Radyal akılı motorlara kıyasla, eksenel akılı motorlar elektrikli araç tasarımında birçok avantaja sahiptir. Örneğin, eksenel akılı motorlar, motoru aksdan tekerleklerin içine taşıyarak güç aktarma sisteminin tasarımını değiştirebilir.
1. Güç ekseni
Eksenel akı motorlarıGiderek daha fazla ilgi görüyorlar (yaygınlaşıyorlar). Uzun yıllar boyunca bu tip motorlar asansörler ve tarım makineleri gibi sabit uygulamalarda kullanıldı, ancak son on yılda birçok geliştirici bu teknolojiyi geliştirmek ve elektrikli motosikletlere, havaalanı kapsüllerine, kargo kamyonlarına, elektrikli araçlara ve hatta uçaklara uygulamak için çalıştı.
Geleneksel radyal akı motorları, ağırlık ve maliyet optimizasyonunda önemli ilerleme kaydeden kalıcı mıknatıslar veya indüksiyon motorları kullanır. Ancak, gelişimlerine devam etmede birçok zorlukla karşı karşıyadırlar. Tamamen farklı bir motor türü olan eksenel akı motorları iyi bir alternatif olabilir.
Radyal motorlara kıyasla, eksenel akılı kalıcı mıknatıslı motorların etkili manyetik yüzey alanı, motor rotorunun dış çapı değil, yüzeyidir. Bu nedenle, belirli bir motor hacminde, eksenel akılı kalıcı mıknatıslı motorlar genellikle daha yüksek tork sağlayabilir.
Eksenel akı motorlarıDaha kompakttırlar; radyal motorlara kıyasla motorun eksenel uzunluğu çok daha kısadır. İçten tahrikli motorlar için bu genellikle çok önemli bir faktördür. Eksenel motorların kompakt yapısı, benzer radyal motorlara göre daha yüksek güç yoğunluğu ve tork yoğunluğu sağlar, böylece son derece yüksek çalışma hızlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Eksenel akı motorlarının verimliliği de oldukça yüksektir ve genellikle %96'yı aşmaktadır. Bu, piyasadaki en iyi 2 boyutlu radyal akı motorlarıyla karşılaştırılabilir veya hatta daha yüksek verimliliğe sahip olan daha kısa, tek boyutlu akı yoluna borçludur.
Motorun uzunluğu genellikle 5 ila 8 kat daha kısadır ve ağırlığı da 2 ila 5 kat azalır. Bu iki faktör, elektrikli araç platformu tasarımcılarının seçimini değiştirdi.
2. Eksenel akı teknolojisi
İki ana topoloji vardır.eksenel akı motorları: Çift rotorlu tek statorlu (bazen torus tipi makineler olarak da adlandırılır) ve tek rotorlu çift statorlu.
Günümüzde çoğu kalıcı mıknatıslı motor, radyal akı topolojisi kullanmaktadır. Manyetik akı devresi, rotor üzerindeki kalıcı bir mıknatıstan başlar, stator üzerindeki ilk dişten geçer ve ardından stator boyunca radyal olarak akar. Daha sonra ikinci dişten geçerek rotor üzerindeki ikinci manyetik çeliğe ulaşır. Çift rotorlu eksenel akı topolojisinde ise akı döngüsü ilk mıknatıstan başlar, stator dişlerinden eksenel olarak geçer ve hemen ikinci mıknatısa ulaşır.
Bu, manyetik akı yolunun radyal akı motorlarına göre çok daha kısa olduğu anlamına gelir; bu da daha küçük motor hacimleri, daha yüksek güç yoğunluğu ve aynı güçte daha yüksek verimlilik sağlar.
Manyetik akının ilk dişten geçip stator üzerinden bir sonraki dişe geri dönerek mıknatısa ulaştığı radyal bir motor. Manyetik akı iki boyutlu bir yol izler.
Eksenel manyetik akı makinesinin manyetik akı yolu tek boyutludur, bu nedenle tanecik yönelimli elektrik çeliği kullanılabilir. Bu çelik, akının geçişini kolaylaştırarak verimliliği artırır.
