Radiale flux AC-motoren bieden enkele prestatie- en verpakkingsvoordelen, maar brengen ook enkele thermische en produceerbaarheidsproblemen met zich mee.
In deel 1 van deze serie werd de axiale fluxmotor (AFM) gedetailleerd onderzocht en vergeleken met de veelgebruikte radiale fluxmotor (RFM). In deel 2 van deze FAQ werd de verkenning van AFM’s en RFM’s voortgezet. In dit laatste deel van de veelgestelde vragen worden enkele praktijkproblemen besproken die verband houden met de adoptie van AFM's.
Vraag: Welke factor kan de introductie van AFM’s versnellen?
A: Er zijn verschillende factoren. Ten eerste zijn er toepassingen zoals EV’s die zouden kunnen profiteren van de prestaties en het pakket van AFM’s, zoals EV’s. Ook wordt het AFM-ontwerp enorm geholpen door nieuwe CAD/FEA-tools voor analyse van het EM-veld en fluxpaden, materiaalprestaties, fouttolerantie, thermische prestaties en andere overwegingen. Nieuwe technieken, waaronder het gebruik van aangedreven metalen voor het vervaardigen van de magneten, bieden nieuwe productieflexibiliteit. Ten slotte zijn er nieuwe manieren om de benodigde onderdelen en lamineringen van de niet-wikkelende delen van de motor te assembleren.
Vraag: Zijn AFM's verkrijgbaar in kant-en-klare eenheden met gestandaardiseerde afmetingen, kracht en prestaties zoals RFM's?
A: Nee, dat is niet zo, maar dat hoeft geen belemmering te zijn. Potentiële toepassingen met een hoog volume, zoals EV's, zullen op maat gemaakte AFM-ontwerpen vereisen die sterk zijn geoptimaliseerd om aan hun unieke combinatie van eisen te voldoen, en ze zullen het volume hebben om een ontwerp en fabricage op maat te ondersteunen. Veel bedrijven werken aan innovatieve benaderingen van AFM-ontwerp en beweren (of hopen op zijn minst) een superieur ontwerp te bieden vanuit prestatie-, productie- en kostenperspectief.
Vraag: Wie zijn enkele van deze aanbieders van AFM’s?
A: Er zijn veel start-ups en kleinere leveranciers die belangrijk werk doen op dit gebied:
Mercedes-Benz beweert dat de door hun dochteronderneming YASA ontworpen AFM de vermogensdichtheid met meer dan 30% verhoogt en een actieradiusvoordeel van 5% oplevert ten opzichte van RFM's die doorgaans EV's voor de massa aandrijven. Een herbestemde Mercedes-Benz-fabriek in Berlijn gaat axiale fluxmotoren bouwen voor het uitsluitend elektrische AMG-platform van de autofabrikant. De grootste uitdaging zal zijn om de verschillende productiestappen van assemblage, productie en lassen aan te passen aan het nieuwe ontwerp, en te leren omgaan met de zachte magnetische composietmaterialen die ze gebruiken.
Triaxial, een dochteronderneming van het in België gevestigde Magmax BV, heeft ook AFM's ontwikkeld die zich richten op elektrische voertuigen en e-mobiliteitsvliegtuigen (e-taxi's, kleine vliegtuigen). Ze hebben een gepatenteerd jukloos ontwerp waarvan ze beweren dat het efficiënter, lichter en gemakkelijker te vervaardigen is.
Infinitum (Round Rock, TX) beweert dat hun innovatieve AFM met 10 pk 66% minder koper gebruikt, 50% van de grootte en het gewicht heeft en 10% minder energie gebruikt dan een vergelijkbare RFM-motor. Toegegeven, dit zijn indrukwekkende claims voor een motor met een kleiner vermogen.
