Axial-fluks permanentmagnetmotorer

Axial-flux-motorer er i ferd med å bli en av de viktigste elektromotorteknologiene for høyytelses-elbiler. Sammenlignet med konvensjonelle radialflux-motorer kan de levere svært høyt dreiemoment og effekt fra en mye tynnere pakke. Dette gjør dem spesielt attraktive for sportsbiler og ytelses-elbiler, der plass, vekt, termisk stabilitet og gjentatt akselerasjon betyr like mye som toppeffekt.

En axial-flux permanentmagnetmotor, ofte forkortet til AFPM-motor, bruker samme grunnleggende elektromagnetiske prinsipp som en konvensjonell Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), men den magnetiske kretsen er lagt opp annerledes. I stedet for å bygge motoren som en lang sylinder, er en axial-flux-motor formet mer som en tynn skive.

En enkel måte å se forskjellen på er dette: en radialflux-motor fungerer som en sylinder, mens en axial-flux-motor fungerer som et par magnetiske skiver som vender mot hverandre.

Slik fungerer det

I en konvensjonell Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) går den viktigste magnetiske fluksbanen vinkelrett på rotasjonsaksen. I en axial-flux-motor går hovedfluksbanen parallelt med aksen. Resultatet er en motor formet som en tynn skive i stedet for en lang sylinder.

Rotor- og statoroppsett: Kjernekomponentene i en AFPM-motor er flate skiver. Det vanligste oppsettet i bilbruk med høy ytelse er H-konfigurasjonen, også kalt yokeless-and-segmented-armature (YASA)-topologien. To rotorskiver med permanentmagneter sitter på hver side av en sentral statorskive og klemmes inn fra venstre og høyre.

Magnetisk krets: Permanentmagnetene på de to rotorskivene vender mot statoren fra begge sider samtidig. Magnetisk fluks passerer direkte fra én rotor, gjennom statorviklingen, og inn i den motsatte rotoren. Dette skaper en kort magnetisk bane med lavt tap. Det finnes ingen konvensjonell bakjern bak magnetene, og derfor kalles topologien «yokeless».

Statorvikling: Statoren består av individuelt viklede segmenter arrangert i en ring rundt aksen. Hvert segment er en separat spole. Dette forenkler vikling, kjøling og montering sammenlignet med en kontinuerlig radial stator, men det krever også presis produksjon og kontroll av toleranser.

Kommutering og styring: Som enhver synkron motor krever en AFPM-motor elektronisk kommutering. En høyytelses inverter forsyner statorspolene med trefase vekselstrøm. Posisjonstilbakemelding fra en resolver eller enkoder gjør feltorientert styring mulig, slik at statorfeltet holdes innrettet med rotormagnetene.

Dreiemomentproduksjon: Fordi begge rotorflatene bidrar til dreiemoment samtidig, og magnetene sitter nær den ytre diameteren på skiven, er den effektive momentarmen stor for en gitt motormasse. Dette er hovedårsaken til at AFPM-motorer kan oppnå svært høy dreiemomenttetthet.

Hvorfor det er viktig i elbiler

For elbilprodusenter er den viktigste fordelen med axial-flux-motorer ikke bare høy toppeffekt. Den tynne motorformen kan gjøre hele drivlinjen enklere å pakke, særlig i ytelsesbiler med flere motorer. Den gjør det også mulig for ingeniører å plassere mer av det aktive magnetmaterialet lenger fra rotasjonsaksen, noe som øker dreiemomentet uten å gjøre motoren lengre.

For førere merkes fordelen som sterk akselerasjon fra stillestående, rask dreiemomentrespons og bedre repeterbarhet ved hard kjøring. Teknologien vil derfor trolig først dukke opp i dyre ytelses-elbiler før den blir vanlig i mer massemarkedsorienterte modeller.

Axial-flux-motorer er spesielt nyttige når en produsent vil kombinere høy effekt med kompakt innpakking. Det er derfor teknologien er attraktiv for ytelses-elbiler, elektriske sportsbiler, hybridhyperbiler og bruksområder der drivlinjelengden er begrenset.

Axial-flux kontra radialflux-motorer

Fordeler

Høy dreiemoment- og effekttetthet: En AFPM-motor kan levere mer dreiemoment per kilogram og per liter enn en radialflux-PMSM med tilsvarende ytelse. Den korte fluksbanen og den store aktive diameteren gjør at motoren kan produsere sterkt dreiemoment fra en svært kompakt pakke. I Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé er axial-flux-motorene bare noen få centimeter brede, men hver motor kan levere flere hundre kilowatt avhengig av bruksområde.

Høyt kontinuerlig effektpotensial: Med riktig direktekjølt design kan en AFPM-motor opprettholde en høy andel av toppeffekten lenger enn mange kompakte radialflux-maskiner. Dette gjør teknologien godt egnet til bruksområder som krever gjentatte fullgassakselerasjoner, som banekjøring, der en konvensjonell motor kan måtte redusere ytelsen når temperaturen stiger.

Kompakt innpakking: Den tynne skiveformen frigjør plass langs drivakselen. Dette er nyttig for drivlinjer der to motorer deler en felles aksel, eller der motoren må få plass mellom batteripakken og hjulene uten å forlenge akselavstanden.

