Mesin fluks aksial: stator tersegmentasi dan kuk rotor

Kuk stator dan rotor yang tersegmentasi tidak lagi menjadi keingintahuan khusus; mereka adalah apa yang Anda raih setelah kepadatan torsi, batas termal, dan kemampuan manufaktur mulai berdebat satu sama lain dan Anda membutuhkan ketiganya untuk menang sekaligus.

Anda sudah mengetahui kisah fluks aksial yang biasa: torsi tinggi per massa, mesin pendek, canggung secara mekanis, dan mengalami tekanan termal. Anda telah melihat diagram yang jelas dari mesin yokeless dan segmented armature (YASA) dan membaca klaim penjualan dari vendor motor. Apa yang cenderung hilang adalah pandangan yang jujur tentang bagaimana segmentasi kuk stator dan rotor mengubah batasan aktual yang Anda rancang, dan di mana diagram yang bagus diam-diam berhenti mencocokkan kenyataan.

Ini adalah pandangan seorang insinyur yang bekerja tentang kesenjangan itu.

1. Mengapa semua orang terus memotong kuk menjadi beberapa bagian

Penelitian asli YASA menunjukkan bahwa membuang kuk stator kontinu dan menggantinya dengan gigi diskrit yang dibungkus dengan belitan terkonsentrasi memberi Anda pengisian tembaga yang sangat tinggi, belitan ujung yang lebih pendek, dan massa besi yang lebih sedikit, sehingga densitas torsi melonjak dibandingkan dengan mesin torus klasik. Ulasan modern terus mengonfirmasi pola yang sama: jika Anda mengejar kepadatan daya, stator tanpa kuk atau tersegmentasi hampir selalu berada di dekat bagian atas daftar pendek.

Tetapi tren yang lebih menarik dalam makalah dan paten baru-baru ini adalah bahwa segmentasi telah bergerak di luar masalah elektromagnetik murni.

Gigi stator menjadi modul termomekanik individual, sering kali dengan sepatu soft-magnetic-composite (SMC) sendiri yang menyentuh housing yang didinginkan. Kuk rotor dipecah menjadi modul melingkar dengan segmen besi belakang dan tumpukan magnetnya sendiri, dibaut ke cakram pembawa untuk memudahkan perakitan dan perbaikan. Pada mesin dengan output tinggi seperti prototipe YASA baru-baru ini, topologi ditumpuk menjadi sistem multi-rotor, multi-stator di mana segmentasi lebih banyak tentang pendinginan dan manufaktur daripada tentang fluks.

Jadi, alih-alih "segmentasi meningkatkan kepadatan torsi", aturan praktis yang lebih jujur adalah: segmentasi menukar kontinuitas magnetik dengan kontrol atas tiga hal sekaligus - geometri belitan, jalur termal, dan cara Anda membuat atau menyervis motor.

Setelah Anda menerima pertukaran tersebut, baik kuk stator maupun rotor mulai terlihat dapat dinegosiasikan.

2. Kuk stator tersegmentasi: dari cincin ke modul

Stator fluks aksial klasik menggunakan cincin laminasi kontinu dengan gigi yang dicap ke dalamnya. Secara elektromagnetik bersih, kaku secara struktural, dan mengganggu angin atau dingin dengan baik. Anda telah melakukan tarian itu.

Alternatif yang tersegmentasi secara kasar terbagi menjadi dua ember.

Pertama, angker tersegmentasi tanpa kuk yang "benar": gigi terpisah dengan kumparan, dibawa oleh cakram struktural non-magnetik, tanpa kuk stator kontinu sama sekali. Itu adalah pola YASA dari Oxford dan UGent, dan sekarang tercakup dengan baik dalam literatur. Gigi melihat fluks hanya melalui jalurnya sendiri ke magnet yang berhadapan; hanya ada sedikit pembagian fluks melingkar di antara gigi. Harga yang Anda bayar adalah bahwa rumah dan resin atau SMC yang digunakan untuk penyangga sekarang menjadi bagian dari struktur mekanis, meskipun secara elektromagnetik sebagian besar tidak terlihat.

