เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมี มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนมีข้อดีหลายประการในการออกแบบรถยนต์ไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนสามารถเปลี่ยนการออกแบบของระบบส่งกำลังได้โดยการย้ายมอเตอร์จากเพลาไปยังด้านในของล้อ
1.แกนกำลัง
มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนกำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้น (gain traction) เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่มอเตอร์ประเภทนี้ถูกนำมาใช้ในการใช้งานแบบอยู่กับที่ เช่น ลิฟต์และเครื่องจักรกลการเกษตร แต่ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักพัฒนาจำนวนมากได้ทำงานเพื่อปรับปรุงเทคโนโลยีนี้และนำไปใช้กับรถจักรยานยนต์ไฟฟ้า กล่องสนามบิน รถบรรทุกสินค้า ไฟฟ้า ยานพาหนะ แม้กระทั่งเครื่องบิน
มอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมีแบบดั้งเดิมใช้แม่เหล็กถาวรหรือมอเตอร์เหนี่ยวนำ ซึ่งมีความก้าวหน้าอย่างมากในการปรับน้ำหนักและต้นทุนให้เหมาะสม อย่างไรก็ตาม พวกเขาเผชิญกับความยากลำบากมากมายในการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ฟลักซ์ตามแนวแกนซึ่งเป็นมอเตอร์ประเภทอื่นโดยสิ้นเชิงอาจเป็นทางเลือกที่ดี
เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์แนวรัศมี พื้นที่ผิวแม่เหล็กที่มีประสิทธิผลของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรฟลักซ์ตามแนวแกนคือพื้นผิวของโรเตอร์ของมอเตอร์ ไม่ใช่เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก ดังนั้นในปริมาตรหนึ่งของมอเตอร์ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรฟลักซ์ตามแนวแกนมักจะให้แรงบิดที่มากกว่า
มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์เรเดียล ความยาวแกนของมอเตอร์จะสั้นกว่ามาก สำหรับมอเตอร์ล้อภายใน มักเป็นปัจจัยสำคัญ โครงสร้างที่กะทัดรัดของมอเตอร์แนวแกนช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีความหนาแน่นของกำลังและแรงบิดสูงกว่ามอเตอร์แนวรัศมีที่คล้ายกัน จึงไม่จำเป็นต้องใช้ความเร็วในการทำงานที่สูงมาก
ประสิทธิภาพของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนก็สูงมากเช่นกัน ซึ่งปกติจะเกิน 96% ต้องขอบคุณเส้นทางฟลักซ์หนึ่งมิติที่สั้นกว่า ซึ่งสามารถเทียบเคียงได้หรือมีประสิทธิภาพสูงกว่าเมื่อเทียบกับมอเตอร์ฟลักซ์เรเดียล 2D ที่ดีที่สุดในตลาด
ความยาวของมอเตอร์จะสั้นลง โดยปกติจะสั้นกว่า 5 ถึง 8 เท่า และน้ำหนักก็ลดลง 2 ถึง 5 เท่าด้วย ปัจจัยทั้งสองนี้ได้เปลี่ยนทางเลือกของนักออกแบบแพลตฟอร์มรถยนต์ไฟฟ้า
2. เทคโนโลยีฟลักซ์ตามแนวแกน
มีสองโทโพโลยีหลักสำหรับมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน: สเตเตอร์เดี่ยวโรเตอร์คู่ (บางครั้งเรียกว่าเครื่องจักรสไตล์ทอรัส) และสเตเตอร์คู่โรเตอร์เดี่ยว
ในปัจจุบัน มอเตอร์แม่เหล็กถาวรส่วนใหญ่ใช้โทโพโลยีฟลักซ์แนวรัศมี วงจรฟลักซ์แม่เหล็กเริ่มต้นด้วยแม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์ ผ่านฟันซี่แรกบนสเตเตอร์ จากนั้นไหลในแนวรัศมีไปตามสเตเตอร์ จากนั้นลอดผ่านฟันซี่ที่สองไปถึงเหล็กแม่เหล็กอันที่สองบนโรเตอร์ ในโทโพโลยีฟลักซ์ตามแนวแกนของโรเตอร์คู่ ฟลักซ์ลูปเริ่มต้นจากแม่เหล็กตัวแรก ผ่านตามแนวแกนผ่านฟันสเตเตอร์ และไปถึงแม่เหล็กตัวที่สองทันที
