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 untuk 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 berat dan biaya. Namun, mereka menghadapi banyak kesulitan dalam pengembangannya lebih lanjut. 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, dalam volume motor tertentu, motor magnet permanen fluks aksial biasanya dapat memberikan torsi yang lebih besar.
Motor fluks aksialMotor aksial lebih kompak; dibandingkan dengan motor radial, panjang aksial motor jauh lebih pendek. Untuk motor roda internal, ini seringkali 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 efisiensinya sebanding atau bahkan lebih tinggi 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. Kedua faktor ini telah mengubah pilihan para perancang platform kendaraan listrik.
2. Teknologi fluks aksial
Ada dua topologi utama untukmotor fluks aksial: rotor ganda stator tunggal (kadang-kadang disebut sebagai mesin gaya torus) dan rotor tunggal stator ganda.
Saat ini, sebagian besar motor magnet permanen menggunakan topologi fluks radial. Sirkuit fluks magnet dimulai dengan magnet permanen pada rotor, melewati gigi pertama pada stator, dan kemudian mengalir secara radial sepanjang stator. Kemudian melewati gigi kedua untuk mencapai baja magnet kedua pada rotor. Dalam topologi fluks aksial rotor ganda, loop fluks dimulai dari magnet pertama, melewati gigi stator secara aksial, dan langsung mencapai magnet kedua.
Ini berarti bahwa jalur fluks jauh lebih pendek daripada motor fluks radial, sehingga menghasilkan volume motor yang lebih kecil, kepadatan daya yang lebih tinggi, dan efisiensi yang lebih baik pada daya yang sama.
Motor radial, di mana fluks magnetik melewati gigi pertama dan kemudian kembali ke gigi berikutnya melalui stator, mencapai magnet. Fluks magnetik mengikuti jalur dua dimensi.
Jalur fluks magnetik pada mesin fluks magnetik aksial bersifat satu dimensi, sehingga baja listrik berorientasi butir dapat digunakan. Baja ini memudahkan fluks untuk melewatinya, sehingga meningkatkan efisiensi.
Motor fluks radial secara tradisional menggunakan belitan terdistribusi, dengan hingga setengah dari ujung belitan tidak berfungsi. Kelebihan lilitan akan mengakibatkan penambahan berat, biaya, hambatan listrik, dan kehilangan panas yang lebih besar, sehingga memaksa para perancang untuk meningkatkan desain belitan.
Ujung kumparanmotor fluks aksialKerugiannya jauh lebih sedikit, dan beberapa desain menggunakan lilitan terkonsentrasi atau tersegmentasi, yang sepenuhnya efektif. Untuk mesin radial stator tersegmentasi, putusnya jalur fluks magnetik 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, terlepas dari keunggulan teknologinya, biaya produksinya jauh lebih tinggi daripada motor radial. Orang-orang memiliki pemahaman yang sangat mendalam tentang motor radial, dan metode manufaktur serta peralatan mekanik juga mudah didapatkan.
Salah satu tantangan utama motor fluks aksial adalah menjaga celah udara yang seragam antara rotor dan stator, karena gaya magnetnya jauh lebih besar daripada motor radial, sehingga sulit untuk mempertahankan celah udara yang seragam. Motor fluks aksial rotor ganda juga memiliki masalah pembuangan panas, karena lilitan terletak jauh di dalam stator dan di antara kedua cakram rotor, sehingga pembuangan panas menjadi sangat sulit.
Motor fluks aksial juga sulit diproduksi karena berbagai alasan. Mesin rotor ganda yang menggunakan topologi yoke (yaitu menghilangkan yoke besi dari stator tetapi mempertahankan gigi besi) mengatasi beberapa masalah ini tanpa memperbesar diameter motor dan magnet.
Namun, melepas penyangga menghadirkan tantangan baru, seperti bagaimana memperbaiki dan memposisikan gigi individual tanpa koneksi penyangga mekanis. Pendinginan juga menjadi tantangan yang lebih besar.
Selain itu, memproduksi rotor dan mempertahankan celah udara juga sulit, karena cakram rotor menarik rotor. Keuntungannya adalah cakram rotor terhubung langsung melalui cincin poros, sehingga gaya-gaya tersebut saling meniadakan. Ini berarti bantalan internal tidak menahan gaya-gaya tersebut, dan satu-satunya fungsinya adalah untuk menjaga stator tetap berada di posisi tengah antara kedua cakram rotor.
Motor rotor tunggal stator ganda tidak menghadapi tantangan seperti motor melingkar, tetapi desain statornya jauh lebih kompleks dan sulit untuk mencapai otomatisasi, dan biaya terkaitnya juga tinggi. Tidak seperti motor fluks radial tradisional mana pun, proses manufaktur motor aksial dan peralatan mekaniknya baru muncul belakangan ini.
4. Penerapan kendaraan listrik
Keandalan sangat penting dalam industri otomotif, dan membuktikan keandalan serta ketahanan berbagai komponen sangatlah penting.motor fluks aksialMeyakinkan para produsen bahwa motor-motor ini cocok untuk produksi massal selalu menjadi tantangan. Hal ini mendorong para pemasok motor aksial untuk melakukan program validasi ekstensif sendiri, dengan setiap pemasok menunjukkan bahwa keandalan motor mereka tidak berbeda dari motor fluks radial tradisional.
Satu-satunya komponen yang dapat aus padamotor fluks aksialadalah bantalan. Panjang fluks magnetik aksial relatif pendek, dan posisi bantalan lebih dekat, biasanya dirancang sedikit "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.
