Axiale-flux permanentmagneetmotoren

Axiale-fluxmotoren komen op als een van de belangrijkste motortechnologieën voor elektrische auto’s met hoge prestaties. Vergeleken met conventionele radiale-fluxmotoren kunnen ze zeer hoog koppel en vermogen leveren in een veel dunner pakket. Daardoor zijn ze bijzonder aantrekkelijk voor sportauto’s en elektrische auto’s met hoge prestaties, waar ruimte, gewicht, thermische stabiliteit en herhaalde acceleratie net zo belangrijk zijn als piekvermogen.

Een axiale-flux permanentmagneetmotor, vaak afgekort tot AFPM-motor, gebruikt hetzelfde basis-elektromagnetische principe als een conventionele Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), maar rangschikt het magnetische circuit anders. In plaats van de motor als een lange cilinder te bouwen, heeft een axiale-fluxmotor meer de vorm van een dunne schijf.

Een eenvoudige manier om het verschil voor te stellen is dit: een radiale-fluxmotor werkt als een cilinder, terwijl een axiale-fluxmotor werkt als een paar tegenover elkaar geplaatste magnetische schijven.

Hoe het werkt

In een conventionele Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) loopt het hoofdpad van de magnetische flux loodrecht op de rotatieas. In een axiale-fluxmotor loopt het hoofdfluxpad parallel aan de as. Het resultaat is een motor in de vorm van een dunne schijf in plaats van een lange cilinder.

Rotor- en statoropstelling: De kerncomponenten van een AFPM-motor zijn platte schijven. De meest voorkomende opstelling in gebruik voor hoge prestaties in de auto-industrie is de H-configuratie, ook wel de yokeless-and-segmented-armature (YASA)-topologie genoemd. Twee rotorschijven met permanente magneten zitten aan weerszijden van een centrale statorschijf en klemmen die van links en rechts in.

Magnetisch circuit: De permanente magneten op de twee rotorschijven kijken tegelijkertijd vanaf beide kanten naar de stator. De magnetische flux gaat rechtstreeks van de ene rotor door de statorwikkeling en in de tegenoverliggende rotor. Dat zorgt voor een kort magnetisch pad met weinig verlies. Er is geen conventioneel jukijzer achter de magneten, daarom wordt deze topologie "yokeless" genoemd.

Statorwikkeling: De stator bestaat uit afzonderlijk gewikkelde segmenten die in een ring rond de as zijn geplaatst. Elk segment is een afzonderlijke spoel. Dit vereenvoudigt het wikkelen, de koeling en de assemblage vergeleken met een doorlopende radiale stator, maar het vereist ook nauwkeurige productie en strakke toleranties.

Commutatie en regeling: Net als elke synchrone motor heeft een AFPM-motor elektronische commutatie nodig. Een hoogwaardige omvormer levert driefasige wisselstroom aan de statorspoelen. Positieterugkoppeling van een resolver of encoder maakt field-oriented control mogelijk om het statorveld uitgelijnd te houden met de rotormagneten.

Koppelopwekking: Omdat beide rotorvlakken tegelijkertijd aan koppel bijdragen en de magneten dicht bij de buitendiameter van de schijf zitten, is de effectieve hefboomarm groot voor een gegeven motormassa. Dit is de belangrijkste reden dat AFPM-motoren een zeer hoge koppel­dichtheid kunnen bereiken.

Waarom het belangrijk is in elektrische auto’s

Voor fabrikanten van elektrische auto’s is de belangrijkste aantrekkingskracht van axiale-fluxmotoren niet alleen het hoge piekvermogen. De dunne motorvorm kan het hele aandrijfsysteem eenvoudiger te verpakken maken, vooral in performance-auto’s met meerdere motoren. Het stelt ingenieurs ook in staat om meer actief magnetisch materiaal verder van de rotatieas te plaatsen, waardoor het koppel toeneemt zonder de motor langer te maken.

