Radiale flux AC-motoren bieden enkele prestatie- en verpakkingsvoordelen, maar brengen ook enkele thermische en produceerbaarheidsproblemen met zich mee.
Dit deel van de FAQ vervolgt de verkenning van AFM's en RFM's. In het eerste deel werd de axiale fluxmotor (AFM) nader onderzocht en vergeleken met de veelgebruikte radiale fluxmotor (RFM). In het laatste deel van deze veelgestelde vraag worden enkele praktijkproblemen besproken die verband houden met de adoptie van AFM's.
Vraag: Kunt u de werking van de RFM kort uitleggen?
A: Traditionele borstelloze DC-motoren (BLDC) met radiale flux bestaan uit een rotor gemaakt van permanente magneten die zich in een stator bevinden. De koperen wikkelingen zijn om sleuven gewikkeld. De resulterende flux wordt loodrecht op de rotatieas gegenereerd. In dit geval:
- Een stator bevat een steun die bekend staat als een juk en die is uitgerust met “tanden” die elektromagnetische spoelen bevatten.
- De tanden functioneren als afwisselende magnetische polen.
- De magnetische polen van de rotor werken samen met de wisselende magnetische flux van de gewikkelde statortanden, wat resulteert in het koppel van de motor.
Vraag: Hoe zit het met dezelfde overwegingen voor de AFM?
A: De flux wordt parallel aan de rotatie-as gegenereerd vanwege de manier waarop de spoelen zijn gewikkeld. Dit heeft het voordeel dat het de fabricage van de motor in principe vereenvoudigt (maar niet in de praktijk). Er is geen noodzaak voor een juk. Deze “vereenvoudiging” brengt echter nieuwe productieproblemen met zich mee die mogelijk opwegen tegen de voordelen, zoals hieronder wordt besproken.
Vraag: Nadert de axiale flux een nieuwe ontwikkeling?
A: Ja en nee. De eerste motor ter wereld, uitgevonden door Michael Faraday in 1821, was van het type met axiale flux. De verdere ontwikkeling en het gebruik ervan werden echter beperkt door de materialen, het begrip en de verschillende realiteiten van die periode.
Wat wij kennen als de RFM werd in de jaren 1830 bedacht door Thomas Davenport, een smid uit Vermont, die er uiteindelijk patent op kon krijgen. Deze motor staat bekend als de eenvoudige gelijkstroommotor (wisselstroom was toen nog niet ‘ontdekt’ – elektriciteit kwam uit ruwe batterijen). De ironie is dat Davenport in financiële ondergang stierf als gevolg van zijn meedogenloze, hardnekkige jacht op het commerciële succes van deze nu zeer wijdverbreid gebruikte motortopologie.
Vraag: Waarom krijgen AFM’s nu al deze aandacht?
A: Praktische AFM's zijn pas in de afgelopen 40 tot 50 jaar levensvatbaar geworden vanuit een prestatie-, kosten- en productieperspectief. Dit is te danken aan de vooruitgang op het gebied van materialen en productie, maar ook aan computerondersteund ontwerp (CAD) en eindige-elementenanalyse (FEA) voor elektromechanische, magnetische, mechanische en thermische analyse. Het op CAD gebaseerde ontwerp ondersteunt de optimalisatie van de prestaties over veel gerelateerde variabelen. Het helpt ook bij het beoordelen van de verliezen en temperatuurstijgingen in motoren, die vaak beperkende factoren zijn voor de prestaties of bruikbaarheid.
Vraag: Wat zijn enkele details van de AFM-constructie?
A: Er zijn drie primaire aspecten:
- Schijfvormige stator en rotor: Bij axiale fluxmotoren zijn zowel de stator als de rotor ontworpen als platte, ronde schijven. Dit ontwerp maakt een compacte en ruimtebesparende motor mogelijk, waardoor deze bijzonder geschikt is voor toepassingen met beperkte installatieruimte.
- Radiale magneten: De stator en rotor van een axiale fluxmotor bevatten radiaal geplaatste magneten, waardoor een efficiënte en directe interactie tussen de magnetische velden mogelijk is. Deze radiale magneetopstelling verbetert de koppelproductie van de motor, waardoor deze geschikt is voor diverse industriële en automobieltoepassingen.
- Wikkelspoelen: Koperdraadspoelen worden op de stator van de axiale fluxmotor gewikkeld. Deze wikkelspoelen zijn cruciaal bij het genereren van elektromagnetische krachten die de rotatie van de motor aandrijven. De nauwkeurige opstelling en controle van deze spoelen zijn essentieel voor de prestaties van de motor.
Vraag: Zijn er variaties in het basisontwerp van de AFM?
A: Natuurlijk is niets in motoren ooit eenvoudig, zoals te zien is in de ‘stamboom’-figuur. Voor ontwerp met axiale flux zijn er twee basisbenaderingen:
1) AFM-magneet met scheve waaiervorm en sleufmotor: hier kan het “cogging”-koppel niet worden vermeden vanwege de interactie tussen de permanente magneet en de statortand, wat leidt tot koppelrimpels, trillingen en geluid (Figuur 1 links). (“Cogging” is de intermitterende schokkende beweging die optreedt wanneer de as van een conventionele borstelloze motor draait en die het gevolg is van oneffenheden in het magnetische veld.)