Lavere rotortreghet: En skiveformet rotor kan ha lavere rotasjonsinerti enn en lang sylindrisk rotor. Motoren kan reagere raskt på dreiemomentkommandoer, noe som bidrar til skarp gassrespons og presis kraftlevering.

Potensielt høy effektivitet: Den korte magnetiske fluksbanen kan redusere noen tap, og den kompakte viklingslayouten kan bidra til lavere kobberbruk. I praksis avhenger likevel effektiviteten av hele motordesignet, inverteren, kjølesystemet og driftspunktet. Axial-flux-motorer er ikke automatisk mer effektive i alle kjøresituasjoner.

Begrensninger

Sjeldne jordartsmetaller: Som de fleste høyytelses permanentmagnetmotorer bruker en AFPM-motor sjeldne jordartsmetaller som neodym-jern-bor (NdFeB) eller samarium-kobolt (SmCo). Disse magnetene er kostbare, og forsyningskjeden er konsentrert i et begrenset antall land.

Mekanisk kompleksitet: Den doble rotor-H-konfigurasjonen utsetter statoren for store aksiale krefter fra begge sider. Motorhuset må absorbere disse kreftene uten å la luftgapet mellom rotor og stator endre seg. Dette stiller høye krav til lagerdesign, husstivhet, monteringsnøyaktighet og produksjonstoleranser.

Varmevei gjennom statorskiven: En radialflux-motor kan kjøle statoren gjennom en vannkappe rundt utsiden av huset. I en AFPM-motor er statoren klemt mellom to rotorer, så kjølingen må nå statorspolene direkte. Høyytelsesdesign bruker vanligvis direkte oljekjøling som sprøytes på eller gjennom de segmenterte spolene, noe som legger til rørføring, pumper, tetningskrav og kompleksitet i termisk styring.

Kostnad og skalerbarhet: AFPM-motorer er fortsatt mindre modne i masseproduksjon enn konvensjonelle radialflux-motorer. Den segmenterte statoren, presis kontroll av luftgapet, magnetplasseringen og systemet for direkte kjøling kan øke kostnadene, særlig før produksjonsvolumene øker.

Nye produksjonsprosesser: Stansing av rotorskiver, innretting av magnetene, vikling av den segmenterte statoren og kontroll av de svært små luftgapene krever produksjonsteknikker som tradisjonelt ikke har vært en del av vanlig elektromotorproduksjon. Mercedes-Benz har opplyst at rundt 65 av de omtrent 100 produksjonstrinnene som brukes til å bygge deres axial-flux-motorer ved Berlin-Marienfelde-fabrikken er nye, og mange beskrives som verdensnyheter.

Motstand ved frirulling: Som alle permanentmagnetmotorer kan en AFPM-motor skape motstand når rotoren snurrer uten strøm, fordi magnetene fortsatt induserer spenning i statorspolene. Noen elbiler reduserer dette tapet ved å koble fra motoren mekanisk når den ikke trengs, særlig på en sekundær aksel.

Bruk i serieproduserte elektriske kjøretøy

Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé er en av de første serieproduserte batterielektriske bilene som bruker axial-flux-motorer som hovedtrekkmotorer. Bilen bruker tre axial-flux-motorer utviklet av YASA: én på forakselen og to på bakakselen, pakket inn i en bakre High-Performance Electric Drive Unit og en frontdrivenhet. I GT 63-varianten er topp systemeffekt opptil 860 kW.

YASA er en britisk spesialist på elektromotorer, kjøpt opp av Mercedes-Benz i juli 2021. Deres axial-flux-teknologi er utviklet for fremtidige Mercedes-AMG ytelses-elbiler, der høy effekttetthet, kompakt innpakking og repeterbar ytelse er sentrale designmål.

Andre produsenter av høyytelsesbiler har også vist interesse for axial-flux-design. Ferrari har signaliserte axial-flux-motorteknologi for Elettrica-programmet sitt, mens Koenigsegg bruker den kompakte Quark axial-flux-motoren i Gemera. Disse bruksområdene viser hvor teknologien i dag gir mest mening: kostbare, ytelsesfokuserte kjøretøy der kompakt størrelse og høy effekt forsvarer den ekstra kompleksiteten.

Oppsummering

Axial-flux-motorer tilbyr en annen måte å pakke inn en elektrisk trekkmotor på. Ved å legge den magnetiske fluksen langs rotasjonsaksen i stedet for på tvers av den, kan de levere svært høyt dreiemoment og effekt fra en tynn, skiveformet pakke.

Teknologien er ikke en universell erstatning for radialflux-motorer. Den innebærer utfordringer knyttet til kjøling, produksjon, kostnad, kontroll av luftgap og bruk av sjeldne jordartsmetaller i magnetene. Likevel er fordelene betydelige for høyytelses-elbiler. Axial-flux-motorer gjør det mulig for ingeniører å pakke mer effekt inn på mindre plass, forbedre dreiemomentresponsen og støtte gjentatt kjøring med høy belastning.

Av denne grunn vil axial-flux-motorer trolig bli en viktig teknologi i neste generasjon elektriske ytelsesbiler, før de gradvis sprer seg til bredere elbilsegmenter etter hvert som produksjonen skaleres opp og kostnadene faller.

Les mer

Se denne Munro Live-videoen for et dypere innblikk i design og produksjon av axial-flux-motorer.