Voor bestuurders uit zich dat in sterke acceleratie vanuit stilstand, snelle koppelrespons en betere herhaalbaarheid tijdens hard rijden. De technologie zal daarom waarschijnlijk eerst opduiken in dure performance-elektrische auto’s voordat ze gangbaar wordt in mainstreammodellen.

Axiale-fluxmotoren zijn vooral nuttig wanneer een fabrikant hoge output wil combineren met compacte verpakking. Daarom is de technologie aantrekkelijk voor performance-elektrische auto’s, elektrische sportauto’s, hybride hypercars en toepassingen waar de lengte van de aandrijflijn beperkt is.

Axiale flux versus radiale fluxmotoren

Voordelen

Hoge koppel- en vermogensdichtheid: Een AFPM-motor kan meer koppel per kilogram en per liter leveren dan een radiale-flux PMSM met vergelijkbare output. Het korte fluxpad en de grote actieve diameter laten de motor sterk koppel produceren in een zeer compact pakket. In de Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé zijn de axiale-fluxmotoren slechts enkele centimeters breed, maar elke motor kan afhankelijk van de toepassing enkele honderden kilowatt leveren.

Hoge continue vermogenspotentie: Met het juiste direct-koelingsontwerp kan een AFPM-motor een groot deel van zijn piekvermogen langer volhouden dan veel compacte radiale-fluxmachines. Daardoor is de technologie goed geschikt voor toepassingen die herhaalde acceleratie onder volle belasting vereisen, zoals circuitgebruik, waar een conventionele motor het vermogen mogelijk moet terugschroeven naarmate de temperaturen stijgen.

Compacte verpakking: De dunne schijfvorm maakt ruimte vrij langs de aangedreven as. Dit is handig voor aandrijflijnen waarin twee motoren een gemeenschappelijke as delen, of waar de motor tussen het batterijpakket en de wielen moet passen zonder de wielbasis te verlengen.

Lagere rotorinertie: Een schijfvormige rotor kan een lagere rotatietraagheid hebben dan een lange cilindrische rotor. De motor kan snel reageren op koppelcommando’s, wat bijdraagt aan een scherpe gaspedaalrespons en nauwkeurige vermogensafgifte.

Potentieel hoge efficiëntie: Het korte magnetische fluxpad kan sommige verliezen verminderen, en de compacte wikkelopstelling kan helpen om het kopergebruik te verlagen. In de praktijk hangt de efficiëntie echter af van het complete motorontwerp, de omvormer, het koelsysteem en het werkpunt. Axiale-fluxmotoren zijn niet automatisch in elke rijsituatie efficiënter.

Beperkingen

Zeldzame aardmetalen: Net als de meeste permanente-magneetmotoren met hoge prestaties gebruikt een AFPM-motor zeldzame-aardemagneten zoals neodymium-ijzer-borium (NdFeB) of samarium-kobalt (SmCo). Deze magneten zijn duur en de toeleveringsketen is geconcentreerd in een beperkt aantal landen.

Mechanische complexiteit: De H-configuratie met twee rotoren oefent aan beide kanten grote axiale krachten uit op de stator. De motorbehuizing moet deze krachten opvangen zonder dat de luchtspleet tussen rotor en stator verandert. Dat stelt hoge eisen aan lagerontwerp, stijfheid van de behuizing, assemblagenauwkeurigheid en productietoleranties.

Warmtepad door de statorschijf: Een radiale-fluxmotor kan de stator koelen via een watermantel rond de buitenkant van de behuizing. In een AFPM-motor zit de stator tussen twee rotoren geklemd, dus de koeling moet de statorspoelen direct bereiken. Hoogwaardige ontwerpen gebruiken doorgaans directe oliekoeling die op of door de gesegmenteerde spoelen wordt gespoten, wat extra leidingen, pompen, afdichtingseisen en thermomanagementcomplexiteit toevoegt.