Radyal akılı motorlar geleneksel olarak dağıtılmış sargılar kullanır ve sargı uçlarının yarısına kadarı işlevsizdir. Bobin çıkıntısı ek ağırlık, maliyet, elektriksel direnç ve daha fazla ısı kaybına neden olur ve tasarımcıları sargı tasarımını iyileştirmeye zorlar.
Bobin uçlarıeksenel akı motorlarıBu kayıplar çok daha azdır ve bazı tasarımlar tamamen etkili olan yoğunlaştırılmış veya bölümlü sargılar kullanır. Bölümlü statorlu radyal makinelerde, statordaki manyetik akı yolunun kopması ek kayıplara neden olabilir, ancak eksenel akı motorlarında bu bir sorun değildir. Bobin sargısının tasarımı, tedarikçilerin seviyesini ayırt etmenin anahtarıdır.
3. Gelişim
Eksenel akı motorları, teknolojik avantajlarına rağmen, tasarım ve üretimde bazı ciddi zorluklarla karşı karşıyadır; maliyetleri radyal motorlara göre çok daha yüksektir. İnsanlar radyal motorlar hakkında çok kapsamlı bilgiye sahiptir ve üretim yöntemleri ve mekanik ekipmanlar da kolaylıkla temin edilebilir.
Eksenel akı motorlarının en büyük zorluklarından biri, rotor ve stator arasında düzgün bir hava boşluğu sağlamaktır; çünkü manyetik kuvvet, radyal motorlara göre çok daha büyüktür ve bu da düzgün bir hava boşluğunu korumayı zorlaştırır. Çift rotorlu eksenel akı motorunda ayrıca ısı dağılımı sorunları da vardır, çünkü sargı statorun derinliklerinde ve iki rotor diski arasında yer alır, bu da ısı dağılımını çok zorlaştırır.
Eksenel akı motorlarının üretimi de birçok nedenden dolayı zordur. Çift rotorlu makine, boyunduruk topolojisi (yani demir boyunduruğun statordan çıkarılması ancak demir dişlerin korunması) kullanarak, motor çapını ve mıknatısı büyütmeden bu sorunların bazılarını aşmaktadır.
Ancak, bağlantı parçasının çıkarılması, mekanik bağlantı parçası olmadan tek tek dişlerin nasıl sabitleneceği ve konumlandırılacağı gibi yeni zorlukları beraberinde getiriyor. Soğutma da daha büyük bir zorluk teşkil ediyor.
Rotor diskinin rotoru çekmesi nedeniyle rotoru üretmek ve hava boşluğunu korumak da zordur. Avantajı ise rotor disklerinin bir şaft halkası aracılığıyla doğrudan bağlanmasıdır, böylece kuvvetler birbirini dengeler. Bu, iç yatağın bu kuvvetlere dayanmadığı ve tek işlevinin statoru iki rotor diski arasında orta konumda tutmak olduğu anlamına gelir.
Çift statorlu tek rotorlu motorlar, dairesel motorların zorluklarıyla karşılaşmazlar, ancak stator tasarımı çok daha karmaşık ve otomasyonu sağlamak zordur ve ilgili maliyetler de yüksektir. Geleneksel radyal akı motorlarından farklı olarak, eksenel motor üretim süreçleri ve mekanik ekipmanları ancak yakın zamanda ortaya çıkmıştır.
4. Elektrikli araçların uygulaması
Otomotiv sektöründe güvenilirlik çok önemlidir ve farklı parçaların güvenilirliğini ve sağlamlığını kanıtlamak büyük önem taşır.eksenel akı motorlarıÜreticileri bu motorların seri üretime uygun olduğuna ikna etmek her zaman zorlu bir süreç olmuştur. Bu durum, eksenel motor tedarikçilerini kendi başlarına kapsamlı doğrulama programları yürütmeye yöneltmiş ve her tedarikçi, motorlarının güvenilirliğinin geleneksel radyal akı motorlarından farklı olmadığını göstermiştir.
Bir cihazda aşınabilecek tek bileşeneksenel akı motoruBurada sorun yataklardadır. Eksenel manyetik akının uzunluğu nispeten kısadır ve yatakların konumu daha yakındır, genellikle biraz "aşırı boyutlandırılmış" olarak tasarlanırlar. Neyse ki, eksenel akı motorunun rotor kütlesi daha küçüktür ve daha düşük rotor dinamik şaft yüklerine dayanabilir. Bu nedenle, yataklara uygulanan gerçek kuvvet, radyal akı motoruna göre çok daha küçüktür.
