I motori CA a flusso radiale offrono alcuni vantaggi in termini di prestazioni e confezionamento, ma comportano anche alcuni problemi termici e di producibilità.
La prima parte di questa serie ha esaminato in dettaglio il motore a flusso assiale (AFM) e lo ha confrontato con il motore a flusso radiale (RFM), molto diffuso. La parte 1 di queste domande frequenti ha continuato l'esplorazione di AFM e RFM. Questa parte finale delle domande frequenti esamina alcune problematiche del mondo reale associate all'adozione degli AFM.
D: Quale fattore può accelerare l’adozione degli AFM?
A: Ci sono diversi fattori. Innanzitutto, ci sono applicazioni come i veicoli elettrici che potrebbero trarre vantaggio dalle prestazioni e dalla confezione degli AFM, come i veicoli elettrici. Inoltre, la progettazione AFM è notevolmente aiutata da nuovi strumenti CAD/FEA per l'analisi del campo EM e dei percorsi di flusso, delle prestazioni dei materiali, della tolleranza agli errori, delle prestazioni termiche e altre considerazioni. Nuove tecniche, compreso l’uso di metalli potenziati per la fabbricazione dei magneti, offrono una nuova flessibilità di produzione. Infine, ci sono nuovi modi per assemblare le parti necessarie e i lamierini delle parti non avvolgibili del motore.
D: Gli AFM sono disponibili in unità standardizzate con dimensioni, potenza e prestazioni standardizzate come gli RFM?
A: No, non lo sono, ma questo potrebbe non essere un ostacolo. Le potenziali applicazioni ad alto volume come i veicoli elettrici richiederanno progetti AFM personalizzati altamente ottimizzati per soddisfare la loro combinazione unica di requisiti e avranno il volume per supportare una progettazione e una fabbricazione personalizzate. Molte aziende stanno lavorando su approcci innovativi alla progettazione AFM, sostenendo (o almeno sperando) di offrire un design superiore dal punto di vista delle prestazioni, della produzione e dei costi.
D: Chi sono alcuni di questi fornitori di AFM?
A: Ci sono molte start-up e venditori più piccoli che stanno svolgendo un lavoro significativo in questo settore:
Mercedes-Benz afferma che l'AFM progettato dalla sua controllata YASA aumenta la densità di potenza di oltre il 30% e offre un vantaggio di autonomia del 5% rispetto agli RFM che tipicamente alimentano i veicoli elettrici del mercato di massa. Una fabbrica Mercedes-Benz riconvertita a Berlino costruirà motori a flusso assiale per la piattaforma esclusivamente elettrica AMG della casa automobilistica. La sfida principale sarà adattare le varie fasi di produzione di assemblaggio, produzione e saldatura al nuovo design e imparare a gestire i materiali compositi magnetici morbidi utilizzati.
Triaxis, una filiale della Magmax BV con sede in Belgio, ha anche sviluppato AFM destinati ai veicoli elettrici e agli aerei per la mobilità elettrica (e-taxi, piccoli aerei). Hanno un design proprietario senza giogo che sostengono sia più efficiente, più leggero e più facile da produrre.
Infinitum (Round Rock, TX) afferma che il suo innovativo AFM da 10 cavalli utilizza il 66% in meno di rame, ha il 50% delle dimensioni e del peso e utilizza il 10% in meno di energia rispetto a un motore RFM comparabile. Queste sono affermazioni impressionanti, è vero, per un motore di potenza inferiore.
Oltre a offrire software CAD per la progettazione di motori, ECM PCB Stator Tech (Needham, MA) sta sviluppando un approccio unico allo statore. Invece di utilizzare bobine avvolte, stanno studiando gli AFM con statori che utilizzano circuiti stampati con nucleo in aria. Gli statori PCB di ECM sostituiscono gli avvolgimenti in rame presenti nelle macchine elettriche convenzionali con uno statore ultrasottile, risparmiando spazio e consentendo una maggiore flessibilità nella progettazione, ottimizzazione e fabbricazione.
Si noti che i produttori RFM affermati non stanno ignorando le sfide sollevate dagli AFM. Ad esempio, Magnetic Innovations afferma che i miglioramenti apportati agli RFM li rendono funzionalmente competitivi con gli AFM utilizzando processi di produzione esistenti a basso costo.
D: Tesla è uno dei principali utilizzatori di motori; che tipo usano e sono AFM?
