyhyt magneettinen reitti ja suuri aktiivinen halkaisija mahdollistavat vahvan väännön erittäin kompaktissa paketissa. Mercedes-AMG GT 4-Door Coupéssa axiaalivuomoottorit ovat vain muutaman senttimetrin levyisiä, mutta jokainen moottori voi tuottaa sovelluksesta riippuen useita satoja kilowatteja.

Suuri jatkuvan tehon potentiaali: Oikealla suoralla jäähdytysrakenteella AFPM-moottori voi ylläpitää suurta osaa huipputehostaan pidempään kuin monet kompaktit radiaalivuomoottorit. Tämä tekee teknologiasta hyvin sopivan sovelluksiin, joissa tarvitaan toistuvaa täyskaasukiihdytystä, kuten ratakäyttöön, jossa perinteinen moottori voi joutua laskemaan tehoa lämpötilojen noustessa.

Kompakti paketointi: Ohut levymäinen muoto vapauttaa tilaa vetopyörästön akselin suuntaisesti. Tämä on hyödyllistä voimansiirroissa, joissa kaksi moottoria jakaa saman akselin, tai joissa moottorin on mahduttava akkupaketin ja pyörien väliin ilman että akseliväli pitenee.

Pienempi roottorin hitausmomentti: Levymäisellä roottorilla voi olla pienempi pyörimishitaus kuin pitkällä sylinterimäisellä roottorilla. Moottori voi reagoida nopeasti vääntökäskyihin, mikä parantaa terävää kaasuun vastaamista ja täsmällistä tehon toimitusta.

Mahdollisesti korkea tehokkuus: Lyhyt magneettinen vuoreitti voi vähentää joitakin häviöitä, ja kompakti käämitysrakenne voi auttaa vähentämään kuparin käyttöä. Todellinen tehokkuus riippuu kuitenkin koko moottorin suunnittelusta, invertteristä, jäähdytysjärjestelmästä ja käyttöalueesta. Axiaalivuomoottorit eivät ole automaattisesti tehokkaampia kaikissa ajotilanteissa.

Rajoitukset

Harvinaiset maametallit: Kuten useimmat suorituskykyiset kestomagneettimoottorit, AFPM-moottori käyttää harvinaisten maametallien magneetteja, kuten neodyymi-rauta-booria (NdFeB) tai samarium-kobolttia (SmCo). Nämä magneetit ovat kalliita, ja toimitusketju on keskittynyt rajalliseen määrään maita.

Mekaaninen monimutkaisuus: Kaksiroottorinen H-konfiguraatio kohdistaa staattoriin suuria aksiaalisia voimia molemmilta puolilta. Moottorikotelon on kestettävä nämä voimat ilman, että roottorin ja staattorin välinen ilmarako muuttuu. Tämä nostaa vaatimustasoa laakeroinnin, kotelon jäykkyyden, kokoonpanotarkkuuden ja valmistustoleranssien osalta.

Lämpöreitti staattorilevyn kautta: Radiaalivuomoottori voidaan jäähdyttää vesivaipalla kotelon ulkopuolelta. AFPM-moottorissa staattori on kahden roottorin välissä, joten jäähdytyksen on ulotuttava suoraan staattorin keloihin. Suorituskykyisissä rakenteissa käytetään tyypillisesti suoraa öljyjäähdytystä, joka suihkutetaan segmentoituihin keloihin tai niiden läpi. Tämä lisää putkitusta, pumppuja, tiivistysvaatimuksia ja lämpöhallinnan monimutkaisuutta.

Kustannukset ja skaalautuvuus: AFPM-moottorit ovat edelleen vähemmän kypsiä sarjatuotannossa kuin perinteiset radiaalivuomoottorit. Segmentoitu staattori, tarkka ilmarakon hallinta, magneettien sijoittelu ja suora jäähdytysjärjestelmä voivat nostaa kustannuksia, erityisesti ennen kuin tuotantomäärät kasvavat.