Kedua, modul kuk tersegmentasi yang masih berperilaku seperti potongan cincin. Paten US20230047862A1 baru-baru ini adalah perwakilan yang baik: setiap segmen stator adalah inti yang dilaminasi di dalam selongsong SMC dengan sepatu tiang di setiap ujung aksial, sepatu yang bersentuhan dengan selubung luar yang dilapisi air. Laminasi memberi Anda kehilangan inti yang rendah; SMC memungkinkan Anda untuk memahat sepatu miring atau berbentuk V dan mendorong panas langsung ke dalam rumahan. Bukaan slot antar segmen dapat dibuat lurus, miring, berbentuk Z, atau berbentuk V untuk memangkas torsi cogging dan konten harmonik tanpa menggunakan tata letak belitan yang aneh.

Dari sudut pandang desain, pesannya sederhana tetapi sedikit tidak nyaman.

"Kuk stator" bukan lagi sebuah cincin tunggal yang Anda ukur sekali dari batasan B-t. Ini adalah bidang sumber panas dan jalur fluks yang terpisah, yang berada dalam perancah struktural dan termal yang dapat - dan mungkin harus - Anda salahgunakan.

Jika Anda memperlakukan segmen-segmen tersebut hanya sebagai versi yang diperkecil dari gigi kuk kontinu, Anda akan kurang menggunakannya.

3. Segmentasi kuk rotor: bukan hanya tentang magnet

Dibandingkan dengan stator, kuk rotor pada mesin fluks aksial tetap konservatif lebih lama. Banyak motor gaya YASA masih menggunakan cakram baja padat sebagai kuk rotor dengan magnet permukaan tersegmentasi atau susunan Halbach yang diikat. Ada alasan bagus: rotor membawa tekanan sentrifugal, fluks menginginkan jalur balik yang bersih, dan manufaktur menyukai cakram datar.

Paten seperti CN110945752B menunjukkan ke mana arah selanjutnya. Rotor dibuat dari modul melingkar: setiap modul memiliki segmen besi belakang dan satu set magnet dengan kutub bergantian, panjang segmen kurang dari keliling penuh sehingga beberapa modul melapisi dasar rotor Pemandu fluks opsional dengan panjang atau lebar yang diperpanjang berada di bawah atau di samping magnet untuk menyetel kejenuhan dan kebocoran.

Secara elektromagnetik, segmentasi kuk rotor melakukan tiga hal utama.

Pertama, ini memperkenalkan modulasi keengganan melingkar. Fluks dari gigi sekarang lebih suka menutup melalui segmen rotor terdekatnya, dan ada "celah" kecil di besi belakang di antara modul. Pada kombinasi slot / kutub rendah, yang dapat digunakan dengan sengaja sebagai efek vernier yang lemah atau sebagai pegangan ekstra pada cogging. Pada jumlah kutub yang lebih tinggi, sebagian besar menjadi harmonik lain yang harus Anda ingat.

Kedua, ini memecah jalur arus pusar di yoke, yang mulai menjadi masalah ketika frekuensi listrik naik menjadi beberapa ratus hertz ke atas, atau ketika struktur Halbach digunakan dan fluks besi belakang berayun dengan keras. Penelitian tentang mesin AFPM tanpa biji dan Halbach terus menyoroti kehilangan rotor-kuk sebagai bagian anggaran yang tidak sepele; segmentasi kuk adalah salah satu cara yang lebih bersih untuk menahannya tanpa bahan eksotis.

