Dibandingkan dengan motor fluks radial, motor fluks aksial memiliki banyak keunggulan dalam desain kendaraan listrik. Misalnya, motor fluks aksial dapat mengubah desain sistem penggerak dengan memindahkan motor dari poros ke bagian dalam roda.
1. Poros kekuasaan
Motor fluks aksialsemakin mendapat perhatian (mendapatkan daya tarik). Selama bertahun-tahun, jenis motor ini telah digunakan dalam aplikasi stasioner seperti lift dan mesin pertanian, tetapi selama dekade terakhir, banyak pengembang telah berupaya meningkatkan teknologi ini dan menerapkannya pada sepeda motor listrik, pod bandara, truk kargo, kendaraan listrik, dan bahkan pesawat terbang.
Motor fluks radial tradisional menggunakan magnet permanen atau motor induksi, yang telah mengalami kemajuan signifikan dalam mengoptimalkan bobot dan biaya. Akan tetapi, motor ini menghadapi banyak kendala dalam pengembangannya. Fluks aksial, jenis motor yang sama sekali berbeda, mungkin merupakan alternatif yang baik.
Dibandingkan dengan motor radial, luas permukaan magnet efektif motor magnet permanen fluks aksial adalah permukaan rotor motor, bukan diameter luarnya. Oleh karena itu, pada volume motor tertentu, motor magnet permanen fluks aksial biasanya dapat memberikan torsi yang lebih besar.
Motor fluks aksiallebih kompak; Dibandingkan dengan motor radial, panjang aksial motor jauh lebih pendek. Untuk motor roda internal, ini sering kali menjadi faktor penting. Struktur kompak motor aksial memastikan kepadatan daya dan kepadatan torsi yang lebih tinggi daripada motor radial serupa, sehingga menghilangkan kebutuhan akan kecepatan operasi yang sangat tinggi.
Efisiensi motor fluks aksial juga sangat tinggi, biasanya melebihi 96%. Hal ini berkat jalur fluks satu dimensi yang lebih pendek, yang sebanding atau bahkan lebih tinggi efisiensinya dibandingkan dengan motor fluks radial 2D terbaik di pasaran.
Panjang motor lebih pendek, biasanya 5 hingga 8 kali lebih pendek, dan bobotnya juga berkurang 2 hingga 5 kali lipat. Kedua faktor ini telah mengubah pilihan perancang platform kendaraan listrik.
2. Teknologi fluks aksial
Ada dua topologi utama untukmotor fluks aksial: rotor ganda stator tunggal (kadang-kadang disebut mesin gaya torus) dan rotor tunggal stator ganda.
Saat ini, sebagian besar motor magnet permanen menggunakan topologi fluks radial. Rangkaian fluks magnetik dimulai dengan magnet permanen pada rotor, melewati gigi pertama pada stator, lalu mengalir secara radial di sepanjang stator. Kemudian melewati gigi kedua untuk mencapai baja magnetik kedua pada rotor. Dalam topologi fluks aksial rotor ganda, loop fluks dimulai dari magnet pertama, melewati secara aksial melalui gigi stator, dan langsung mencapai magnet kedua.
Artinya, jalur fluksnya jauh lebih pendek dibanding motor fluks radial, sehingga menghasilkan volume motor lebih kecil, kerapatan daya lebih tinggi, dan efisiensi pada daya yang sama.
Motor radial, di mana fluks magnet melewati gigi pertama dan kemudian kembali ke gigi berikutnya melalui stator, mencapai magnet. Fluks magnet mengikuti jalur dua dimensi.
Lintasan fluks magnetik dari mesin fluks magnetik aksial bersifat satu dimensi, sehingga baja listrik berorientasi butiran dapat digunakan. Baja ini memudahkan fluks untuk melewatinya, sehingga meningkatkan efisiensi.
Motor fluks radial secara tradisional menggunakan lilitan terdistribusi, dengan hingga setengah dari ujung lilitan tidak berfungsi. Kumparan yang menjorok akan mengakibatkan bobot, biaya, resistansi listrik, dan kehilangan panas yang lebih banyak, sehingga memaksa perancang untuk memperbaiki desain lilitan.
Ujung kumparanmotor fluks aksialjauh lebih sedikit, dan beberapa desain menggunakan lilitan terkonsentrasi atau tersegmentasi, yang sepenuhnya efektif. Untuk mesin radial stator tersegmentasi, putusnya jalur fluks magnet di stator dapat menimbulkan kerugian tambahan, tetapi untuk motor fluks aksial, ini bukan masalah. Desain lilitan kumparan adalah kunci untuk membedakan tingkat pemasok.
3. Pengembangan
Motor fluks aksial menghadapi beberapa tantangan serius dalam desain dan produksi, meskipun memiliki keunggulan teknologi, biayanya jauh lebih tinggi daripada motor radial. Orang-orang memiliki pemahaman yang sangat mendalam tentang motor radial, dan metode produksi serta peralatan mekanis juga tersedia.