ซึ่งหมายความว่าเส้นทางฟลักซ์จะสั้นกว่ามอเตอร์ฟลักซ์แบบเรเดียลมาก ส่งผลให้มอเตอร์มีปริมาตรน้อยลง ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น และประสิทธิภาพที่พลังงานเท่ากัน
มอเตอร์แนวรัศมีซึ่งฟลักซ์แม่เหล็กไหลผ่านฟันซี่แรกแล้วกลับไปที่ฟันซี่ถัดไปผ่านสเตเตอร์ ไปถึงแม่เหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็กเป็นไปตามเส้นทางสองมิติ
เส้นทางฟลักซ์แม่เหล็กของเครื่องฟลักซ์แม่เหล็กตามแนวแกนเป็นแบบมิติเดียว ดังนั้นจึงสามารถใช้เหล็กไฟฟ้าแบบเกรนได้ เหล็กชนิดนี้ทำให้ฟลักซ์ไหลผ่านได้ง่ายขึ้น จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ
มอเตอร์ฟลักซ์เรเดียลตามธรรมเนียมจะใช้ขดลวดแบบกระจาย โดยมีปลายขดลวดถึงครึ่งหนึ่งไม่ทำงาน ส่วนยื่นของคอยล์จะส่งผลให้น้ำหนัก ต้นทุน ความต้านทานไฟฟ้า และการสูญเสียความร้อนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้นักออกแบบต้องปรับปรุงการออกแบบขดลวด
คอยล์ปลายของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนมีน้อยกว่ามากและการออกแบบบางอย่างใช้ขดลวดแบบเข้มข้นหรือแบบแบ่งส่วนซึ่งมีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์ สำหรับเครื่องรัศมีสเตเตอร์แบบแบ่งส่วน การแตกของเส้นทางฟลักซ์แม่เหล็กในสเตเตอร์อาจทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติม แต่สำหรับมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน นี่ไม่ใช่ปัญหา การออกแบบขดลวดเป็นกุญแจสำคัญในการแยกแยะระดับของซัพพลายเออร์
3. การพัฒนา
มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนเผชิญกับความท้าทายร้ายแรงในการออกแบบและการผลิต แม้จะมีข้อได้เปรียบทางเทคโนโลยี แต่ต้นทุนก็สูงกว่ามอเตอร์แนวรัศมีมาก ผู้คนมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับมอเตอร์เรเดียล และวิธีการการผลิตและอุปกรณ์เครื่องจักรกลก็มีพร้อมเช่นกัน
หนึ่งในความท้าทายหลักของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนคือการรักษาช่องว่างอากาศที่สม่ำเสมอระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ เนื่องจากแรงแม่เหล็กมีมากกว่าแรงของมอเตอร์แนวรัศมีมาก ทำให้ยากต่อการรักษาช่องว่างอากาศที่สม่ำเสมอ มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนของโรเตอร์คู่ยังมีปัญหาในการกระจายความร้อน เนื่องจากการพันอยู่ลึกภายในสเตเตอร์และระหว่างแผ่นโรเตอร์ทั้งสอง ซึ่งทำให้การกระจายความร้อนทำได้ยากมาก
มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนยังผลิตได้ยากด้วยเหตุผลหลายประการ เครื่องโรเตอร์คู่ที่ใช้เครื่องโรเตอร์คู่ที่มีโทโพโลยีแบบแอก (เช่น การถอดแอกเหล็กออกจากสเตเตอร์แต่ยังคงยึดฟันเหล็กไว้) สามารถเอาชนะปัญหาเหล่านี้บางส่วนได้โดยไม่ต้องขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของมอเตอร์และแม่เหล็ก
