Radiale flux AC-motoren bieden enkele prestatie- en verpakkingsvoordelen, maar brengen ook enkele thermische en produceerbaarheidsproblemen met zich mee.
Voor veel elektrische en zelfs werktuigbouwkundige ingenieurs is de motorselectie enigszins mysterieus. U kunt de basisprincipes en werking ervan begrijpen. Toch lijken de ontwerpoverwegingen van hun fluxpaden, polen, materialen en afwegingen in de echte wereld te worden bepaald door complexe maar beslissende vergelijkingen en elektromagnetische modellering aan de ene kant en enigszins ‘magische’ overwegingen aan de andere kant.
Zelfs één perspectief op de motor ‘stamboom’ is slechts enigszins behulpzaam en laat veel vragen onbeantwoord (Figuur 1). Let op: deze afbeelding verschijnt identiek op tientallen websites en is de enige redelijk goede die ik heb gevonden; Helaas ben ik er ondanks mijn aanzienlijke inspanningen niet in geslaagd de oorspronkelijke bron ervan te achterhalen.
In deze FAQ wordt dieper ingegaan op de axiale fluxmotor (AFM) en wordt deze vergeleken met de veelgebruikte radiale fluxmotor (RFM). De AFM wint aan terrein (woordspeling bedoeld) in veel toepassingen, waaronder elektrische voertuigen (EV's). De interne elementen van de AFM zijn zo gerangschikt dat de magnetische fluxlijnen in axiale richting lopen ten opzichte van de rotor, in tegenstelling tot het standaard, zeer veel gebruikte radiale fluxmotorontwerp.
De AFM biedt enkele fysieke en prestatievoordelen, al zijn er uiteraard ook enkele afwegingen. AFM's worden ook informeel pannenkoekmotoren of schijfmotoren genoemd. Hoewel ze niet expliciet worden genoemd in de hierboven getoonde stamboom, waarin noch AFM's noch RFM's worden genoemd, vallen ze onder de categorie "borstelloos".
Let op: om een of andere onverklaarbare reden gebruikt onze acroniem-happy industry zelden de aanduidingen AFM en RFM, maar geeft er de voorkeur aan de drie woorden volledig te spellen; In deze FAQ worden echter kortere en eenvoudigere acroniemen gebruikt in plaats van deze te spellen. Soms bestaat er terughoudendheid bij het gebruik van acroniemen om verwarring met een andere meerwoordaanduiding met hetzelfde acroniem te minimaliseren. Toch is de enige andere technische AFM die ik heb gevonden de atoomkrachtmicroscoop – en er is weinig kans op verwarring daarmee.
Vraag: Ik ben een beetje onduidelijk over de fundamentele motor-mechanische eigenschappen, dus kunt u een korte herinnering geven?
A: Motoren hebben hun eigen unieke en zeer noodzakelijke, lange reeks definities en parameters, en het zou onpraktisch zijn om ze hier allemaal te bespreken. Naast de voor de hand liggende, zoals snelheid (omwentelingen per minuut/rpm), zijn er deze belangrijke verdienstencijfers om in gedachten te houden:
Koppel = Kracht × Lengte van een hefboomarm (of “moment”-arm, die hetzelfde is als de straal van de motorrotor).
Het vergroten van de motordiameter vergroot de rotorradius en verhoogt het motorkoppel, zelfs als de door de magnetische velden gegenereerde kracht onveranderd blijft.
Vermogen = Koppel × Snelheid
Omdat een kleine motor een korte hefboomarm heeft, zal het koppel klein zijn, maar als de motor met hoge snelheid draait, kan het uitgangsvermogen aanzienlijk zijn, zoals te zien is bij een typische RFM of AFM (Figuur 2).
Koppeldichtheid: de verhouding tussen koppelvermogen en volume; meet het koppeldraagvermogen van een component bij een gegeven gewicht en ruimte. Het is vaak een zeer kritische parameter, omdat deze karakteriseert hoe nuttig werk kan worden bereikt binnen het beschikbare pakket.
