Axial-Flux Permanent Magnet Motors

Axial-flux-motorer framstår som en av de viktigaste elmotorteknikerna för högpresterande elbilar. Jämfört med konventionella radialfluxmotorer kan de leverera mycket högt vridmoment och hög effekt i ett mycket tunnare format. Detta gör dem särskilt attraktiva för sportbilar och prestanda-elbilar, där utrymme, vikt, termisk stabilitet och upprepad acceleration är lika viktiga som toppeffekt.

En axial-flux permanentmagnetmotor, ofta förkortad AFPM-motor, använder samma grundläggande elektromagnetiska princip som en konventionell Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), men den magnetiska kretsen är uppbyggd på ett annat sätt. I stället för att bygga motorn som en lång cylinder är en axial-flux-motor formad mer som en tunn skiva.

Ett enkelt sätt att se skillnaden är följande: en radialfluxmotor fungerar som en cylinder, medan en axial-flux-motor fungerar som ett par magnetiska skivor som vänder mot varandra.

Hur det fungerar

I en konventionell Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) går den huvudsakliga magnetiska flödesvägen vinkelrätt mot rotationsaxeln. I en axial-flux-motor går den huvudsakliga flödesvägen parallellt med axeln. Resultatet är en motor formad som en tunn skiva i stället för en lång cylinder.

Rotor- och statorlayout: Kärnkomponenterna i en AFPM-motor är platta skivor. Den vanligaste layouten i högpresterande fordonsanvändning är H-konfigurationen, även kallad yokeless-and-segmented-armature (YASA)-topologin. Två rotorskivor med permanentmagneter sitter på var sin sida om en central statorskiva och klämmer fast den från vänster och höger.

Magnetisk krets: Permanentmagneterna på de två rotorskivorna vänder sig samtidigt mot statorn från båda sidor. Magnetiskt flöde passerar direkt från den ena rotorn, genom statorlindningen och in i den motsatta rotorn. Detta skapar en kort magnetisk väg med låga förluster. Det finns ingen konventionell ryggjärn bakom magneterna, vilket är anledningen till att topologin kallas "yokeless".

Statorlindning: Statorn består av individuellt lindade segment arrangerade i en ring runt axeln. Varje segment är en separat spole. Detta förenklar lindning, kylning och montering jämfört med en kontinuerlig radial stator, men det kräver också exakt tillverkning och kontroll av toleranser.

Kommutering och styrning: Liksom alla synkronmotorer kräver en AFPM-motor elektronisk kommutering. En högpresterande inverter matar trefas växelström till statorspolarna. Positionsåterkoppling från en resolver eller en encoder gör det möjligt med fältorienterad styrning för att hålla statorfältet i linje med rotorernas magneter.

Vridmomentsproduktion: Eftersom båda rotorns sidor bidrar med vridmoment samtidigt och magneterna sitter nära skivans ytterdiameter blir den effektiva hävarmen stor i förhållande till motorvikten. Detta är huvudorsaken till att AFPM-motorer kan uppnå mycket hög vridmomentsdensitet.

Varför det spelar roll i elbilar

För EV-tillverkare är den främsta fördelen med axial-flux-motorer inte bara hög toppeffekt. Den tunna motorformen kan göra hela drivlinan lättare att paketera, särskilt i prestandabilar med flera motorer. Den gör det också möjligt för ingenjörer att placera mer av det aktiva magnetiska materialet längre från rotationsaxeln, vilket ökar vridmomentet utan att göra motorn längre.

För föraren märks fördelen som stark acceleration från stillastående, snabb vridmomentrespons och bättre repeterbarhet vid hård körning. Tekniken kommer därför sannolikt att dyka upp först i dyra prestanda-elbilar innan den blir vanlig i mer vanliga modeller.

Axial-flux-motorer är särskilt användbara när en tillverkare vill kombinera hög effekt med kompakt paketering. Det är därför tekniken är attraktiv för prestanda-elbilar, elektriska sportbilar, hybrid hypercars och tillämpningar där drivlinans längd är begränsad.

Axial-flux vs radialfluxmotorer

Fördelar

Hög vridmoment- och effekttäthet: En AFPM-motor kan leverera mer vridmoment per kilogram och per liter än en radialflux-PMSM med jämförbar effekt. Den korta flödesvägen och stora aktiva diametern gör att motorn kan producera starkt vridmoment i ett mycket kompakt format. I Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé är axial-flux-motorerna bara några centimeter breda, men varje motor kan leverera flera hundra kilowatt beroende på tillämpning.

Hög kontinuerlig effektpotential: Med rätt direktkylning kan en AFPM-motor upprätthålla en hög andel av sin toppeffekt under längre tid än många kompakta radialfluxmaskiner. Detta gör tekniken väl lämpad för tillämpningar som kräver upprepad acceleration med full belastning, till exempel bankörning, där en konventionell motor kan behöva minska effekten när temperaturen stiger.

Kompakt paketering: Den tunna skivformen frigör utrymme längs drivaxeln. Detta är användbart för drivlinor där två motorer delar en gemensam axel, eller där motorn måste få plats mellan batteripaketet och hjulen utan att hjulbasen förlängs.