อย่างไรก็ตาม การถอดแอกทำให้เกิดความท้าทายใหม่ๆ เช่น วิธีการยึดและจัดตำแหน่งฟันแต่ละซี่โดยไม่ต้องเชื่อมต่อแอกเชิงกล การระบายความร้อนยังเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่อีกด้วย
การสร้างโรเตอร์และรักษาช่องว่างอากาศยังทำได้ยาก เนื่องจากจานโรเตอร์จะดึงดูดโรเตอร์ ข้อดีคือจานโรเตอร์เชื่อมต่อกันโดยตรงผ่านวงแหวนเพลา ดังนั้นแรงจึงหักล้างกัน ซึ่งหมายความว่าแบริ่งภายในไม่สามารถทนทานต่อแรงเหล่านี้ได้ และหน้าที่เดียวคือให้สเตเตอร์อยู่ในตำแหน่งตรงกลางระหว่างแผ่นโรเตอร์ทั้งสอง
มอเตอร์โรเตอร์เดี่ยวแบบสเตเตอร์คู่ไม่ได้เผชิญกับความท้าทายของมอเตอร์ทรงกลม แต่การออกแบบสเตเตอร์นั้นซับซ้อนกว่ามากและยากต่อการบรรลุระบบอัตโนมัติ และต้นทุนที่เกี่ยวข้องก็สูงเช่นกัน กระบวนการผลิตมอเตอร์ตามแนวแกนและอุปกรณ์เครื่องจักรกลต่างจากมอเตอร์เรเดียลฟลักซ์ทั่วไปซึ่งเพิ่งเกิดขึ้นเมื่อไม่นานมานี้
4. การประยุกต์ใช้ยานพาหนะไฟฟ้า
ความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญในอุตสาหกรรมยานยนต์ และการพิสูจน์ความน่าเชื่อถือและความทนทานของส่วนต่างๆมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนการโน้มน้าวผู้ผลิตว่ามอเตอร์เหล่านี้เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากถือเป็นเรื่องท้าทายมาโดยตลอด สิ่งนี้ได้กระตุ้นให้ซัพพลายเออร์มอเตอร์แนวแกนดำเนินโปรแกรมการตรวจสอบความถูกต้องที่ครอบคลุมด้วยตนเอง โดยซัพพลายเออร์แต่ละรายแสดงให้เห็นว่าความน่าเชื่อถือของมอเตอร์ไม่แตกต่างจากมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมีแบบดั้งเดิม
ส่วนประกอบเดียวที่สามารถเสื่อมสภาพได้ในมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนคือตลับลูกปืน ความยาวของฟลักซ์แม่เหล็กในแนวแกนค่อนข้างสั้น และตำแหน่งของตลับลูกปืนอยู่ใกล้กว่า ซึ่งมักจะออกแบบให้ "มีขนาดเกิน" เล็กน้อย โชคดีที่มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนมีมวลโรเตอร์น้อยกว่าและสามารถทนต่อโหลดเพลาไดนามิกของโรเตอร์ที่ต่ำกว่าได้ ดังนั้นแรงจริงที่ใช้กับตลับลูกปืนจึงน้อยกว่าแรงของมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมีมาก
เพลาอิเล็กทรอนิกส์เป็นหนึ่งในการใช้งานครั้งแรกๆ ของมอเตอร์แนวแกน ความกว้างที่บางลงสามารถห่อหุ้มมอเตอร์และกระปุกเกียร์ไว้ในเพลาได้ ในการใช้งานแบบไฮบริด ความยาวแกนที่สั้นกว่าของมอเตอร์จะทำให้ความยาวรวมของระบบส่งกำลังสั้นลง
ขั้นตอนต่อไปคือการติดตั้งมอเตอร์แนวแกนบนล้อ ด้วยวิธีนี้ กำลังจึงสามารถส่งผ่านจากมอเตอร์ไปยังล้อได้โดยตรง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของมอเตอร์ เนื่องจากไม่มีระบบส่งกำลัง เฟืองท้าย และเพลาขับ ความซับซ้อนของระบบก็ลดลงเช่นกัน
อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าการกำหนดค่ามาตรฐานยังไม่ปรากฏ ผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิมแต่ละรายกำลังศึกษาการกำหนดค่าเฉพาะ เนื่องจากขนาดและรูปร่างของมอเตอร์แนวแกนที่แตกต่างกันสามารถเปลี่ยนการออกแบบของยานพาหนะไฟฟ้าได้ เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์แนวรัศมี มอเตอร์แนวแกนมีความหนาแน่นของกำลังสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้มอเตอร์แนวแกนที่มีขนาดเล็กกว่าได้ นี่เป็นทางเลือกการออกแบบใหม่สำหรับแพลตฟอร์มยานพาหนะ เช่น การจัดวางชุดแบตเตอรี่