Poros elektronik adalah salah satu aplikasi pertama dari motor aksial. Lebar yang lebih tipis memungkinkan motor dan gearbox terbungkus dalam poros. 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 ditransmisikan langsung dari motor ke roda, sehingga meningkatkan efisiensi motor. Karena penghapusan transmisi, diferensial, dan poros penggerak, kompleksitas sistem juga telah berkurang.
Namun, tampaknya konfigurasi standar belum muncul. Setiap produsen peralatan asli sedang meneliti konfigurasi spesifik, 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 pilihan 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 stator tunggal, yang mengurangi kompleksitas manufaktur 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, alat ini dapat memberikan arus sebesar 200 kVA untuk motor. 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 induksi dan fluks 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 bobot yang lebih kecil membuat kendaraan lebih ringan dan memiliki lebih banyak baterai, sehingga meningkatkan jangkauan.
5. Penerapan 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 ini adalah desain tanpa sikat AC yang sepenuhnya tertutup.
Kumparan motor DC dan AC tetap diam, tetapi rotor ganda menggunakan magnet permanen alih-alih angker yang berputar. Keuntungan dari metode ini adalah tidak memerlukan pembalikan mekanis.
Desain aksial AC juga dapat menggunakan pengontrol motor AC tiga fasa standar untuk motor radial. Hal ini membantu mengurangi biaya, karena pengontrol mengontrol arus torsi, bukan kecepatan. Pengontrol membutuhkan frekuensi 12 kHz atau lebih tinggi, yang merupakan frekuensi umum perangkat tersebut.
Frekuensi yang lebih tinggi berasal dari induktansi lilitan yang lebih rendah sebesar 20 µH. Frekuensi ini dapat mengontrol arus untuk meminimalkan riak arus dan memastikan sinyal sinusoidal sehalus 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 lilitan dua lapis terdistribusi, sehingga fluks magnet mengalir dari rotor ke rotor lain melalui stator, dengan jalur yang sangat pendek dan efisiensi yang lebih tinggi.
Kunci dari desain ini adalah kemampuannya 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 ini diintegrasikan ke dalam sistem kelistrikan 48 V yang umum digunakan dan menyederhanakan pekerjaan perawatan.
Spesifikasi sepeda motor roda empat L7e dalam Peraturan Kerangka Kerja Eropa 2002/24/EC menetapkan bahwa berat kendaraan yang digunakan untuk mengangkut barang tidak boleh melebihi 600 kilogram, tidak termasuk berat baterai. Kendaraan ini diperbolehkan membawa penumpang tidak lebih dari 200 kilogram, barang tidak lebih dari 1000 kilogram, dan daya mesin tidak lebih dari 15 kilowatt. Metode lilitan terdistribusi dapat memberikan torsi 75-100 Nm, dengan daya keluaran puncak 20-25 kW dan daya kontinu 15 kW.
Tantangan dari fluks aksial terletak pada bagaimana gulungan tembaga menghilangkan panas, yang sulit karena panas harus melewati rotor. Gulungan terdistribusi adalah kunci untuk memecahkan masalah ini, karena memiliki sejumlah besar slot kutub. Dengan cara ini, terdapat area permukaan yang lebih besar antara tembaga dan cangkang, dan panas dapat dipindahkan ke luar dan dibuang oleh sistem pendingin cair standar.
Banyaknya kutub magnet merupakan kunci untuk memanfaatkan bentuk gelombang sinusoidal, yang membantu mengurangi harmonik. Harmonik ini termanifestasi sebagai pemanasan magnet dan inti, sementara komponen tembaga tidak dapat menghilangkan panas tersebut. Ketika panas menumpuk di magnet dan inti besi, efisiensi menurun, itulah sebabnya pengoptimalan bentuk gelombang dan jalur panas sangat penting untuk kinerja motor.
Desain motor telah dioptimalkan untuk mengurangi biaya dan mencapai produksi massal otomatis. Cincin rumah ekstrusi tidak memerlukan pemrosesan mekanis yang kompleks dan dapat mengurangi biaya material. Kumparan dapat langsung dililit dan proses pengikatan digunakan selama proses pelilitan untuk mempertahankan bentuk perakitan yang benar.
Intinya adalah kumparan terbuat dari kawat standar yang tersedia secara komersial, sedangkan inti besinya dilaminasi dengan baja transformator standar yang tersedia di pasaran, yang hanya perlu dipotong sesuai bentuk. Desain motor lain memerlukan penggunaan bahan magnetik lunak dalam laminasi inti, yang mungkin lebih mahal.
Penggunaan lilitan terdistribusi berarti bahwa baja magnetik tidak perlu disegmentasi; bentuknya bisa lebih sederhana dan lebih mudah diproduksi. Mengurangi ukuran baja magnetik dan memastikan kemudahan pembuatannya berdampak signifikan pada pengurangan biaya.
Desain motor fluks aksial ini juga dapat disesuaikan sesuai dengan kebutuhan pelanggan. Pelanggan memiliki versi khusus yang dikembangkan berdasarkan desain dasar. Kemudian diproduksi pada jalur produksi percobaan untuk verifikasi produksi awal, yang dapat direplikasi di pabrik lain.
Kustomisasi terutama dilakukan karena performa kendaraan tidak hanya bergantung pada desain motor fluks magnetik aksial, tetapi juga pada kualitas struktur kendaraan, paket baterai, dan BMS.
Waktu posting: 28 September 2023