A: La maggior parte dei veicoli elettrici Tesla utilizza un motore sincrono a magnete permanente AC raffreddato a liquido, con azionamento a frequenza variabile per la parte posteriore, e un motore a induzione AC, anch'esso raffreddato a liquido e con azionamento a frequenza variabile per la trazione anteriore. Nessuno dei due motori è un AFM, anche se secondo quanto riferito si sta esplorando il loro utilizzo.
Gli AFM potrebbero consentire il montaggio del motore nel gruppo ruota stesso, il che presenta alcuni vantaggi di progettazione e produzione, ma ciò aumenta anche il peso non sospeso, che peggiora la manovrabilità del veicolo, il comfort di guida e altri aspetti di controllo.
D: Infine, qual è l'azionamento elettrico di un AFM rispetto a un RFM?
A: Viene utilizzata la stessa elettronica di azionamento a frequenza variabile (VFD), ma gli algoritmi di azionamento sono leggermente risintonizzati per adattarsi alle differenze di prestazioni. I primi VFD erano tutti analogici, ma sono stati in gran parte resi obsoleti da quelli digitali controllati da processore. Il VFD crea digitalmente un'onda sinusoidale da un flusso di impulsi a frequenza più elevata e modulazione di larghezza di impulso (PWM) (Figure 1
). Il VFD modula inoltre l'accelerazione e la decelerazione delle sequenze di accensione e spegnimento per ridurre al minimo la corrente di spunto, le sovratensioni, le vibrazioni e possibili danni da urto al motore o al suo carico.
Il VFD imposta, controlla e modifica la frequenza di questa onda sinusoidale in base a ciò che il motore è chiamato a fare. Un amplificatore nel VFD amplifica quindi questo segnale sinusoidale alla tensione e alla corrente necessarie per alimentare il motore. La frequenza portante di un VFD è la frequenza della commutazione PWM e generalmente varia da 2 kHz a 20 kHz.
Questa uscita PWM ad alta frequenza viene quindi utilizzata per creare l'onda sinusoidale a frequenza più bassa e fornisce l'uscita a frequenza variabile al motore; questa frequenza varia tipicamente da 0 Hz a 400 Hz. Le dimensioni fisiche e l'imballaggio di un VFD per uso generale per applicazioni industriali fisse vanno da una piccola scatola a un armadio di grandi dimensioni, a seconda della tensione, della corrente e del livello di potenza richiesti (Figure 2 ).
Al contrario, l'azionamento VFD per un'applicazione speciale come uno o più motori EV sarà un progetto personalizzato con attributi e prestazioni strettamente abbinati allo specifico RFM o AFM utilizzato, nonché ai numerosi requisiti di sicurezza automobilistica e ambiente operativo. Inoltre, l'imballaggio sarà progettato per adattarsi allo spazio disponibile e alla posizione nel veicolo, nonché per affrontare i problemi termici e le temperature estreme di un veicolo.
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Riferimenti esterni
Iowa State University, “Caratteristiche del motore”
YASA, “Flusso assiale: il futuro della propulsione dei veicoli elettrici ad alte prestazioni”
E-Mobility Engineering, “Motori a flusso assiale”
Magneti Stanford, "Una panoramica del motore a flusso assiale e del magnete del motore a flusso assiale"
Magnet Academy, National Mag Lab, “Davenport Motor – 1834”
Eaton: “Perché la densità di coppia è importante per la progettazione delle macchine”
Horizon Tecnologia, "Progettazione di motori elettrici: flusso radiale vs. flusso assiale e trasversale"
Triassiale BV, "Motore a flusso assiale vs Motore a flusso radiale: un focus sull'orientamento del campo magnetico"
Triassiale BV, "Perché non tutti i motori dei veicoli elettrici sono (ancora) a flusso assiale?"
Magnetic Innovations, "Cos'è un motore a magneti permanenti a flusso radiale?"
Conservabili, "Quale motore elettrico utilizza Tesla?"
Tesla, “Sottosistemi: tipi di motore e specifiche”
European Journal of Electrical Engineering, giugno 2014, “Modellazione magnetica di motori a magneti permanenti a flusso radiale e assiale per il settore automobilistico a trasmissione diretta. Specifiche e confronto”
Oak Ridge National Laboratory, "Un confronto tra le macchine a flusso radiale e assiale del rotore esterno per applicazioni nei veicoli elettrici"
Kilowatt Classroom LLC, "Fondamenti di azionamento a frequenza variabile"
VFDS.org, “Azionamenti a frequenza variabile”