En comparación con los motores de flujo radial, los motores de flujo axial tienen muchas ventajas en el diseño de vehículos eléctricos. Por ejemplo, los motores de flujo axial pueden cambiar el diseño del tren motriz moviendo el motor desde el eje hacia el interior de las ruedas.
1.Eje de poder
Motores de flujo axialestán recibiendo cada vez más atención (ganan tracción). Durante muchos años, este tipo de motor se ha utilizado en aplicaciones estacionarias como ascensores y maquinaria agrícola, pero durante la última década, muchos desarrolladores han estado trabajando para mejorar esta tecnología y aplicarla a motocicletas eléctricas, cápsulas de aeropuertos, camiones de carga, vehículos eléctricos. vehículos e incluso aviones.
Los motores de flujo radial tradicionales utilizan imanes permanentes o motores de inducción, que han logrado avances significativos en la optimización del peso y el costo. Sin embargo, enfrentan muchas dificultades para continuar desarrollándose. El flujo axial, un tipo de motor completamente diferente, puede ser una buena alternativa.
En comparación con los motores radiales, el área de superficie magnética efectiva de los motores de imanes permanentes de flujo axial es la superficie del rotor del motor, no el diámetro exterior. Por lo tanto, en un cierto volumen de motor, los motores de imanes permanentes de flujo axial generalmente pueden proporcionar un par mayor.
Motores de flujo axialson más compactos; En comparación con los motores radiales, la longitud axial del motor es mucho más corta. En el caso de los motores de ruedas internas, este suele ser un factor crucial. La estructura compacta de los motores axiales garantiza una mayor densidad de potencia y densidad de par que los motores radiales similares, eliminando así la necesidad de velocidades de funcionamiento extremadamente altas.
La eficiencia de los motores de flujo axial también es muy alta, superando normalmente el 96%. Esto se debe a la ruta de flujo unidimensional más corta, que es comparable o incluso mayor en eficiencia que los mejores motores de flujo radial 2D del mercado.
La longitud del motor es más corta, normalmente de 5 a 8 veces más corta, y el peso también se reduce de 2 a 5 veces. Estos dos factores han cambiado la elección de los diseñadores de plataformas de vehículos eléctricos.
2. Tecnología de flujo axial
Hay dos topologías principales paramotores de flujo axial: estator simple de rotor doble (a veces denominado máquinas estilo toro) y estator doble de rotor simple.
Actualmente, la mayoría de los motores de imanes permanentes utilizan topología de flujo radial. El circuito de flujo magnético comienza con un imán permanente en el rotor, pasa a través del primer diente del estator y luego fluye radialmente a lo largo del estator. Luego pase por el segundo diente para llegar al segundo acero magnético del rotor. En una topología de flujo axial de doble rotor, el bucle de flujo comienza desde el primer imán, pasa axialmente a través de los dientes del estator e inmediatamente llega al segundo imán.
Esto significa que la trayectoria del flujo es mucho más corta que la de los motores de flujo radial, lo que da como resultado volúmenes de motor más pequeños, mayor densidad de potencia y eficiencia a la misma potencia.
Un motor radial, donde el flujo magnético pasa por el primer diente y luego regresa al siguiente diente a través del estator, llegando al imán. El flujo magnético sigue una trayectoria bidimensional.
La trayectoria del flujo magnético de una máquina de flujo magnético axial es unidimensional, por lo que se puede utilizar acero eléctrico de grano orientado. Este acero facilita el paso del fundente, mejorando así la eficiencia.
Los motores de flujo radial tradicionalmente utilizan devanados distribuidos, en los que hasta la mitad de los extremos del devanado no funcionan. El saliente de la bobina dará como resultado peso, costo, resistencia eléctrica y más pérdida de calor adicionales, lo que obligará a los diseñadores a mejorar el diseño del devanado.
Los extremos de la bobina demotores de flujo axialson muchos menos, y algunos diseños utilizan devanados concentrados o segmentados, que son completamente efectivos. Para las máquinas radiales de estator segmentado, la ruptura del camino del flujo magnético en el estator puede provocar pérdidas adicionales, pero para los motores de flujo axial esto no es un problema. El diseño del devanado de la bobina es la clave para distinguir el nivel de los proveedores.
3. Desarrollo
Los motores de flujo axial enfrentan serios desafíos en diseño y producción; a pesar de sus ventajas tecnológicas, sus costos son mucho más altos que los de los motores radiales. La gente tiene un conocimiento muy profundo de los motores radiales y los métodos de fabricación y equipos mecánicos también están disponibles.