2) AFM-magneet van gelamineerd type: AFM's hebben ook problemen met wervelstroomverliezen, waardoor de zelfopwarming toeneemt (denk aan de inductiekookplaat met platte bovenkant die deze wervelstroomverliezen met voordeel gebruikt!), en hun efficiëntie zal ook zijn beïnvloed door de demagnetisatie op hoge temperatuur. Om dit te ondervangen wordt “magneetsegmentatie” gebruikt om de wervelstroomverliezen van de AFM te verminderen (Figuur 1 rechts).
Vraag: Wat zijn de relatieve kenmerken van AFM’s vergeleken met RFM’s?
A: Dit is geen gemakkelijke vraag om te beantwoorden. Voorstanders van AFM’s hebben de neiging de deugden ‘uit te spelen’ en hun zwakke punten te bagatelliseren. Tegelijkertijd hebben RFM's een lange geschiedenis op het gebied van zowel productieprocessen als prestaties in het veld, en dit zijn aanzienlijke voordelen in de meeste motortoepassingen. Ten slotte kennen de relatieve kenmerken veel uitzonderingen op basis van de specifieke kenmerken van hun ontwerp en constructie, evenals de toepassingsdetails.
Vraag: Er moeten toch enkele algemene karakteriseringen zijn?
A: Ja, er zijn enkele generalisaties – en het zijn generalisaties – waarin gedetailleerd wordt beschreven wat AFM’s bieden in vergelijking met RFM’s:
- Compacte structuur, vooral korte axiale afmetingen.
- Klein volume.
- Laag gewicht.
- Hoge koppeldichtheid (Let op: dit is niet hetzelfde als koppel!)
- Hoge vermogensdichtheid.
- Kleine eindwikkeling.
- Zeer efficiënt en daardoor minder koeling nodig.
Vraag: Het lijkt erop dat de voordelen van de AFM duidelijk zijn, maar is dat ook zo?
A: Niet echt. Hoewel ze de koelbehoefte kunnen verminderen, hebben ze ook minder oppervlak om warmte af te voeren dan radiale fluxmotoren.
Vraag: Wat zijn enkele van de problemen die verband houden met het gebruik van AFM’s in plaats van RFM’s?
A: Vanuit elektromagnetisch perspectief is het in de academische wereld en in de praktijk al lang bekend dat de AFM-topologie effectiever is met een hogere koppeldichtheid, wat een sleutelfiguur van verdienste is. Niettemin gebruiken bijna alle tractiemotoren in treinwagons en elektrische voertuigen (toepassingen waarbij de koppeldichtheid van cruciaal belang is) nog steeds de RFM.
Vraag: Kunt u enkele details geven?
A: De uitdagingen bij het bouwen van axiale fluxmotoren variëren van de ontwerpfase tot grootschalige productie.
Denk aan CAD-tools en ontwerpsoftware. De elektromagnetisch ontwerp van radiale fluxmachines kan grotendeels worden gedaan met tweedimensionale (2D) berekeningen, terwijl de magnetische flux van axiale fluxmachines in drie dimensies stroomt en 3D-simulatiesoftware vereist. Dit toolniveau is pas onlangs beschikbaar gekomen en vereist krachtige hardware. Merk op dat zeer effectieve RFM's werden ontworpen en gebruikt voordat er überhaupt CAD bestond.
Vraag: Maar wat is de belemmering voor het gebruik van AFM's als het ontwerp eenmaal klaar is?
A: In de enkele stator is de dubbele rotortopologie praktisch zonder juk AFM, daarover later meer), zijn er twee luchtspleten: één tussen de eerste rotorschijf en de stator en een andere tussen de tweede rotorschijf en de stator. Een uniforme luchtspleet is essentieel tussen de rotor en de stator om akoestisch geluid, trillingen en ruwheid (ruwloop) te minimaliseren. Omdat RFM's slechts één luchtspleet hebben, is deze uniformiteit gemakkelijker tot stand te brengen en te behouden dan bij een AFM, zowel tijdens de productiefase als bij de implementatie en het gebruik in het veld.
Vraag: Is er nog meer?
A: Absoluut. Denk aan de perspectieven op de thermische prestaties van de twee motortypen. De details zijn subtiel: in het geval van de RFM wordt de stator doorgaans indirect van buitenaf gekoeld; in extreme gevallen gebeurt dit via een watermantel in de behuizing. Recentere RFM's worden gekoeld via directe oliekoeling, wat effectiever is dan indirecte koeling, omdat de warmte direct wordt verwijderd van de plek waar deze wordt gegenereerd.
Voor AFM's is het thermische stromingstraject van de koeling complexer, dus het is een grotere uitdaging om de warmte naar buiten en weg van de motor te krijgen, zelfs als de hoeveelheid warmte die moet worden verwijderd kleiner is. De wikkelingen van AFM's bevinden zich diep in de stator en tussen de twee rotorschijven, waardoor het moeilijk is om de warmte af te voeren.
Vraag: Hoe zit het met productieproblemen?
A: De vervaardiging van RFM’s is een zeer volwassen proces en sterk geautomatiseerd. Er zijn veel stappen, zoals het verkrijgen en voorbereiden van materiaal, het ponsen van onderdelen, het lassen, het wikkelen van de spoel en de eindtest, die worden gekarakteriseerd en geoptimaliseerd. Daarentegen is de praktische volumeproductie van AFM's voorlopig een grotere uitdaging en minder gestandaardiseerd.
In het laatste deel van deze veelgestelde vraag worden enkele praktijkproblemen besproken die verband houden met de adoptie van AFM'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”