Ten slotte heeft elke motorselectie te maken met efficiëntie en verliezen. Deze thermische verliezen en materiaalspanningen in de relatief dichte interne constructie van draadspoelen, magneten, steunen en meer kunnen gemakkelijk leiden tot oververhitting, kapotte isolatie, verslechtering van de magnetische eigenschappen, wat resulteert in verminderde prestatieverslechtering en zelfs regelrechte mislukking.
Vraag: Terugkomend op AFM’s en RFM’s: waar verwijst “axiale flux” eigenlijk naar?
A: ‘Axial flux’ is niet de naam van een superheld, en heeft ook niets te maken met de beroemde ‘flux’ condensator'gebruikt om de DeLorean-tijdmachineauto aan te drijven in de klassieke film 'Back to the Future'. In plaats daarvan is het een beschrijving van de uitlijning en oriëntatie van de magnetische fluxlijnen in een motor.
Ze bevinden zich in de axiale richting langs de rotatieas in plaats van radiaal uit en terug in de rotor te komen (Figuur 3). De luchtspleet van de axiale fluxmotor is vlak, en de verdeling van het magnetische veld in de luchtspleet langs de axiale richting, wat betekent dat het magnetische veld van de luchtspleet loodrecht staat op het vlak van de luchtspleet.
Vraag: Ik “zie het” niet echt aan die afbeelding; is er een andere visuele weergave van de flux in AFM's versus RFM's?
A: Er zijn nog twee visuele perspectieven binnen Figuur 4 en Figuur 5.
In het volgende deel van deze FAQ wordt dieper ingegaan op AFM's en RFM's.
EE World-gerelateerde inhoud
Borstelloze motoren en motornaamplaatjes
Op scope gebaseerde diagnose van driefasige motoraandrijvingen
Waarom je geen aandrijving met variabele snelheid nodig hebt om de snelheid van een ventilator te veranderen
Veelgestelde vragen over tractiemotoren, deel 1
Veelgestelde vragen over tractiemotoren, deel 2
Veelgestelde vragen over tractiemotoren, deel 3
Unipolaire versus bipolaire aandrijving voor stappenmotoren, deel 1: principes
Unipolaire versus bipolaire aandrijving voor stappenmotoren, deel 2: afwegingen
Unipolaire versus bipolaire aandrijving voor stappenmotoren, deel 3: aandrijf-IC's
Veelgestelde vragen over servomotoren: deel 1
Veelgestelde vragen over servomotoren: deel 2
Externe referenties
Iowa State University, ‘Motorische kenmerken’
YASA, “Axiale flux: de toekomst van de voortstuwing van elektrische voertuigen”
E-Mobility Engineering, “Axiale fluxmotoren”
Stanford Magnets, “Een overzicht van de axiale fluxmotor en de axiale fluxmotormagneet”
Magnet Academy, Nationaal Mag Lab, “Davenport Motor – 1834”
Eaton, “Waarom koppeldichtheid belangrijk is voor machineontwerp”
Horizon Technologie, "Elektrisch motorontwerp: radiale versus axiale en transversale flux"
Triaxial BV, “Axiale fluxmotor versus radiale fluxmotor: een focus op magnetische veldoriëntatie”
Triaxial BV, “Waarom zijn (nog) niet alle elektrische voertuigmotoren axiale flux?”
Magnetic Innovations, "Wat is een permanente magneetmotor met radiale flux?"
Storables, "Welke elektromotor gebruikt Tesla?"
Tesla, “Subsystemen: motortypen en specificaties”
European Journal of Electrical Engineering, juni 2014, “Magnetische modellering van radiale flux- en axiale flux-motoren met permanente magneet voor auto's met directe aandrijving. Specificaties en vergelijking”
Oak Ridge National Laboratory, “Een vergelijking van radiale en axiale fluxmachines met buitenrotor voor toepassing in elektrische voertuigen”
Kilowatt Classroom LLC, “Grondbeginselen van variabele frequentieaandrijving”
VFDS.org, “Variabele frequentieregelaars”