Hvorfor aksialfluksmotorer trenger forskjellige magneter
Aksiale fluksmotorer - også kalt pannekakemotorer eller skivemotorer - orienterer sin magnetiske fluks parallelt med rotasjonsaksen i stedet for radialt utover fra den. Luftspalten er en flat skive i stedet for en sylindrisk ring. Denne geometrien produserer høyere dreiemomenttetthet per volumenhet enn design med radial fluks, og det er grunnen til at aksiale fluksmotorer dukker opp i EV-trekkmotorer, vindgeneratorer, direktedrevne vaskemaskiner og i økende grad i robotikk der en kort, flat motor passer bedre enn en lang sylindrisk.
Den magnetiske kretsgeometriforskjellen er ikke bare en formendring - den endrer hvilken magnetgeometri som kreves, hvordan magnetiseringsretningen er spesifisert, og hvilke feilmoduser magnetene utsettes for. Ingeniører som spesifiserer magneter fra radiell fluksmotorerfaring og bruker den samme logikken på aksialfluksdesign, støter vanligvis på problemer i den første prototypen: magneter som er geometrisk korrekte, men magnetiserte i feil retning, eller design der flukskonsentrasjonsfaktoren ikke ble tatt med og magnetene metter statorjernet ved dellast.
1. Problemet med sektormagnetgeometri
I en radiell fluksmotor er magnetene buesegmenter - buede fliser som vikler seg rundt den sylindriske rotoroverflaten. Magnetbredden, buevinkelen og den radielle tykkelsen er nøkkeldimensjonene, og de skaleres rett frem med polantall og rotordiameter.
I en aksial fluksmotor er magnetene sektorformede - kakestykkefliser som dekker en del av den flate rotorskivens overflate. Sektorvinkelen tilsvarer 360 grader delt på antall stolper (for en heldekkende design). En 16-polet motor bruker 16 sektormagneter, som hver dekker 22,5 grader. Den kritiske geometriske komplikasjonen er at magnetbredden varierer fra den indre radiusen til den ytre radien: den indre kanten av hver sektor er smalere enn den ytre kanten. Dette er det motsatte av et konstant tverrsnitt, og det skaper to problemer.
For det første er flukstettheten i luftgapet ikke jevn over magnetradiusen. Den ytre delen av magneten produserer mer fluks per arealenhet enn den indre delen på samme magnetiseringsnivå, fordi den ytre buen er lengre og dekker et større område. I en godt utformet aksial fluksmotor styres denne ujevnheten gjennom statorviklingsstigning og sporgeometri - men magnetleverandøren trenger å kjenne forholdet indre-til-ytre radius og polbuefraksjonen for å oppgi riktig geometri.
For det andre produserer kuttesektorformer fra sintret NdFeB-blokk betydelig materialavfall sammenlignet med buesegmenter. En blokk med NdFeB som gir tolv 30 graders buesegmenter for en radialmotor vil gi færre brukbare sektorer for en aksialmotor med samme rotordiameter, fordi sektorhjørnene og variasjonen i bredde reduserer ytelsen. Forvent 20–35 % høyere materialkostnad per motor for aksialflukssektormagneter sammenlignet med tilsvarende radielle fluksbuemagneter med samme kvalitet og belegg.
2. Magnetiseringsretning: Aksial, ikke radial
Dette er den vanligste spesifikasjonsfeilen for ingeniører som går fra radiell til aksial fluksdesign. I en radiell fluksmotor magnetiseres magnetene radielt - nord- og sørpolene er på de indre og ytre buede flatene. I en aksial fluksmotor magnetiseres magnetene aksialt - nord- og sørpolene er på den flate topp- og bunnflaten, orientert parallelt med motorakselen.
Spesifisering av radiell magnetisering på en aksial flukssektormagnet produserer en magnet som er geometrisk korrekt, men magnetisk ubrukelig i applikasjonen - fluksen går ut gjennom de buede kantene i stedet for gjennom de flate flatene der luftgapet er. Denne feilen fanges ikke alltid opp ved innkommende inspeksjon fordi magnetdimensjonene er korrekte; den vises som nesten null tilbake-EMF når motoren kjøres første gang.
For aksial fluksmotorer med Halbach array rotorkonfigurasjoner - stadig mer vanlig i høyeffektive design - roterer magnetiseringsretningen rundt rotorskiven i 45 graders eller 90 graders trinn. Spesifikasjonen må inkludere magnetiseringsvinkelen til hver magnetposisjon eksplisitt, og monteringstegningen må markere orienteringen til hvert stykke. Det er ingen standard stenografi for dette; det krever et posisjon-for-posisjon magnetiseringskart i kjøpsspesifikasjonen.
3. Konfigurasjoner av enkel rotor vs. dobbel rotor stator
Aksiale fluksmotorer kommer i tre mekaniske hovedkonfigurasjoner: enkel rotor med enkel stator (SRSF), dobbel rotor med enkel stator (TORUS eller YASA-type), og enkel rotor med dobbel stator. Magnetspesifikasjonen er forskjellig mellom disse konfigurasjonene.