Lägre rotortröghet: En skivformad rotor kan ha lägre rotationsinerti än en lång cylindrisk rotor. Motorn kan reagera snabbt på vridmomentskommandon, vilket bidrar till skarp gasrespons och exakt kraftleverans.

Potentiellt hög effektivitet: Den korta magnetiska flödesvägen kan minska vissa förluster, och den kompakta lindningslayouten kan bidra till att minska kopparanvändningen. Verklig effektivitet beror dock på hela motorkonstruktionen, invertern, kylsystemet och driftpunkten. Axial-flux-motorer är inte automatiskt mer effektiva i varje körsituation.

Begränsningar

Sällsynta jordartsmetaller: Liksom de flesta högpresterande permanentmagnetmotorer använder en AFPM-motor sällsynta jordartsmetaller som neodymjärnbor (NdFeB) eller samariumkobolt (SmCo). Dessa magneter är dyra, och leveranskedjan är koncentrerad till ett begränsat antal länder.

Mekanisk komplexitet: Den dubbla rotor-H-konfigurationen utsätter statorn för stora axiella krafter från båda sidor. Motorhuset måste ta upp dessa krafter utan att luftgapet mellan rotor och stator förändras. Detta höjer kraven på lagringsdesign, höljesstyvhet, monteringsprecision och tillverkningstoleranser.

Värmeväg genom statorskivan: En radialfluxmotor kan kylas via en vattenmantel runt utsidan av höljet. I en AFPM-motor ligger statorn klämd mellan två rotorer, så kylningen måste nå statorspolarna direkt. Högpresterande konstruktioner använder vanligtvis direkt oljekylning som sprutas på eller genom de segmenterade spolarna, vilket tillför rördragning, pumpar, tätningskrav och termisk hanteringskomplexitet.

Kostnad och skalbarhet: AFPM-motorer är fortfarande mindre mogna i massproduktion än konventionella radialfluxmotorer. Den segmenterade statorn, den precisa kontrollen av luftgapet, magnetplaceringen och direktkylningssystemet kan öka kostnaden, särskilt innan produktionsvolymerna ökar.

Nya tillverkningsprocesser: Stansning av rotorskivor, inriktning av magneterna, lindning av den segmenterade statorn och kontroll av de mycket små luftspalten kräver produktionstekniker som traditionellt inte har ingått i vanlig tillverkning av elmotorer. Mercedes-Benz har rapporterat att omkring 65 av de ungefär 100 produktionssteg som används för att bygga dess axial-flux-motorer i Berlin-Marienfelde-fabriken är nya, med många beskrivna som världsförst.

Motstånd vid frirullning: Liksom alla permanentmagnetmotorer kan en AFPM-motor skapa motstånd när rotorn snurrar utan kraft, eftersom magneterna fortsätter att inducera spänning i statorspolarna. Vissa elbilar minskar denna förlust genom att koppla bort motorn mekaniskt när den inte behövs, särskilt på en sekundär axel.

Användning i serietillverkade elbilar

Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé är en av de första serieproducerade batterielektriska bilarna som använder axial-flux-motorer som sina huvudsakliga drivmotorer. Bilen använder tre axial-flux-motorer utvecklade av YASA: en på framaxeln och två på bakaxeln, paketerade i en bakre High-Performance Electric Drive Unit och en främre drivenhet. I GT 63-varianten är den maximala systemeffekten upp till 860 kW.

YASA är en brittisk specialist på elmotorer som förvärvades av Mercedes-Benz i juli 2021. Dess axial-flux-teknik har utvecklats för framtida Mercedes-AMG prestanda-elbilar, där hög effekttäthet, kompakt paketering och repeterbar prestanda är centrala designmål.

Andra högpresterande tillverkare har också visat intresse för axial-flux-konstruktioner. Ferrari har antytt axial-flux-motorteknik för sitt Elettrica-program, medan Koenigsegg använder den kompakta Quark axial-flux-motorn i Gemera. Dessa tillämpningar visar var tekniken för närvarande passar bäst: dyra fordon med fokus på prestanda, där kompakt storlek och hög effekt motiverar den extra komplexiteten.

Sammanfattning

Axial-flux-motorer erbjuder ett annat sätt att paketera en elektrisk drivmotor. Genom att placera det magnetiska flödet längs rotationsaxeln i stället för tvärs över den kan de leverera mycket högt vridmoment och hög effekt i ett tunt, skivformat paket.

Tekniken är inte en universell ersättare för radialfluxmotorer. Den innebär utmaningar inom kylning, tillverkning, kostnad, luftgapskontroll och användning av sällsynta jordartsmetallmagneter. Men för högpresterande elbilar är fördelarna betydande. Axial-flux-motorer gör det möjligt för ingenjörer att paketera mer effekt i mindre utrymme, förbättra vridmomentsresponsen och stödja upprepad körning med hög belastning.

Av denna anledning kommer axial-flux-motorer sannolikt att bli en viktig teknik i nästa generation elektriska prestandabilar innan de gradvis sprider sig till bredare EV-segment i takt med att produktionen skalar upp och kostnaderna sjunker.

Läs mer

Se denna Munro Live-video för en djupare genomgång av design och tillverkning av axial-flux-motorer.