Radialfluss-Wechselstrommotoren bieten einige Leistungs- und Verpackungsvorteile, bringen aber auch einige thermische und fertigungstechnische Probleme mit sich.
Teil 1 dieser Serie untersuchte den Axialflussmotor (AFM) im Detail und verglich ihn mit dem sehr weit verbreiteten Radialflussmotor (RFM). In Teil 2 dieser FAQ wurde die Untersuchung von AFMs und RFMs fortgesetzt. Dieser letzte Teil der FAQ befasst sich mit einigen realen Problemen im Zusammenhang mit der Einführung von AFMs.
F: Welcher Faktor könnte die Einführung von AFMs beschleunigen?
A: Es gibt mehrere Faktoren. Erstens gibt es Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, die von der Leistung und dem Gehäuse von AFMs wie Elektrofahrzeugen profitieren könnten. Außerdem wird das AFM-Design durch neue CAD/FEA-Tools zur Analyse des EM-Feldes und der Flusspfade, der Materialleistung, der Fehlertoleranz, der thermischen Leistung und anderer Überlegungen erheblich unterstützt. Neue Techniken, einschließlich der Verwendung von Pulvermetallen zur Herstellung der Magnete, bieten neue Produktionsflexibilität. Schließlich gibt es neue Möglichkeiten, die benötigten Teile und Bleche der nicht wickelnden Teile des Motors zusammenzubauen.
F: Sind AFMs wie RFMs in Standardeinheiten mit standardisierter Größe, Leistung und Leistung erhältlich?
A: Nein, das ist nicht der Fall, aber das stellt möglicherweise kein Hindernis dar. Potenzielle Anwendungen mit hohem Volumen, wie z. B. Elektrofahrzeuge, erfordern kundenspezifische AFM-Designs, die hochoptimiert sind, um ihre einzigartige Kombination von Anforderungen zu erfüllen, und sie werden über das Volumen verfügen, um ein kundenspezifisches Design und eine kundenspezifische Fertigung zu unterstützen. Viele Unternehmen arbeiten an innovativen Ansätzen für das AFM-Design und behaupten (oder hoffen zumindest), ein überlegenes Design in Bezug auf Leistung, Herstellung und Kosten anzubieten.
F: Wer sind einige dieser Anbieter von AFMs?
A: Es gibt viele Start-ups und kleinere Anbieter, die in diesem Bereich bedeutende Arbeit leisten:
Mercedes-Benz behauptet, dass das von der Tochtergesellschaft YASA entwickelte AFM die Leistungsdichte um mehr als 30 % erhöht und einen Reichweitenvorteil von 5 % gegenüber RFMs bietet, die normalerweise Elektrofahrzeuge für den Massenmarkt antreiben. Ein umgebautes Mercedes-Benz-Werk in Berlin wird Axialflussmotoren für die rein elektrische AMG-Plattform des Autoherstellers bauen. Die Herausforderung besteht vor allem darin, die verschiedenen Fertigungsschritte Montage, Produktion und Schweißen an das neue Design anzupassen und den Umgang mit den verwendeten weichmagnetischen Verbundwerkstoffen zu erlernen.
Triaxial, eine Tochtergesellschaft der in Belgien ansässigen Magmax BV, hat ebenfalls AFMs entwickelt, die auf Elektrofahrzeuge und E-Mobilitätsflugzeuge (E-Taxis, Kleinflugzeuge) abzielen. Sie verfügen über ein proprietäres jochloses Design, das ihrer Meinung nach effizienter, leichter und einfacher herzustellen ist.
Infinitum (Round Rock, TX) behauptet, dass sein innovativer 10-PS-AFM 66 % weniger Kupfer verbraucht, 50 % der Größe und des Gewichts hat und 10 % weniger Energie verbraucht als ein vergleichbarer RFM-Motor. Das sind zugegebenermaßen beeindruckende Behauptungen für einen Motor mit kleinerer Leistung.
ECM PCB Stator Tech (Needham, MA) bietet nicht nur CAD-Software für die Motorkonstruktion an, sondern entwickelt auch einen einzigartigen Ansatz für den Stator. Anstatt gewickelte Spulen zu verwenden, untersuchen sie AFMs mit Statoren, die auf Leiterplatten mit Luftkern basieren. Die PCB-Statoren von ECM ersetzen die Kupferwicklungen herkömmlicher elektrischer Maschinen durch einen ultradünnen Stator, was Platz spart und mehr Flexibilität bei Design, Optimierung und Fertigung ermöglicht.
Beachten Sie, dass etablierte RFM-Hersteller die Herausforderungen, die AFMs mit sich bringen, nicht ignorieren. Magnetic Innovations behauptet beispielsweise, dass sie durch ihre Verbesserungen an RFMs funktional mit AFMs konkurrenzfähig sind und gleichzeitig bestehende kostengünstige Herstellungsverfahren nutzen.
F: Tesla ist ein großer Nutzer von Motoren; Welche Art verwenden sie und sind sie AFMs?
A: Die meisten Tesla-Elektrofahrzeuge verwenden einen flüssigkeitsgekühlten Wechselstrom-Permanentmagnet-Synchronmotor mit variabler Frequenz für den Heckantrieb und einen Wechselstrom-Induktionsmotor, ebenfalls flüssigkeitsgekühlt und mit variabler Frequenz für den Vorderradantrieb. Bei keinem der beiden Motoren handelt es sich um ein AFM, obwohl Berichten zufolge ihre Verwendung untersucht wird.