Salah satu tantangan utama motor fluks aksial adalah mempertahankan celah udara yang seragam antara rotor dan stator, karena gaya magnet jauh lebih besar daripada motor radial, sehingga sulit mempertahankan celah udara yang seragam. Motor fluks aksial rotor ganda juga memiliki masalah pembuangan panas, karena lilitannya terletak jauh di dalam stator dan di antara dua cakram rotor, sehingga pembuangan panas menjadi sangat sulit.
Motor fluks aksial juga sulit diproduksi karena berbagai alasan. Mesin rotor ganda yang menggunakan mesin rotor ganda dengan topologi kuk (yaitu melepaskan kuk besi dari stator tetapi mempertahankan gigi besi) mengatasi beberapa masalah ini tanpa memperluas diameter motor dan magnet.
Namun, melepas kuk membawa tantangan baru, seperti cara memperbaiki dan memposisikan gigi individual tanpa sambungan kuk mekanis. Pendinginan juga merupakan tantangan yang lebih besar.
Sulit juga untuk memproduksi rotor dan mempertahankan celah udara, karena cakram rotor menarik rotor. Keuntungannya adalah cakram rotor terhubung langsung melalui cincin poros, sehingga gaya saling meniadakan. Ini berarti bahwa bantalan internal tidak menahan gaya-gaya ini, dan satu-satunya fungsinya adalah menjaga stator di posisi tengah antara dua cakram rotor.
Motor stator ganda rotor tunggal tidak menghadapi tantangan motor sirkular, tetapi desain stator jauh lebih rumit dan sulit untuk mencapai otomatisasi, dan biaya terkait juga tinggi. Tidak seperti motor fluks radial tradisional, proses pembuatan motor aksial dan peralatan mekanis baru-baru ini muncul.
4. Penerapan kendaraan listrik
Keandalan sangat penting dalam industri otomotif, dan membuktikan keandalan dan ketahanan berbagaimotor fluks aksialmeyakinkan produsen bahwa motor ini cocok untuk produksi massal selalu menjadi tantangan. Hal ini telah mendorong pemasok motor aksial untuk melaksanakan program validasi ekstensif sendiri, dengan masing-masing pemasok menunjukkan bahwa keandalan motor mereka tidak berbeda dari motor fluks radial tradisional.
Satu-satunya komponen yang dapat rusak dalammotor fluks aksialadalah bantalannya. Panjang fluks magnetik aksial relatif pendek, dan posisi bantalannya lebih dekat, biasanya dirancang agar sedikit “berdimensi lebih besar”. Untungnya, motor fluks aksial memiliki massa rotor yang lebih kecil dan dapat menahan beban poros dinamis rotor yang lebih rendah. Oleh karena itu, gaya aktual yang diterapkan pada bantalan jauh lebih kecil daripada motor fluks radial.
Gandar elektronik merupakan salah satu aplikasi pertama motor aksial. Lebar yang lebih tipis dapat membungkus motor dan kotak roda gigi di gandar. Dalam aplikasi hibrida, panjang aksial motor yang lebih pendek pada gilirannya memperpendek panjang total sistem transmisi.
Langkah selanjutnya adalah memasang motor aksial pada roda. Dengan cara ini, daya dapat langsung disalurkan dari motor ke roda, sehingga meningkatkan efisiensi motor. Karena tidak ada lagi transmisi, diferensial, dan poros penggerak, kompleksitas sistem juga berkurang.
Namun, tampaknya konfigurasi standar belum muncul. Setiap produsen peralatan asli meneliti konfigurasi tertentu, karena ukuran dan bentuk motor aksial yang berbeda dapat mengubah desain kendaraan listrik. Dibandingkan dengan motor radial, motor aksial memiliki kepadatan daya yang lebih tinggi, yang berarti motor aksial yang lebih kecil dapat digunakan. Hal ini memberikan opsi desain baru untuk platform kendaraan, seperti penempatan paket baterai.
4.1 Armatur tersegmentasi
Topologi motor YASA (Yokeless and Segmented Armature) adalah contoh topologi rotor ganda dengan stator tunggal, yang mengurangi kompleksitas produksi dan cocok untuk produksi massal otomatis. Motor ini memiliki kepadatan daya hingga 10 kW/kg pada kecepatan 2000 hingga 9000 rpm.
Dengan menggunakan pengontrol khusus, motor ini dapat mengalirkan arus sebesar 200 kVA. Pengontrol ini memiliki volume sekitar 5 liter dan berat 5,8 kilogram, termasuk manajemen termal dengan pendinginan oli dielektrik, cocok untuk motor fluks aksial serta motor fluks induksi dan radial.
Hal ini memungkinkan produsen peralatan asli kendaraan listrik dan pengembang tingkat pertama untuk secara fleksibel memilih motor yang sesuai berdasarkan aplikasi dan ruang yang tersedia. Ukuran dan berat yang lebih kecil membuat kendaraan lebih ringan dan memiliki lebih banyak baterai, sehingga meningkatkan daya jangkau.
5. Aplikasi sepeda motor listrik
Untuk sepeda motor listrik dan ATV, beberapa perusahaan telah mengembangkan motor fluks aksial AC. Desain yang umum digunakan untuk jenis kendaraan ini adalah desain fluks aksial berbasis sikat DC, sedangkan produk baru adalah desain tanpa sikat AC yang tertutup sepenuhnya.