Kosten en schaalbaarheid: AFPM-motoren zijn in massaproductie nog minder volwassen dan conventionele radiale-fluxmotoren. De gesegmenteerde stator, nauwkeurige controle van de luchtspleet, plaatsing van de magneten en het direct-koelsysteem kunnen de kosten verhogen, zeker voordat de productievolumes stijgen.

Nieuwe productieprocessen: Het stansen van rotorschijven, het uitlijnen van de magneten, het wikkelen van de gesegmenteerde stator en het beheersen van de zeer kleine luchtspleten vereisen productietechnieken die traditioneel geen deel uitmaakten van de reguliere productie van elektromotoren. Mercedes-Benz heeft gemeld dat ongeveer 65 van de circa 100 productie-stappen die worden gebruikt om zijn axiale-fluxmotoren in de fabriek in Berlin-Marienfelde te bouwen nieuw zijn, waarvan vele worden omschreven als wereldprimeurs.

Weerstand bij uitrollen: Zoals alle permanentmagneetmotoren kan een AFPM-motor weerstand creëren wanneer de rotor zonder vermogen draait, omdat de magneten spanning blijven opwekken in de statorspoelen. Sommige elektrische auto’s verminderen dit verlies door de motor mechanisch los te koppelen wanneer die niet nodig is, vooral op een secundaire as.

Gebruik in serieproductie-elektrische auto’s

De Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé is een van de eerste serieproductie batterij-elektrische auto’s die axiale-fluxmotoren als hoofdtractiemotoren gebruikt. De auto gebruikt drie axiale-fluxmotoren ontwikkeld door YASA: één op de vooras en twee op de achteras, verpakt in een achterste High-Performance Electric Drive Unit en een voorste drive unit. In de GT 63-variant is het pieksysteemvermogen tot 860 kW.

YASA is een Britse specialist in elektromotoren die in juli 2021 door Mercedes-Benz werd overgenomen. De axiale-fluxtechnologie is ontwikkeld voor toekomstige Mercedes-AMG performance-elektrische auto’s, waar hoge vermogensdichtheid, compacte verpakking en herhaalbare prestaties centrale ontwerpdoelen zijn.

Ook andere fabrikanten van hoge prestaties hebben interesse getoond in axiale-fluxontwerpen. Ferrari heeft axiale-fluxmotortechnologie aangekondigd voor zijn Elettrica-programma, terwijl Koenigsegg de compacte Quark axiale-fluxmotor gebruikt in de Gemera. Deze toepassingen laten zien waar de technologie momenteel het meeste zin heeft: dure voertuigen met focus op prestaties, waar compacte afmetingen en hoge output de extra complexiteit rechtvaardigen.

Samenvatting

Axiale-fluxmotoren bieden een andere manier om een elektrische tractiemotor te verpakken. Door de magnetische flux langs de rotatieas te laten lopen in plaats van er dwars op, kunnen ze zeer hoog koppel en vermogen leveren in een dun pakket in de vorm van een schijf.

De technologie is geen universele vervanger voor radiale-fluxmotoren. Ze brengt uitdagingen met zich mee op het gebied van koeling, productie, kosten, controle van de luchtspleet en het gebruik van zeldzame-aardemagneten. Voor elektrische auto’s met hoge prestaties zijn de voordelen echter aanzienlijk. Axiale-fluxmotoren stellen ingenieurs in staat om meer vermogen in minder ruimte te verpakken, de koppelrespons te verbeteren en herhaald rijden onder hoge belasting te ondersteunen.

Daarom zullen axiale-fluxmotoren waarschijnlijk een belangrijke technologie worden in de volgende generatie elektrische performance-auto’s, voordat ze zich geleidelijk verspreiden naar bredere segmenten van de elektrische auto’s naarmate de productie opschaalt en de kosten dalen.

Meer leren

Bekijk deze Munro Live-video voor een diepere blik op het ontwerp en de productie van axiale-fluxmotoren.