AFMs ermöglichen möglicherweise die Montage des Motors in der Radbaugruppe selbst, was einige Design- und Produktionsvorteile mit sich bringt, aber dadurch auch die ungefederte Masse erhöht, was das Fahrzeughandling, den Fahrkomfort und andere Steuerungsaspekte beeinträchtigt.
F: Was ist schließlich der elektrische Antrieb eines AFM im Vergleich zu einem RFM?
A: Es wird die gleiche Elektronik für den Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) verwendet, die Antriebsalgorithmen wurden jedoch leicht angepasst, um den Leistungsunterschieden Rechnung zu tragen. Frühe VFDs waren alle analog, wurden jedoch durch prozessorgesteuerte digitale Geräte weitgehend überholt. Der VFD erzeugt digital eine sinusähnliche Welle aus einem höherfrequenten Impulsstrom und Pulsweitenmodulation (PWM) (Figure 1). Der VFD moduliert auch das Hoch- und Herunterfahren der Ein- und Ausschaltsequenzen, um Einschaltströme, Überspannungen, Vibrationen und mögliche Stoßschäden am Motor oder seiner Last zu minimieren.
Der VFD stellt, steuert und ändert die Frequenz dieser Sinuswelle entsprechend der Aufgabe des Motors. Ein Verstärker im VFD verstärkt dann dieses Sinussignal auf die Spannung und den Strom, die zum Antrieb des Motors erforderlich sind. Die Trägerfrequenz eines VFD ist die Frequenz der PWM-Schaltung und liegt typischerweise zwischen 2 kHz und 20 kHz.
Dieser hochfrequente PWM-Ausgang wird dann verwendet, um die Sinuswelle mit niedrigerer Frequenz zu erzeugen und dem Motor den variablen Frequenzausgang zu liefern; Diese Frequenz liegt typischerweise zwischen 0 Hz und 400 Hz. Die physische Größe und Verpackung eines Allzweck-Frequenzumrichters für stationäre Industrieanwendungen reicht von einer kleinen Box bis zu einem großen Schrank, abhängig von der erforderlichen Spannung, Stromstärke und Leistungsstufe (Figure 2).
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem VFD-Antrieb für eine Spezialanwendung wie einen oder mehrere Elektrofahrzeugmotoren um ein kundenspezifisches Design mit Eigenschaften und Leistungen, die genau auf das verwendete spezifische RFM oder AFM sowie auf die zahlreichen Sicherheits- und Betriebsumgebungsanforderungen im Automobilbereich abgestimmt sind. Darüber hinaus wird die Verpackung so gestaltet, dass sie zum verfügbaren Platz und Standort im Fahrzeug passt und den thermischen Problemen und extremen Temperaturen eines Fahrzeugs gerecht wird.
EE World-bezogene Inhalte
Bürstenlose Motoren und Motortypenschilder
Umfangsbasierte Diagnose von Drehstrommotorantrieben
Warum Sie keinen drehzahlgeregelten Antrieb benötigen, um die Drehzahl eines Lüfters zu ändern
FAQ zu Fahrmotoren, Teil 1
FAQ zu Fahrmotoren, Teil 2
FAQ zu Fahrmotoren, Teil 3
Unipolarer vs. bipolarer Antrieb für Schrittmotoren, Teil 1: Prinzipien
Unipolarer vs. bipolarer Antrieb für Schrittmotoren, Teil 2: Kompromisse
Unipolarer vs. bipolarer Antrieb für Schrittmotoren, Teil 3: Antriebs-ICs
FAQ zu Servomotoren: Teil 1
FAQ zu Servomotoren: Teil 2
Externe Referenzen
Iowa State University, „Motorische Eigenschaften“
YASA, „Axialer Fluss: Die Zukunft des leistungsstarken Elektrofahrzeugantriebs“
E-Mobility Engineering, „Axialflussmotoren“
Stanford Magnets, „Ein Überblick über Axialflussmotoren und Axialflussmotormagnete“
Magnet Academy, National Mag Lab, „Davenport Motor – 1834“
Eaton, „Warum die Drehmomentdichte für das Maschinendesign wichtig ist“
Horizon Technologie, „Elektromotordesign: Radialer vs. axialer und transversaler Fluss“
Triaxial BV, „Axialflussmotor vs. Radialflussmotor: Ein Fokus auf die Ausrichtung des Magnetfelds“
Triaxial BV, „Warum sind nicht alle Elektrofahrzeugmotoren (noch) Axialflussmotoren?“
Magnetic Innovations, „Was ist ein Radialfluss-Permanentmagnetmotor?“
Storables, „Welchen Elektromotor verwendet Tesla?“
Tesla, „Subsysteme: Motortypen und Spezifikationen“
European Journal of Electrical Engineering, Juni 2014, „Magnetische Modellierung von Radial- und Axialfluss-Permanentmagnetmotoren für die Automobilindustrie mit Direktantrieb.“ Spezifikationen und Vergleich“
Oak Ridge National Laboratory, „Ein Vergleich von Außenrotor-Radial- und Axialflussmaschinen für den Einsatz in Elektrofahrzeugen“
Kilowatt Classroom LLC, „Grundlagen des Frequenzumrichters“
VFDS.org, „Antriebe mit variabler Frequenz“