Im Vergleich zu Radialflussmotoren bieten Axialflussmotoren viele Vorteile bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen. Beispielsweise können Axialflussmotoren das Design des Antriebsstrangs verändern, indem sie den Motor von der Achse zur Innenseite der Räder verlagern.
1.Achse der Macht
Axialflussmotorenzunehmende Aufmerksamkeit erhalten (an Zugkraft gewinnen). Dieser Motortyp wird seit vielen Jahren in stationären Anwendungen wie Aufzügen und landwirtschaftlichen Maschinen eingesetzt, aber im letzten Jahrzehnt haben viele Entwickler daran gearbeitet, diese Technologie zu verbessern und sie auf Elektromotorräder, Flughafenkapseln, Lastkraftwagen und Elektrofahrzeuge anzuwenden Fahrzeuge und sogar Flugzeuge.
Herkömmliche Radialflussmotoren verwenden Permanentmagnete oder Induktionsmotoren, die erhebliche Fortschritte bei der Gewichts- und Kostenoptimierung erzielt haben. Sie stehen jedoch vor vielen Schwierigkeiten, sich weiterzuentwickeln. Axialfluss, ein völlig anderer Motortyp, könnte eine gute Alternative sein.
Im Vergleich zu Radialmotoren ist die effektive magnetische Oberfläche von Axialfluss-Permanentmagnetmotoren die Oberfläche des Motorrotors und nicht der Außendurchmesser. Daher können Axialfluss-Permanentmagnetmotoren in einem bestimmten Motorvolumen normalerweise ein größeres Drehmoment liefern.
Axialflussmotorensind kompakter; Im Vergleich zu Radialmotoren ist die axiale Länge des Motors deutlich kürzer. Bei Innenradmotoren ist dies oft ein entscheidender Faktor. Der kompakte Aufbau von Axialmotoren sorgt für eine höhere Leistungs- und Drehmomentdichte als vergleichbare Radialmotoren und macht so extrem hohe Betriebsgeschwindigkeiten überflüssig.
Auch der Wirkungsgrad von Axialflussmotoren ist sehr hoch und liegt in der Regel bei über 96 %. Dies ist dem kürzeren, eindimensionalen Flussweg zu verdanken, dessen Effizienz im Vergleich zu den besten 2D-Radialflussmotoren auf dem Markt vergleichbar oder sogar höher ist.
Die Länge des Motors ist kürzer, normalerweise 5- bis 8-mal kürzer, und das Gewicht wird ebenfalls um das 2- bis 5-fache reduziert. Diese beiden Faktoren haben die Wahl der Plattformentwickler für Elektrofahrzeuge verändert.
2. Axialflusstechnologie
Es gibt zwei Haupttopologien dafürAxialflussmotoren: Doppelrotor-Einzelstator (manchmal auch als Torus-Maschinen bezeichnet) und Einzelrotor-Doppelstator.
Derzeit verwenden die meisten Permanentmagnetmotoren eine Radialflusstopologie. Der Magnetflusskreis beginnt mit einem Permanentmagneten am Rotor, verläuft durch den ersten Zahn am Stator und fließt dann radial am Stator entlang. Gehen Sie dann durch den zweiten Zahn, um den zweiten magnetischen Stahl am Rotor zu erreichen. Bei einer Axialflusstopologie mit zwei Rotoren beginnt die Flussschleife beim ersten Magneten, verläuft axial durch die Statorzähne und erreicht sofort den zweiten Magneten.
Dies bedeutet, dass der Flussweg deutlich kürzer ist als bei Radialflussmotoren, was zu kleineren Motorvolumina, höherer Leistungsdichte und Effizienz bei gleicher Leistung führt.
Ein Radialmotor, bei dem der Magnetfluss durch den ersten Zahn verläuft und dann durch den Stator zum nächsten Zahn zurückkehrt und den Magneten erreicht. Der magnetische Fluss folgt einem zweidimensionalen Weg.
Der magnetische Flussweg einer axialen Magnetflussmaschine ist eindimensional, sodass kornorientiertes Elektroband verwendet werden kann. Dieser Stahl erleichtert den Durchfluss des Flussmittels und verbessert so die Effizienz.