Elektronik aks, eksenel motorların ilk uygulamalarından biridir. Daha ince genişlik, motoru ve dişli kutusunu aksın içine yerleştirmeyi mümkün kılar. Hibrit uygulamalarda, motorun daha kısa eksenel uzunluğu, iletim sisteminin toplam uzunluğunu da kısaltır.
Bir sonraki adım, eksenel motoru tekerleğe monte etmektir. Bu sayede güç, motordan tekerleklere doğrudan iletilebilir ve motorun verimliliği artırılabilir. Şanzıman, diferansiyel ve tahrik milleri ortadan kalktığı için sistemin karmaşıklığı da azalmıştır.
Ancak, standart konfigürasyonların henüz ortaya çıkmadığı görülüyor. Her orijinal ekipman üreticisi, eksenel motorların farklı boyut ve şekillerinin elektrikli araçların tasarımını değiştirebileceği için özel konfigürasyonlar üzerinde araştırma yapıyor. Radyal motorlara kıyasla, eksenel motorlar daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptir, bu da daha küçük eksenel motorların kullanılabileceği anlamına gelir. Bu, araç platformları için, örneğin batarya paketlerinin yerleştirilmesi gibi yeni tasarım seçenekleri sunar.
4.1 Bölümlü armatür
YASA (Yokeless and Segmented Armature) motor topolojisi, üretim karmaşıklığını azaltan ve otomatik seri üretime uygun olan çift rotorlu tek statorlu bir topolojinin örneğidir. Bu motorlar, 2000 ila 9000 rpm hızlarında 10 kW/kg'a kadar güç yoğunluğuna sahiptir.
Özel bir kontrol ünitesi kullanılarak, motora 200 kVA akım sağlanabilir. Kontrol ünitesi yaklaşık 5 litre hacme ve 5,8 kilogram ağırlığa sahiptir; dielektrik yağ soğutmalı termal yönetim sistemi de dahil olmak üzere, eksenel akılı motorların yanı sıra indüksiyon ve radyal akılı motorlar için de uygundur.
Bu, elektrikli araç orijinal ekipman üreticilerinin ve birinci kademe geliştiricilerin, uygulamaya ve mevcut alana bağlı olarak uygun motoru esnek bir şekilde seçmelerine olanak tanır. Daha küçük boyut ve ağırlık, aracı daha hafif hale getirir ve daha fazla bataryaya sahip olmasını sağlayarak menzil artışını mümkün kılar.
5. Elektrikli motosikletlerin uygulaması
Elektrikli motosikletler ve ATV'ler için bazı şirketler AC eksenel akı motorları geliştirmiştir. Bu tip araçlar için yaygın olarak kullanılan tasarım, DC fırçalı eksenel akı tasarımlarıdır; yeni ürün ise AC, tamamen sızdırmaz fırçasız bir tasarımdır.
Hem doğru akım (DC) hem de alternatif akım (AC) motorlarının bobinleri sabit kalır, ancak çift rotorlu motorlarda dönen armatürler yerine kalıcı mıknatıslar kullanılır. Bu yöntemin avantajı, mekanik geri dönüş gerektirmemesidir.
AC eksenel tasarım, radyal motorlar için standart üç fazlı AC motor kontrol ünitelerini de kullanabilir. Bu, maliyetleri düşürmeye yardımcı olur, çünkü kontrol ünitesi hızı değil, tork akımını kontrol eder. Kontrol ünitesi, bu tür cihazların ana akım frekansı olan 12 kHz veya daha yüksek bir frekans gerektirir.
Daha yüksek frekans, 20 µH'lik daha düşük sargı endüktansından kaynaklanmaktadır. Frekans, akım dalgalanmasını en aza indirgemek ve mümkün olduğunca düzgün bir sinüzoidal sinyal sağlamak için akımı kontrol edebilir. Dinamik bir bakış açısıyla, bu, hızlı tork değişikliklerine izin vererek daha düzgün motor kontrolü elde etmenin harika bir yoludur.