4.1 เกราะแบบแบ่งส่วน
โทโพโลยีมอเตอร์ YASA (Yokeless และ Segmented Armature) เป็นตัวอย่างของโทโพโลยีสเตเตอร์เดี่ยวแบบโรเตอร์คู่ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการผลิต และเหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากแบบอัตโนมัติ มอเตอร์เหล่านี้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 10 กิโลวัตต์/กก. ที่ความเร็ว 2000 ถึง 9000 รอบต่อนาที
ด้วยการใช้คอนโทรลเลอร์เฉพาะ สามารถจ่ายกระแสไฟให้กับมอเตอร์ได้ 200 kVA ตัวควบคุมมีปริมาตรประมาณ 5 ลิตรและหนัก 5.8 กิโลกรัม รวมถึงการจัดการความร้อนด้วยการระบายความร้อนด้วยน้ำมันอิเล็กทริก เหมาะสำหรับมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนตลอดจนมอเตอร์เหนี่ยวนำและฟลักซ์แนวรัศมี
ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิมของรถยนต์ไฟฟ้าและนักพัฒนาชั้นหนึ่งสามารถเลือกมอเตอร์ที่เหมาะสมได้อย่างยืดหยุ่นตามการใช้งานและพื้นที่ว่าง ขนาดและน้ำหนักที่เล็กลงทำให้รถเบาขึ้นและมีแบตเตอรี่มากขึ้น จึงช่วยเพิ่มระยะได้
5. การประยุกต์ใช้รถจักรยานยนต์ไฟฟ้า
สำหรับรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าและรถเอทีวี บางบริษัทได้พัฒนามอเตอร์กระแสสลับตามแนวแกนฟลักซ์ การออกแบบที่ใช้กันทั่วไปสำหรับยานพาหนะประเภทนี้คือการออกแบบฟลักซ์ตามแนวแกนที่ใช้แปรง DC ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ใหม่เป็นการออกแบบไร้แปรงถ่านแบบปิดสนิทแบบ AC
ขดลวดของมอเตอร์ DC และ AC ยังคงอยู่กับที่ แต่โรเตอร์คู่ใช้แม่เหล็กถาวรแทนเกราะหมุน ข้อดีของวิธีนี้คือไม่ต้องมีการถอยหลังเชิงกล
การออกแบบแนวแกน AC ยังสามารถใช้ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสสลับสามเฟสมาตรฐานสำหรับมอเตอร์แนวรัศมีได้ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุน เนื่องจากตัวควบคุมจะควบคุมกระแสแรงบิด ไม่ใช่ความเร็ว คอนโทรลเลอร์ต้องการความถี่ 12 kHz หรือสูงกว่า ซึ่งเป็นความถี่กระแสหลักของอุปกรณ์ดังกล่าว
ความถี่ที่สูงกว่ามาจากค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดที่ต่ำกว่าที่ 20 µH ความถี่สามารถควบคุมกระแสเพื่อลดการกระเพื่อมของกระแสให้เหลือน้อยที่สุด และรับประกันว่าสัญญาณไซน์ซอยด์จะราบรื่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จากมุมมองแบบไดนามิก นี่เป็นวิธีที่ดีเยี่ยมในการควบคุมมอเตอร์ที่ราบรื่นยิ่งขึ้นโดยทำให้มีการเปลี่ยนแปลงแรงบิดอย่างรวดเร็ว
การออกแบบนี้ใช้ขดลวดสองชั้นแบบกระจาย ดังนั้นฟลักซ์แม่เหล็กจะไหลจากโรเตอร์ไปยังโรเตอร์อีกตัวหนึ่งผ่านสเตเตอร์ โดยมีเส้นทางที่สั้นมากและมีประสิทธิภาพสูงกว่า
กุญแจสำคัญในการออกแบบนี้คือสามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุด 60 V และไม่เหมาะสำหรับระบบแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า จึงสามารถใช้ได้กับรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าและรถสี่ล้อคลาส L7e เช่น Renault Twizy