Uno de los principales desafíos de los motores de flujo axial es mantener un entrehierro uniforme entre el rotor y el estator, ya que la fuerza magnética es mucho mayor que la de los motores radiales, lo que dificulta mantener un entrehierro uniforme. El motor de flujo axial de doble rotor también tiene problemas de disipación de calor, ya que el devanado está ubicado profundamente dentro del estator y entre los dos discos del rotor, lo que dificulta mucho la disipación de calor.
Los motores de flujo axial también son difíciles de fabricar por muchas razones. La máquina de doble rotor que utiliza una máquina de doble rotor con una topología de yugos (es decir, eliminando el yugo de hierro del estator pero conservando los dientes de hierro) supera algunos de estos problemas sin expandir el diámetro del motor y el imán.
Sin embargo, retirar el yugo plantea nuevos desafíos, como por ejemplo cómo fijar y posicionar dientes individuales sin una conexión mecánica del yugo. La refrigeración también es un desafío mayor.
También es difícil fabricar el rotor y mantener el entrehierro, ya que el disco del rotor atrae al rotor. La ventaja es que los discos del rotor están conectados directamente a través de un anillo de eje, por lo que las fuerzas se anulan entre sí. Esto significa que el rodamiento interno no soporta estas fuerzas, y su única función es mantener el estator en la posición media entre los dos discos del rotor.
Los motores de rotor único de doble estator no enfrentan los desafíos de los motores circulares, pero el diseño del estator es mucho más complejo y difícil de lograr la automatización, y los costos relacionados también son altos. A diferencia de cualquier motor de flujo radial tradicional, los procesos de fabricación de motores axiales y los equipos mecánicos han surgido recientemente.
4. Aplicación de vehículos eléctricos
La confiabilidad es crucial en la industria automotriz y demostrar la confiabilidad y robustez de diferentesmotores de flujo axialConvencer a los fabricantes de que estos motores son adecuados para la producción en masa siempre ha sido un desafío. Esto ha llevado a los proveedores de motores axiales a llevar a cabo extensos programas de validación por su cuenta, en los que cada proveedor demuestra que la confiabilidad de sus motores no es diferente de la de los motores de flujo radial tradicionales.
El único componente que puede desgastarse en unmotor de flujo axialson los rodamientos. La longitud del flujo magnético axial es relativamente corta y la posición de los cojinetes es más cercana, generalmente diseñada para estar ligeramente "sobredimensionada". Afortunadamente, el motor de flujo axial tiene una masa de rotor más pequeña y puede soportar cargas dinámicas del eje del rotor más bajas. Por lo tanto, la fuerza real aplicada a los cojinetes es mucho menor que la del motor de flujo radial.
El eje electrónico es una de las primeras aplicaciones de los motores axiales. El ancho más delgado puede encapsular el motor y la caja de cambios en el eje. En aplicaciones híbridas, la longitud axial más corta del motor acorta a su vez la longitud total del sistema de transmisión.
El siguiente paso es instalar el motor axial en la rueda. De esta forma, la potencia se puede transmitir directamente desde el motor a las ruedas, mejorando la eficiencia del motor. Debido a la eliminación de transmisiones, diferenciales y ejes de transmisión, también se ha reducido la complejidad del sistema.
Sin embargo, parece que aún no han aparecido configuraciones estándar. Cada fabricante de equipos originales está investigando configuraciones específicas, ya que los diferentes tamaños y formas de los motores axiales pueden alterar el diseño de los vehículos eléctricos. En comparación con los motores radiales, los motores axiales tienen una mayor densidad de potencia, lo que significa que se pueden utilizar motores axiales más pequeños. Esto proporciona nuevas opciones de diseño para plataformas de vehículos, como la ubicación de paquetes de baterías.
4.1 Armadura segmentada
La topología del motor YASA (Yokeless and Segmented Armature) es un ejemplo de una topología de un solo estator de rotor dual, que reduce la complejidad de fabricación y es adecuada para la producción en masa automatizada. Estos motores tienen una densidad de potencia de hasta 10 kW/kg a velocidades de 2000 a 9000 rpm.
Utilizando un controlador dedicado, puede proporcionar una corriente de 200 kVA para el motor. El controlador tiene un volumen aproximado de 5 litros y un peso de 5,8 kilogramos, incluyendo gestión térmica con refrigeración por aceite dieléctrico, apto tanto para motores de flujo axial como para motores de inducción y de flujo radial.
Esto permite a los fabricantes de equipos originales de vehículos eléctricos y a los desarrolladores de primer nivel elegir de manera flexible el motor apropiado según la aplicación y el espacio disponible. El menor tamaño y peso hacen que el vehículo sea más ligero y tenga más baterías, aumentando así la autonomía.