Kumparan motor DC dan AC tetap diam, tetapi rotor ganda menggunakan magnet permanen, bukan jangkar yang berputar. Keuntungan metode ini adalah tidak memerlukan pembalikan mekanis.
Desain aksial AC juga dapat menggunakan pengontrol motor AC tiga fase standar untuk motor radial. Ini membantu mengurangi biaya, karena pengontrol mengendalikan arus torsi, bukan kecepatan. Pengontrol memerlukan frekuensi 12 kHz atau lebih tinggi, yang merupakan frekuensi utama perangkat tersebut.
Frekuensi yang lebih tinggi berasal dari induktansi lilitan yang lebih rendah sebesar 20 µ H. Frekuensi tersebut dapat mengendalikan arus untuk meminimalkan riak arus dan memastikan sinyal sinusoidal semulus mungkin. Dari perspektif dinamis, ini adalah cara yang bagus untuk mencapai kontrol motor yang lebih halus dengan memungkinkan perubahan torsi yang cepat.
Desain ini mengadopsi belitan lapisan ganda yang terdistribusi, sehingga fluks magnetik mengalir dari rotor ke rotor lain melalui stator, dengan lintasan yang sangat pendek dan efisiensi yang lebih tinggi.
Kunci dari desain ini adalah dapat beroperasi pada tegangan maksimum 60 V dan tidak cocok untuk sistem tegangan yang lebih tinggi. Oleh karena itu, dapat digunakan untuk sepeda motor listrik dan kendaraan roda empat kelas L7e seperti Renault Twizy.
Tegangan maksimum 60 V memungkinkan motor diintegrasikan ke dalam sistem kelistrikan utama 48 V dan menyederhanakan pekerjaan pemeliharaan.
Spesifikasi sepeda motor roda empat L7e dalam Peraturan Kerangka Kerja Eropa 2002/24/EC menetapkan bahwa berat kendaraan yang digunakan untuk mengangkut barang tidak melebihi 600 kilogram, tidak termasuk berat baterai. Kendaraan ini diizinkan untuk mengangkut penumpang tidak lebih dari 200 kilogram, kargo tidak lebih dari 1000 kilogram, dan daya mesin tidak lebih dari 15 kilowatt. Metode lilitan terdistribusi dapat menghasilkan torsi 75-100 Nm, dengan daya keluaran puncak 20-25 kW dan daya kontinu 15 kW.
Tantangan fluks aksial terletak pada bagaimana lilitan tembaga menghilangkan panas, yang sulit karena panas harus melewati rotor. Lilitan terdistribusi adalah kunci untuk memecahkan masalah ini, karena memiliki banyak slot kutub. Dengan cara ini, ada area permukaan yang lebih besar antara tembaga dan cangkang, dan panas dapat dipindahkan ke luar dan dibuang oleh sistem pendingin cair standar.
Beberapa kutub magnet merupakan kunci untuk memanfaatkan bentuk gelombang sinusoidal, yang membantu mengurangi harmonisa. Harmonisa ini terwujud sebagai pemanasan magnet dan inti, sedangkan komponen tembaga tidak dapat menghantarkan panas. Ketika panas terakumulasi dalam magnet dan inti besi, efisiensi menurun, itulah sebabnya mengoptimalkan bentuk gelombang dan jalur panas sangat penting untuk kinerja motor.
Desain motor telah dioptimalkan untuk mengurangi biaya dan mencapai produksi massal otomatis. Cincin rumah yang diekstrusi tidak memerlukan pemrosesan mekanis yang rumit dan dapat mengurangi biaya material. Kumparan dapat langsung dililitkan dan proses pengikatan digunakan selama proses penggulungan untuk mempertahankan bentuk rakitan yang benar.
Inti masalahnya adalah kumparan terbuat dari kawat standar yang tersedia secara komersial, sementara inti besi dilaminasi dengan baja transformator standar yang tersedia di pasaran, yang hanya perlu dipotong sesuai bentuk. Desain motor lainnya memerlukan penggunaan bahan magnetik lunak dalam laminasi inti, yang mungkin lebih mahal.
Penggunaan lilitan terdistribusi berarti baja magnetik tidak perlu disegmentasi; Bentuknya bisa lebih sederhana dan lebih mudah diproduksi. Mengurangi ukuran baja magnetik dan memastikan kemudahan produksinya berdampak signifikan pada pengurangan biaya.
Desain motor fluks aksial ini juga dapat disesuaikan menurut kebutuhan pelanggan. Pelanggan memiliki versi yang disesuaikan yang dikembangkan berdasarkan desain dasar. Kemudian diproduksi pada jalur produksi uji coba untuk verifikasi produksi awal, yang dapat direplikasi di pabrik lain.
Kustomisasi terutama karena kinerja kendaraan tidak hanya bergantung pada desain motor fluks magnetik aksial, tetapi juga pada kualitas struktur kendaraan, paket baterai, dan BMS.
Waktu posting: 28-Sep-2023