Naast het aanbieden van CAD-software voor motorontwerp, ontwikkelt ECM PCB Stator Tech (Needham, MA) een unieke benadering van de stator. In plaats van gewikkelde spoelen te gebruiken, onderzoeken ze AFM's met stators die gebruik maken van luchtkernprintplaten. De PCB-stators van ECM vervangen de koperen wikkelingen van conventionele elektrische machines door een ultradunne stator. Dit bespaart ruimte en biedt meer flexibiliteit in ontwerp, optimalisatie en fabricage.
Merk op dat gevestigde RFM-fabrikanten de uitdagingen van AFM's niet negeren. Magnetic Innovations beweert bijvoorbeeld dat hun verbeteringen aan RFM's hen functioneel concurrerend maken met AFM's, terwijl ze gebruik maken van bestaande goedkope productieprocessen.
Vraag: Tesla is een grote gebruiker van motoren; wat voor soort gebruiken ze en zijn het AFM's?
A: De meeste Tesla EV's gebruiken een vloeistofgekoelde AC-synchrone synchrone motor met permanente magneet, met aandrijving met variabele frequentie voor de achterkant, en een AC-inductiemotor, ook vloeistofgekoeld en met aandrijving met variabele frequentie voor de vooraandrijving. Geen van beide motoren is een AFM, hoewel ze naar verluidt het gebruik ervan onderzoeken.
AFM's kunnen het mogelijk mogelijk maken dat de motor in het wielsamenstel zelf wordt gemonteerd, wat enkele ontwerp- en productievoordelen heeft, maar dit draagt ook bij aan het onafgeveerde gewicht, wat het rijgedrag, het rijcomfort en andere besturingsaspecten verslechtert.
Vraag: Tot slot, wat is de elektrische aandrijving van een AFM vergeleken met een RFM?
A: Er wordt gebruik gemaakt van dezelfde elektronica met variabele frequentie (VFD), maar de aandrijfalgoritmen zijn enigszins opnieuw afgestemd om aan te sluiten bij de verschillen in prestaties. Vroege VFD's waren allemaal analoog, maar ze zijn grotendeels achterhaald door processorgestuurde digitale exemplaren. De VFD creëert digitaal een sinusachtige golf uit een stroom van pulsen met een hogere frequentie en pulsbreedtemodulatie (PWM) (Figuur 1). De VFD moduleert ook het aan- en uitlopen bij het in- en uitschakelen om inschakelstroom, spanningspieken, trillingen en mogelijke schokschade aan de motor of de belasting ervan te minimaliseren.
De VFD stelt de frequentie van deze sinusgolf in, regelt en verandert deze, afhankelijk van wat de motor moet doen. Een versterker in de VFD versterkt dit sinussignaal vervolgens tot de spanning en stroom die nodig zijn om de motor van stroom te voorzien. De draaggolffrequentie van een VFD is de frequentie van de PWM-schakeling en varieert doorgaans van 2 kHz tot 20 kHz.
Deze hoogfrequente PWM-uitgang wordt vervolgens gebruikt om de laagfrequente sinusgolf te creëren en levert de variabele frequentie-uitgang aan de motor; deze frequentie strekt zich doorgaans uit van 0 Hz tot 400 Hz. De fysieke grootte en verpakking van een VFD voor algemeen gebruik voor industriële toepassingen met vaste montage varieert van een kleine doos tot een grote kast, afhankelijk van het vereiste spannings-, stroom- en vermogensniveau (Figuur 2).
Daarentegen zal de VFD-aandrijving voor een speciale toepassing zoals een EV-motor of -motoren een op maat gemaakt ontwerp zijn met eigenschappen en prestaties die nauw aansluiten bij de specifieke RFM of AFM die wordt gebruikt, evenals bij de vele eisen op het gebied van veiligheid en werkomgeving in de automobielsector. Bovendien zal de verpakking zo worden ontworpen dat deze past bij de beschikbare ruimte en locatie in het voertuig en om de thermische problemen en extreme temperaturen van een voertuig aan te pakken.
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”