แรงดันไฟฟ้าสูงสุด 60 V ทำให้สามารถรวมมอเตอร์เข้ากับระบบไฟฟ้ากระแสหลัก 48 V และทำให้งานบำรุงรักษาง่ายขึ้น
ข้อมูลจำเพาะของรถจักรยานยนต์สี่ล้อ L7e ใน European Framework Regulation 2002/24/EC กำหนดว่าน้ำหนักของยานพาหนะที่ใช้ในการขนส่งสินค้าไม่เกิน 600 กิโลกรัม ไม่รวมน้ำหนักของแบตเตอรี่ ยานพาหนะเหล่านี้ได้รับอนุญาตให้บรรทุกผู้โดยสารได้ไม่เกิน 200 กิโลกรัม สินค้าไม่เกิน 1,000 กิโลกรัม และกำลังเครื่องยนต์ไม่เกิน 15 กิโลวัตต์ วิธีการพันแบบกระจายสามารถให้แรงบิด 75-100 นิวตันเมตร โดยมีกำลังเอาต์พุตสูงสุด 20-25 กิโลวัตต์ และกำลังต่อเนื่อง 15 กิโลวัตต์
ความท้าทายของฟลักซ์ตามแนวแกนอยู่ที่วิธีที่ขดลวดทองแดงกระจายความร้อน ซึ่งเป็นเรื่องยากเนื่องจากความร้อนจะต้องผ่านโรเตอร์ การพันขดลวดแบบกระจายเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ปัญหานี้ เนื่องจากมีช่องเสียบขั้วจำนวนมาก ด้วยวิธีนี้ จะมีพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นระหว่างทองแดงและเปลือก และสามารถถ่ายเทความร้อนออกสู่ภายนอกและระบายออกโดยระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมาตรฐานได้
ขั้วแม่เหล็กหลายขั้วเป็นกุญแจสำคัญในการใช้รูปแบบคลื่นไซน์ ซึ่งช่วยลดฮาร์โมนิค ฮาร์โมนิคเหล่านี้แสดงออกมาในรูปของความร้อนของแม่เหล็กและแกน ในขณะที่ส่วนประกอบที่เป็นทองแดงไม่สามารถพาความร้อนออกไปได้ เมื่อความร้อนสะสมในแม่เหล็กและแกนเหล็ก ประสิทธิภาพจะลดลง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการปรับรูปคลื่นและเส้นทางความร้อนให้เหมาะสมจึงมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์
การออกแบบมอเตอร์ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อลดต้นทุนและบรรลุการผลิตจำนวนมากโดยอัตโนมัติ วงแหวนตัวเรือนที่อัดขึ้นรูปไม่ต้องการกระบวนการทางกลที่ซับซ้อนและสามารถลดต้นทุนวัสดุได้ ขดลวดสามารถพันได้โดยตรงและมีการใช้กระบวนการพันธะในระหว่างกระบวนการพันเพื่อรักษารูปทรงการประกอบที่ถูกต้อง
ประเด็นสำคัญคือขดลวดทำจากลวดมาตรฐานที่มีจำหน่ายทั่วไป ในขณะที่แกนเหล็กเคลือบด้วยเหล็กหม้อแปลงชั้นวางมาตรฐาน ซึ่งเพียงแค่ต้องตัดเป็นรูปทรง การออกแบบมอเตอร์อื่นๆ จำเป็นต้องใช้วัสดุแม่เหล็กอ่อนในการเคลือบแกน ซึ่งอาจมีราคาแพงกว่า
การใช้ขดลวดแบบกระจายหมายความว่าไม่จำเป็นต้องแบ่งเหล็กแม่เหล็ก อาจเป็นรูปทรงที่เรียบง่ายกว่าและผลิตได้ง่ายกว่า การลดขนาดของเหล็กแม่เหล็กและการรับรองความง่ายในการผลิตมีผลกระทบอย่างมากต่อการลดต้นทุน
การออกแบบมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนนี้ยังสามารถปรับแต่งได้ตามความต้องการของลูกค้า ลูกค้ามีเวอร์ชันที่ปรับแต่งเองซึ่งพัฒนาขึ้นจากการออกแบบขั้นพื้นฐาน จากนั้นจึงผลิตในสายการผลิตทดลองเพื่อตรวจสอบการผลิตตั้งแต่เนิ่นๆ ซึ่งสามารถจำลองแบบในโรงงานอื่นๆ ได้
การปรับแต่งมีสาเหตุหลักมาจากประสิทธิภาพของยานพาหนะไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับการออกแบบมอเตอร์ฟลักซ์แม่เหล็กตามแนวแกนเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณภาพของโครงสร้างยานพาหนะ ชุดแบตเตอรี่ และ BMS ด้วย
เวลาโพสต์: Sep-28-2023