Radialflussmotoren verwenden traditionell verteilte Wicklungen, wobei bis zur Hälfte der Wicklungsenden nicht funktionieren. Der Spulenüberhang führt zu zusätzlichem Gewicht, höheren Kosten, elektrischem Widerstand und mehr Wärmeverlust und zwingt die Konstrukteure dazu, das Wicklungsdesign zu verbessern.
Die Spule endetAxialflussmotorensind viel geringer, und einige Designs verwenden konzentrierte oder segmentierte Wicklungen, die völlig wirksam sind. Bei Radialmaschinen mit segmentiertem Stator kann die Unterbrechung des magnetischen Flusspfads im Stator zusätzliche Verluste mit sich bringen, bei Axialflussmotoren ist dies jedoch kein Problem. Das Design der Spulenwicklung ist der Schlüssel zur Unterscheidung der Lieferantenebene.
3. Entwicklung
Axialflussmotoren stehen bei Konstruktion und Produktion vor einigen großen Herausforderungen. Trotz ihrer technologischen Vorteile sind ihre Kosten weitaus höher als die von Radialmotoren. Die Menschen verfügen über ein sehr umfassendes Verständnis von Radialmotoren, und auch Herstellungsmethoden und mechanische Ausrüstung sind leicht verfügbar.
Eine der größten Herausforderungen bei Axialflussmotoren besteht darin, einen gleichmäßigen Luftspalt zwischen Rotor und Stator aufrechtzuerhalten, da die Magnetkraft viel größer ist als die von Radialmotoren, was es schwierig macht, einen gleichmäßigen Luftspalt aufrechtzuerhalten. Auch der Axialflussmotor mit zwei Rotoren hat Probleme mit der Wärmeableitung, da sich die Wicklung tief im Stator und zwischen den beiden Rotorscheiben befindet, was die Wärmeableitung sehr erschwert.
Auch Axialflussmotoren sind aus vielen Gründen schwierig herzustellen. Die Doppelrotormaschine, die eine Doppelrotormaschine mit Jochtopologie verwendet (dh das Eisenjoch vom Stator entfernt, aber die Eisenzähne beibehalten), überwindet einige dieser Probleme, ohne den Motordurchmesser und den Magneten zu vergrößern.
Allerdings bringt die Entfernung des Jochs neue Herausforderungen mit sich, etwa die Frage, wie einzelne Zähne ohne mechanische Jochverbindung fixiert und positioniert werden können. Auch die Kühlung stellt eine größere Herausforderung dar.
Außerdem ist es schwierig, den Rotor herzustellen und den Luftspalt aufrechtzuerhalten, da die Rotorscheibe den Rotor anzieht. Der Vorteil besteht darin, dass die Rotorscheiben direkt über einen Wellenring verbunden sind, sodass sich die Kräfte gegenseitig aufheben. Das bedeutet, dass das Innenlager diesen Kräften nicht standhält und seine einzige Funktion darin besteht, den Stator in der Mittelposition zwischen den beiden Rotorscheiben zu halten.
Doppelstator-Einzelrotormotoren stehen nicht vor den Herausforderungen von Rundmotoren, aber die Konstruktion des Stators ist viel komplexer und schwieriger zu automatisieren, und die damit verbundenen Kosten sind ebenfalls hoch. Im Gegensatz zu herkömmlichen Radialflussmotoren sind Herstellungsverfahren und mechanische Ausrüstung für Axialmotoren erst vor kurzem entstanden.
4. Einsatz von Elektrofahrzeugen
Zuverlässigkeit ist in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung und der Nachweis der Zuverlässigkeit und Robustheit verschiedenerAxialflussmotorenHersteller davon zu überzeugen, dass diese Motoren für die Massenproduktion geeignet sind, war schon immer eine Herausforderung. Dies hat die Zulieferer von Axialmotoren dazu veranlasst, umfangreiche eigene Validierungsprogramme durchzuführen, wobei jeder Zulieferer nachweisen konnte, dass sich seine Motorzuverlässigkeit nicht von der herkömmlicher Radialflussmotoren unterscheidet.