Ketiga, membuat rotor menjadi sebuah kit. Tukar modul, ubah jumlah kutub, atau ganti paket magnet yang rusak tanpa membuang cakram penuh. Kedengarannya seperti kekhawatiran insinyur produksi, tetapi hal ini kembali ke desain elektromagnetik karena Anda dapat bereksperimen lebih agresif dengan rasio kutub-busur dan bentuk magnet ketika hasilnya adalah "mengubah gambar modul" alih-alih "mendesain ulang cakram rotor 600 mm".

Risiko mekanisnya sudah jelas: lebih banyak sambungan, lebih banyak baut, lebih banyak rantai toleransi. Tetapi jika Anda sudah merancang stator yang terbuat dari dua puluh atau tiga puluh modul komposit-dan-tembaga, memperlakukan rotor sebagai sesuatu yang sakral dan monolitik terkadang hanya inersia.

4. Ketika segmentasi stator dan rotor mulai berbicara satu sama lain

Setelah kedua sisi celah udara dipotong menjadi modul, pola potongan tersebut sama pentingnya dengan kombinasi slot/kutub yang Anda banggakan untuk dioptimalkan.

Beberapa pengamatan praktis, melewatkan derivasi yang diperluas yang sudah Anda ketahui cara menulisnya.

Jika pitch stator-gigi dan pitch segmen rotor memiliki kelipatan persekutuan yang rendah, Anda akan mendapatkan "titik panas" melingkar yang berbeda dalam kerapatan fluks gigi. Puncak B lokal di mana celah rotor dan pusat gigi berbaris berlipat ganda. Hal ini dapat berguna jika Anda menginginkan sedikit modulasi medan, tetapi biasanya muncul sebagai saturasi gigi yang tidak merata dan riak torsi pada satu harmonik eksentrisitas tertentu.

Jika Anda mengacak segmen rotor dengan setengah gigi atau pecahan lainnya, Anda secara efektif mendapatkan kemiringan melingkar tanpa memiringkan magnet apa pun. Beberapa paten rotor modular mengisyaratkan hal ini dengan mengizinkan beberapa panjang modul dan pola offset opsional; tidak ada rumus yang diberikan, tetapi idenya cukup jelas. Dikombinasikan dengan slot stator berbentuk V atau Z dari paten inti tersegmentasi, Anda bisa mendapatkan banyak pengurangan torsi cogging dari kemiringan klasik dengan perkakas yang lebih mudah dicap atau ditekan.

Jika kedua sisi tersegmentasi dan keduanya mendukung semacam kemiringan, Anda perlu membuat keputusan secara sadar tentang yang mana yang "memiliki" reduksi cogging. Membagi tanggung jawab secara acak cenderung menghasilkan mesin yang mensimulasikan dengan baik di bawah geometri yang sempurna tetapi sangat sensitif terhadap penyebaran perakitan, karena pembatalan yang seimbang dengan hati-hati mengasumsikan hubungan sudut yang tepat antara modul.

Salah satu jalan pintas mental yang berguna adalah menetapkan peran. Biarkan segmentasi stator menangani tembaga, pendinginan, dan sebagian besar pekerjaan cogging; biarkan segmentasi rotor menangani pengemasan magnet, kehilangan kuk, dan kemampuan manufaktur. Hal ini tidak memberi Anda bentuk tertutup yang optimal, tetapi menghindarkan Anda dari mengejar harmonisa hantu.

5. Membandingkan arsitektur kuk dalam praktik

Tabel di bawah ini memampatkan apa yang sebenarnya dilakukan oleh para desainer saat ini, daripada apa yang disarankan oleh sketsa ideal.

Anda dapat memperdebatkan kolom keempat dengan mesin fluks aksial tanpa inti, tetapi itu berada di ruang desain yang sedikit berbeda dan sebagian besar menghindari diskusi kuk sama sekali.

6. Kebiasaan desain yang menua dengan buruk dengan kuk yang tersegmentasi

Beberapa kebiasaan dari pemikiran kuk kontinu secara halus menyesatkan Anda setelah Anda beralih ke stator tersegmentasi dan rotor modular.