Bu tasarım, dağıtılmış çift katmanlı sargı kullanır; bu sayede manyetik akı, rotorun içinden stator üzerinden diğer rotora çok kısa bir yolla ve daha yüksek verimlilikle akar.
Bu tasarımın en önemli özelliği, maksimum 60 V voltajda çalışabilmesi ve daha yüksek voltajlı sistemler için uygun olmamasıdır. Bu nedenle, elektrikli motosikletler ve Renault Twizy gibi L7e sınıfı dört tekerlekli araçlarda kullanılabilir.
60 V'luk maksimum voltaj, motorun standart 48 V elektrik sistemlerine entegre edilmesini sağlar ve bakım işlemlerini kolaylaştırır.
Avrupa Birliği Çerçeve Yönetmeliği 2002/24/EC'de yer alan L7e dört tekerlekli motosiklet spesifikasyonlarına göre, yük taşımacılığında kullanılan araçların ağırlığı, akü ağırlığı hariç, 600 kilogramı geçmemelidir. Bu araçlar en fazla 200 kilogram yolcu, en fazla 1000 kilogram yük ve en fazla 15 kilovat motor gücü taşıyabilir. Dağıtılmış sargı yöntemi, 75-100 Nm tork, 20-25 kW tepe çıkış gücü ve 15 kW sürekli güç sağlayabilir.
Eksenel akının zorluğu, bakır sargıların ısıyı nasıl dağıttığıyla ilgilidir; bu da ısının rotorun içinden geçmesi gerektiği için zordur. Dağıtılmış sargı, çok sayıda kutup yuvasına sahip olduğu için bu sorunu çözmenin anahtarıdır. Bu şekilde, bakır ile gövde arasında daha büyük bir yüzey alanı oluşur ve ısı dışarıya aktarılarak standart bir sıvı soğutma sistemiyle tahliye edilebilir.
Birden fazla manyetik kutup, harmonikleri azaltmaya yardımcı olan sinüzoidal dalga biçimlerinden yararlanmanın anahtarıdır. Bu harmonikler, mıknatısların ve çekirdeğin ısınması şeklinde kendini gösterirken, bakır bileşenler ısıyı uzaklaştıramaz. Isı mıknatıslarda ve demir çekirdeklerde biriktiğinde verimlilik düşer; bu nedenle dalga biçiminin ve ısı yolunun optimize edilmesi motor performansı için çok önemlidir.
Motorun tasarımı, maliyetleri düşürmek ve otomatik seri üretime ulaşmak için optimize edilmiştir. Ekstrüde edilmiş gövde halkası karmaşık mekanik işleme gerek duymaz ve malzeme maliyetlerini düşürebilir. Bobin doğrudan sarılabilir ve doğru montaj şeklini korumak için sarım işlemi sırasında bir yapıştırma işlemi kullanılır.
Önemli nokta şu ki, bobin standart, piyasada bulunan telden yapılmışken, demir çekirdek standart, hazır transformatör çeliği ile lamine edilmiştir ve sadece şekillendirilmesi gerekir. Diğer motor tasarımları, çekirdek laminasyonunda yumuşak manyetik malzemelerin kullanılmasını gerektirir ki bu daha pahalı olabilir.
Dağıtılmış sargıların kullanılması, manyetik çeliğin bölümlere ayrılmasına gerek kalmaması anlamına gelir; daha basit şekillerde olabilirler ve üretimi daha kolay olabilir. Manyetik çeliğin boyutunun küçültülmesi ve üretim kolaylığının sağlanması, maliyetlerin düşürülmesinde önemli bir etkiye sahiptir.
Bu eksenel akı motorunun tasarımı, müşteri gereksinimlerine göre de özelleştirilebilir. Müşteriler, temel tasarım etrafında geliştirilen özelleştirilmiş versiyonlara sahip olabilirler. Daha sonra, erken üretim doğrulaması için deneme üretim hattında üretilirler ve bu da diğer fabrikalarda çoğaltılabilir.
Özelleştirmenin temel nedeni, aracın performansının yalnızca eksenel manyetik akı motorunun tasarımına değil, aynı zamanda araç yapısının, batarya paketinin ve BMS'nin kalitesine de bağlı olmasıdır.
Yayın tarihi: 28 Eylül 2023