Die einzige Komponente, die in einem verschleißen kannAxialflussmotorsind die Lager. Die Länge des axialen magnetischen Flusses ist relativ kurz und die Position der Lager ist näher, meist etwas „überdimensioniert“ ausgelegt. Glücklicherweise hat der Axialflussmotor eine geringere Rotormasse und kann geringeren dynamischen Wellenbelastungen des Rotors standhalten. Daher ist die tatsächlich auf die Lager ausgeübte Kraft viel geringer als die des Radialflussmotors.
Die elektronische Achse ist eine der ersten Anwendungen von Axialmotoren. Durch die geringere Breite können Motor und Getriebe in der Achse gekapselt werden. Bei Hybridanwendungen verkürzt die kürzere axiale Länge des Motors wiederum die Gesamtlänge des Getriebesystems.
Der nächste Schritt besteht darin, den Axialmotor am Rad zu installieren. Auf diese Weise kann die Kraft direkt vom Motor auf die Räder übertragen werden, wodurch der Wirkungsgrad des Motors verbessert wird. Durch den Wegfall von Getrieben, Differenzialen und Antriebswellen wurde auch die Komplexität des Systems reduziert.
Es scheint jedoch, dass Standardkonfigurationen noch nicht erschienen sind. Jeder Erstausrüster erforscht spezifische Konfigurationen, da die unterschiedlichen Größen und Formen von Axialmotoren das Design von Elektrofahrzeugen verändern können. Im Vergleich zu Radialmotoren weisen Axialmotoren eine höhere Leistungsdichte auf, wodurch kleinere Axialmotoren eingesetzt werden können. Dadurch ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten für Fahrzeugplattformen, etwa bei der Platzierung von Batteriepacks.
4.1 Segmentanker
Die YASA-Motortopologie (Yokeless and Segmented Armature) ist ein Beispiel für eine Doppelrotor-Einzelstator-Topologie, die die Fertigungskomplexität reduziert und für die automatisierte Massenproduktion geeignet ist. Diese Motoren haben eine Leistungsdichte von bis zu 10 kW/kg bei Drehzahlen von 2000 bis 9000 U/min.
Mithilfe einer speziellen Steuerung kann ein Strom von 200 kVA für den Motor bereitgestellt werden. Der Controller hat ein Volumen von ca. 5 Litern und wiegt 5,8 Kilogramm, inklusive Thermomanagement mit dielektrischer Ölkühlung, geeignet für Axialflussmotoren sowie Induktions- und Radialflussmotoren.
Dadurch können Erstausrüster und erstklassige Entwickler von Elektrofahrzeugen je nach Anwendung und verfügbarem Platz flexibel den passenden Motor auswählen. Durch die geringere Größe und das geringere Gewicht ist das Fahrzeug leichter und verfügt über mehr Batterien, wodurch sich die Reichweite erhöht.
5. Einsatz von Elektromotorrädern
Für Elektromotorräder und Geländefahrzeuge haben einige Unternehmen AC-Axialflussmotoren entwickelt. Das für diesen Fahrzeugtyp am häufigsten verwendete Design ist ein DC-Bürsten-Axialfluss-Design, während es sich bei dem neuen Produkt um ein vollständig abgedichtetes, bürstenloses AC-Design handelt.
Die Spulen sowohl der Gleich- als auch der Wechselstrommotoren bleiben stationär, aber die Doppelrotoren verwenden Permanentmagnete anstelle von rotierenden Ankern. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass keine mechanische Umkehr erforderlich ist.
Beim AC-Axial-Design können auch standardmäßige dreiphasige AC-Motorsteuerungen für Radialmotoren verwendet werden. Dies hilft, die Kosten zu senken, da die Steuerung den Drehmomentstrom und nicht die Geschwindigkeit steuert. Der Controller benötigt eine Frequenz von 12 kHz oder höher, was der Hauptfrequenz solcher Geräte entspricht.
Die höhere Frequenz ergibt sich aus der geringeren Wicklungsinduktivität von 20 µH. Die Frequenz kann den Strom steuern, um die Stromwelligkeit zu minimieren und ein möglichst glattes Sinussignal zu gewährleisten. Aus dynamischer Sicht ist dies eine großartige Möglichkeit, eine sanftere Motorsteuerung zu erreichen, indem schnelle Drehmomentänderungen ermöglicht werden.