Uudet valmistusprosessit: Roottorilevyjen leimaaminen, magneettien kohdistaminen, segmentoitu staattorin käämitys ja hyvin pienten ilmarakojen hallinta vaativat tuotantotekniikoita, jotka eivät perinteisesti ole kuuluneet valtavirran sähkömoottorivalmistukseen. Mercedes-Benz on raportoinut, että noin 65 noin 100:sta tuotantovaiheesta, joita käytetään axiaalivuomoottorien valmistamiseen Berlin-Marienfelde-tehtaalla, on uusia, ja monet niistä on kuvattu maailmanensimmäisiksi.

Vastus vapaasti rullattaessa: Kuten kaikki kestomagneettimoottorit, AFPM-moottori voi aiheuttaa vastusta, kun roottori pyörii ilman virtaa, koska magneetit indusoivat edelleen jännitettä staattorin keloihin. Jotkin sähköautot vähentävät tätä häviötä irrottamalla moottorin mekaanisesti, kun sitä ei tarvita, erityisesti toisella akselilla.

Käyttö tuotanto-sähköautoissa

Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé on yksi ensimmäisistä sarjatuotetuista täyssähköautoista, jossa käytetään axiaalivuomoottoreita päävetomoottoreina. Auto käyttää kolmea YASA:n kehittämää axiaalivuomoottoria: yhtä etuakselilla ja kahta taka-akselilla, pakattuna takaosan High-Performance Electric Drive Unit -yksikköön ja etuvetoyksikköön. GT 63 -versiossa järjestelmän huipputeho on jopa 860 kW.

YASA on brittiläinen sähkömoottoriyritys, jonka Mercedes-Benz osti heinäkuussa 2021. Sen axiaalivuoteknologiaa on kehitetty tulevia Mercedes-AMG-sähköautoja varten, joissa suuri tehotiheys, kompakti paketointi ja toistettava suorituskyky ovat keskeisiä suunnittelutavoitteita.

Myös muut suorituskykyiset valmistajat ovat osoittaneet kiinnostusta axiaalivuurakenteisiin. Ferrari on ilmoittanut axiaalivuomoottoriteknologian Elettrica-ohjelmaansa varten, kun taas Koenigsegg käyttää kompaktia Quark-axiaalivuomoottoria Gemerassa. Nämä sovellukset osoittavat, missä teknologia on tällä hetkellä järkevimmillään: kalliissa, suorituskykyyn keskittyvissä ajoneuvoissa, joissa kompakti koko ja suuri teho oikeuttavat lisämonimutkaisuuden.

Yhteenveto

Axiaalivuomoottorit tarjoavat erilaisen tavan paketoida sähköinen vetomoottori. Järjestämällä magneettivuon pyörimisakselin suuntaisesti eikä sen poikki ne voivat tuottaa erittäin suuren vääntömomentin ja tehon ohuesta, levymäisestä paketista.

Teknologia ei ole yleispätevä korvike radiaalivuomoottoreille. Siihen liittyy haasteita jäähdytyksessä, valmistuksessa, kustannuksissa, ilmarakon hallinnassa ja harvinaisten maametallien magneettien käytössä. Suorituskykyisissä sähköautoissa hyödyt ovat kuitenkin merkittäviä. Axiaalivuomoottorit antavat insinööreille mahdollisuuden pakata enemmän tehoa pienempään tilaan, parantaa vääntömomenttivastetta ja tukea toistuvaa suuren kuormituksen ajoa.

Tästä syystä axiaalivuomoottoreista tulee todennäköisesti tärkeä teknologia seuraavan sukupolven sähköisissä suorituskykyautoissa ennen kuin ne vähitellen leviävät laajempiin sähköautomarkkinoiden segmentteihin tuotannon kasvaessa ja kustannusten laskiessa.

Lue lisää

Katso tämä Munro Live -video saadaksesi syvällisemmän katsauksen axiaalivuomoottorin suunnitteluun ja valmistukseen.