I TORUS/YASA-konfigurasjoner - hvor to rotorskiver flankerer en enkelt sentral kjerneløs stator - bærer hver rotorskive magneter, og de to skivene er satt sammen med motsatt polaritet slik at fluksbanen lukkes gjennom statorviklingen uten en stålkjerne. Dette betyr at magnetene på hver rotorskive må tiltrekke seg mot motsatt skive over statorgapet, og monteringssekvensen må opprettholde denne tiltrekningen under installasjonen (kraften mellom to motstående rotorskiver over et 10 mm luftgap i en typisk TORUS-motor med en diameter på 200 mm er 500–1500N – nok til å skade en hånd alvorlig hvis monteringen svikter).
For kjerneløse TORUS-motorer må magnetene spesifiseres med strammere remanenstoleranse (±2 % vs. standarden ±5 %) fordi det ikke er noe jern som kan mette og gjennomsnittlige små fluksujevnheter. Bak-EMF-bølgeformen er direkte proporsjonal med den lokale flukstetthetsfordelingen, så magnet-til-magnet-variasjon oversettes direkte til dreiemoment-rippel. Dette strengere toleransekravet legger vanligvis 15–25 % til magnetkostnaden.
4. Karaktervalg for aksialfluksapplikasjoner
Det termiske miljøet i aksial fluksmotorer er forskjellig fra radial fluks. Den flate skive-geometrien har bedre overflate-til-volum-forhold og i de fleste design er magnetene nærmere den ytre omkretsen der konvektiv eller ledende kjøling er mer effektiv. Driftsmagnettemperaturer for aksiale fluksmotorer i direktedrevne trekkraft- og generatorapplikasjoner er typisk 60–100 grader - lavere enn 100–150 grader som sees i høyhastighets radialfluksservomotorer.
Dette betyr at tvangskravene ofte er mindre strenge enn forventet. For de fleste bruksområder for el-hjulmotorer og vindgeneratorer er N42H (120 graders klassifisering) den riktige karakteren. N42SH (150 grader) er sjelden nødvendig med mindre motoren er i et miljø med høy omgivelsestemperatur med begrenset kjøling. Spesifisering av N42SH eller høyere for en godt avkjølt aksial fluksmotor legger til 8–12 % av magnetkostnaden uten ytelsesfordeler ved driftstemperatur.
Unntaket er høyhastighets aksial fluksmotorer - spindeldrev, svinghjulsenergilagringsrotorer - hvor sentrifugalspenning på skivemagnetene er den dominerende designbegrensningen. Ved 10,000+ RPM kan den radielle spenningen på sektormagneter med ytre radius nærme seg grensen for strekkstyrke for sintret NdFeB (omtrent 80 MPa). Disse applikasjonene krever finite element spenningsanalyse av rotorskiven, og krever i noen tilfeller magnetgeometrimodifikasjoner (tilføying av indre radiusfas for å redusere spenningskonsentrasjonen) eller bytte til bundet NdFeB eller SmCo som har bedre strekkegenskaper på bekostning av lavere BHmax.
5. Innkjøpssjekkliste for aksialflukssektormagneter
Standard kjøpsspesifikasjoner for radiell fluksmagnet trenger følgende tillegg for aksial flukssektormagneter:
Geometri: spesifiser indre radius (Ri), ytre radius (Ro), sektorvinkel (grad) og flat flatetykkelse. Inkluder Ri/Ro-forhold eksplisitt - det bestemmer avkastningsberegningen og fluksfordelingsuniformiteten.
Magnetiseringsretning: spesifiser aksial (gjennom-tykkelse) for standarddesign. For Halbach-arrayrotorer, oppgi en posisjon-for-posisjon magnetiseringskarttegning.
Remanenstoleranse: standard ±5 % er akseptabelt for jernkjernestatordesign. Spesifiser ±2 % for kjerneløse TORUS/YASA-konfigurasjoner.
Belegg: standard Ni-Cu-Ni er egnet for de fleste bruksområder med aksial fluks. For korrosive miljøer (kystvind, marin) eller bruk med høy luftfuktighet, spesifiser strømløs nikkel- eller epoksybelegg. Gullbelegg er sjelden nødvendig med mindre motoren er i et medisinsk eller halvledermiljø.
Monteringsmerking: be om at hver magnetflate merkes med magnetiseringsretning (N eller S) på den flate flaten. Sektorgeometrien er ikke selvorienterende - umerkede magneter i en flerpolet sammenstilling er en betydelig risiko for monteringsfeil.
HIMAGNET produserer sektormagneter for aksiale fluksmotorer i kvaliteter fra N35 til N52, med aksial og Halbach-array magnetisering, tett-toleranse kjerneløse varianter og monteringsmerking. Kontakt ingeniørteamet vårt med din Ri, Ro, poltall og driftstemperatur for en geometri- og karakteranbefaling.