Bei diesem Design wird eine verteilte Doppelschichtwicklung verwendet, sodass der magnetische Fluss vom Rotor zum anderen Rotor durch den Stator fließt, mit einem sehr kurzen Weg und höherer Effizienz.
Der Clou an diesem Design ist, dass es mit einer maximalen Spannung von 60 V betrieben werden kann und nicht für Systeme mit höherer Spannung geeignet ist. Daher kann es für Elektromotorräder und vierrädrige Fahrzeuge der Klasse L7e wie Renault Twizy verwendet werden.
Die maximale Spannung von 60 V ermöglicht die Integration des Motors in gängige 48-V-Bordnetze und vereinfacht Wartungsarbeiten.
Die L7e-Allradmotorradspezifikationen in der europäischen Rahmenverordnung 2002/24/EG schreiben vor, dass das Gewicht von Fahrzeugen, die zum Transport von Gütern verwendet werden, 600 Kilogramm nicht überschreitet, ohne das Gewicht der Batterien. Diese Fahrzeuge dürfen nicht mehr als 200 Kilogramm Passagiere, nicht mehr als 1000 Kilogramm Fracht und nicht mehr als 15 Kilowatt Motorleistung befördern. Das verteilte Wicklungsverfahren kann ein Drehmoment von 75–100 Nm bei einer Spitzenausgangsleistung von 20–25 kW und einer Dauerleistung von 15 kW bereitstellen.
Die Herausforderung des Axialflusses liegt in der Art und Weise, wie Kupferwicklungen Wärme ableiten, was schwierig ist, da die Wärme durch den Rotor fließen muss. Die verteilte Wicklung ist der Schlüssel zur Lösung dieses Problems, da sie über eine große Anzahl von Polschlitzen verfügt. Auf diese Weise entsteht eine größere Oberfläche zwischen Kupfer und Gehäuse und die Wärme kann nach außen übertragen und über ein Standard-Flüssigkeitskühlsystem abgeführt werden.
Mehrere Magnetpole sind der Schlüssel zur Nutzung sinusförmiger Wellenformen, die zur Reduzierung von Oberschwingungen beitragen. Diese Oberschwingungen äußern sich in einer Erwärmung der Magnete und des Kerns, während Kupferkomponenten die Wärme nicht ableiten können. Wenn sich in Magneten und Eisenkernen Wärme ansammelt, sinkt der Wirkungsgrad, weshalb die Optimierung der Wellenform und des Wärmepfads für die Motorleistung von entscheidender Bedeutung ist.
Das Design des Motors wurde optimiert, um Kosten zu senken und eine automatisierte Massenproduktion zu erreichen. Ein extrudierter Gehäusering erfordert keine aufwendige mechanische Bearbeitung und kann die Materialkosten senken. Die Spule kann direkt gewickelt werden und während des Wickelvorgangs wird ein Klebeprozess verwendet, um die richtige Baugruppenform beizubehalten.
Der entscheidende Punkt ist, dass die Spule aus handelsüblichem Draht besteht, während der Eisenkern mit handelsüblichem Transformatorstahl laminiert ist, der lediglich in Form geschnitten werden muss. Andere Motorkonstruktionen erfordern die Verwendung weichmagnetischer Materialien in der Kernlaminat, was möglicherweise teurer ist.
Durch die Verwendung verteilter Wicklungen muss der Magnetstahl nicht segmentiert werden; Sie können einfachere Formen haben und einfacher herzustellen sein. Die Reduzierung der Größe von Magnetstahl und die Gewährleistung einer einfachen Herstellung haben erhebliche Auswirkungen auf die Kostensenkung.
Das Design dieses Axialflussmotors kann auch nach Kundenwunsch angepasst werden. Kunden haben kundenspezifische Versionen rund um das Basisdesign entwickelt. Anschließend wird es auf einer Testproduktionslinie zur frühen Produktionsüberprüfung hergestellt, die in anderen Fabriken reproduziert werden kann.
Die Anpassung erfolgt hauptsächlich, weil die Leistung des Fahrzeugs nicht nur vom Design des Axialmagnetflussmotors abhängt, sondern auch von der Qualität der Fahrzeugstruktur, des Batteriepakets und des BMS.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28.09.2023