5. Aplicación de las motos eléctricas
Para motocicletas eléctricas y vehículos todo terreno, algunas empresas han desarrollado motores de flujo axial de CA. El diseño comúnmente utilizado para este tipo de vehículo son diseños de flujo axial basados en escobillas de CC, mientras que el nuevo producto es un diseño sin escobillas de CA totalmente sellado.
Las bobinas de los motores de CC y CA permanecen estacionarias, pero los rotores duales utilizan imanes permanentes en lugar de armaduras giratorias. La ventaja de este método es que no requiere inversión mecánica.
El diseño axial de CA también puede utilizar controladores de motor de CA trifásicos estándar para motores radiales. Esto ayuda a reducir costos, ya que el controlador controla la corriente de torque, no la velocidad. El controlador requiere una frecuencia de 12 kHz o superior, que es la frecuencia principal de dichos dispositivos.
La frecuencia más alta proviene de la inductancia del devanado más baja de 20 µH. La frecuencia puede controlar la corriente para minimizar la ondulación y garantizar una señal sinusoidal lo más suave posible. Desde una perspectiva dinámica, esta es una excelente manera de lograr un control del motor más suave al permitir cambios rápidos de torque.
Este diseño adopta un devanado distribuido de doble capa, por lo que el flujo magnético fluye desde el rotor a otro rotor a través del estator, con un recorrido muy corto y mayor eficiencia.
La clave de este diseño es que puede funcionar a un voltaje máximo de 60 V y no es adecuado para sistemas de voltaje más alto. Por tanto, se puede utilizar para motos eléctricas y vehículos de cuatro ruedas clase L7e como el Renault Twizy.
El voltaje máximo de 60 V permite integrar el motor en sistemas eléctricos convencionales de 48 V y simplifica los trabajos de mantenimiento.
Las especificaciones de la motocicleta de cuatro ruedas L7e del Reglamento marco europeo 2002/24/CE estipulan que el peso de los vehículos utilizados para el transporte de mercancías no supera los 600 kilogramos, excluyendo el peso de las baterías. Estos vehículos no pueden transportar más de 200 kilogramos de pasajeros, no más de 1000 kilogramos de carga y no más de 15 kilovatios de potencia del motor. El método de bobinado distribuido puede proporcionar un par de 75 a 100 Nm, con una potencia de salida máxima de 20 a 25 kW y una potencia continua de 15 kW.
El desafío del flujo axial radica en cómo los devanados de cobre disipan el calor, lo cual es difícil porque el calor debe pasar a través del rotor. El devanado distribuido es la clave para solucionar este problema, ya que dispone de un gran número de ranuras para polos. De esta manera, hay una mayor superficie entre el cobre y la carcasa, y el calor puede transferirse al exterior y descargarse mediante un sistema de refrigeración líquida estándar.
Los polos magnéticos múltiples son clave para utilizar formas de onda sinusoidales, que ayudan a reducir los armónicos. Estos armónicos se manifiestan como calentamiento de los imanes y del núcleo, mientras que los componentes de cobre no pueden disipar el calor. Cuando el calor se acumula en los imanes y los núcleos de hierro, la eficiencia disminuye, por lo que optimizar la forma de onda y la ruta del calor es crucial para el rendimiento del motor.
El diseño del motor se ha optimizado para reducir costes y lograr una producción en masa automatizada. Un anillo de carcasa extruido no requiere un procesamiento mecánico complejo y puede reducir los costos de material. La bobina se puede enrollar directamente y se utiliza un proceso de unión durante el proceso de bobinado para mantener la forma correcta del ensamblaje.
El punto clave es que la bobina está hecha de alambre estándar disponible comercialmente, mientras que el núcleo de hierro está laminado con acero estándar para transformadores disponible en el mercado, que simplemente debe cortarse para darle forma. Otros diseños de motores requieren el uso de materiales magnéticos blandos en la laminación del núcleo, lo que puede resultar más costoso.
El uso de devanados distribuidos significa que no es necesario segmentar el acero magnético; Pueden tener formas más simples y más fáciles de fabricar. Reducir el tamaño del acero magnético y garantizar su facilidad de fabricación tiene un impacto significativo en la reducción de costes.
El diseño de este motor de flujo axial también se puede personalizar según los requisitos del cliente. Los clientes tienen versiones personalizadas desarrolladas en torno a un diseño básico. Luego se fabrica en una línea de producción de prueba para una verificación temprana de la producción, que puede replicarse en otras fábricas.
La personalización se debe principalmente a que el rendimiento del vehículo depende no sólo del diseño del motor de flujo magnético axial, sino también de la calidad de la estructura del vehículo, el paquete de baterías y el BMS.
Hora de publicación: 28 de septiembre de 2023