Memperlakukan penyangga stator sebagai "hanya mekanis" adalah salah satunya. Dalam desain stator tersegmentasi, jalur struktural dari gigi ke rumah sering kali melewati sepatu SMC, resin, atau cincin baja tipis. Jalur tersebut tidak hanya mengatur kekakuan mekanis tetapi juga konstanta waktu termal setiap gigi. Paten yang menggunakan selongsong SMC secara eksplisit mengeksploitasi hal ini: SMC menyediakan konduksi magnetik jika diperlukan dan jembatan termal yang dapat dikontrol ke dalam wadah kedap air. Mengabaikan kopling itu memberi Anda simulasi yang benar selama dua detik dan salah selama sisa siklus kerja.

Kebiasaan lain adalah mengukur besi belakang rotor seolah-olah itu adalah cincin yang seragam. Pada rotor modular, penampang efektif untuk fluks adalah fungsi periodik dari sudut; beberapa modul mungkin membawa lebih banyak fluks daripada yang lain jika tata letak stator, kutub-busur, dan batas modul tidak sejajar dengan baik. Cara sederhana untuk mengetahui hal ini lebih awal adalah dengan menjalankan jaringan keengganan melingkar 2D di mana setiap modul rotor memiliki elemen besi belakangnya sendiri dan melihat bagaimana fluks terdistribusi dengan beberapa kombinasi slot/kutub. Model tersebut tidak akan memenangkan penghargaan apa pun, tetapi akan menandai pola-pola yang buruk sebelum Anda menginvestasikan waktu untuk melakukan mesh FEA 3D.

Kebiasaan ketiga: terlalu mengandalkan kemiringan magnet untuk kontrol torsi-ripple. Paten stator tersegmentasi sekarang memberi Anda bukaan slot berbentuk, sepatu miring, dan bahkan jalur berbentuk Z, semuanya dipanggang ke dalam geometri gigi. Dikombinasikan dengan segmentasi rotor, Anda sering kali dapat menjaga magnet tetap sederhana dan kuat secara mekanis sambil mengalihkan sebagian besar kontrol riak menjadi besi statis. Hal itu menyederhanakan sumber dan perakitan magnet, yang lebih penting ketika Anda bergerak menuju volume produksi yang dibicarakan oleh YASA, Mercedes, dan lainnya.

7. Kepadatan termal dan arus: bagaimana segmentasi mengubah permainan

Motor fluks aksial kelas rekor baru-baru ini tidak berhasil karena seseorang menemukan magnet baru yang ajaib. Mereka bersandar keras pada topologi dan pendinginan, dan segmentasi kuk stator dan rotor dipanggang ke dalam keduanya.

Prototipe YASA saat ini, misalnya, melaporkan kepadatan daya lebih dari 40 kW/kg, dengan unit-unit berikutnya mencapai klaim sekitar 59 kW/kg, pada kepadatan saat ini yang akan terlihat agresif dalam katalog industri tradisional. Analisis independen yang merekonstruksi geometri dari foto dan data material tipikal mencapai kesimpulan yang sama: menumpuk beberapa tahap tanpa kuk dan mendinginkannya secara langsung adalah hal yang membuat angka-angka tersebut masuk akal.

Setelah gigi stator menjadi modul terpisah, Anda dapat melilitkan tembaga dengan erat di sekelilingnya, menyisakan celah yang terkendali untuk oli atau cairan pendingin, dan mengalirkan panas langsung ke dalam rumah yang didinginkan. Dengan sepatu SMC atau pipa panas antara gigi dan rumah, seperti pada pekerjaan MDPI baru-baru ini, jalur termal menjadi cukup pendek sehingga 40-60 A / mm² dalam tembaga dapat bertahan untuk siklus kerja yang signifikan, asalkan Anda jujur tentang anggaran kenaikan suhu Anda.

Segmentasi rotor juga membantu di sini. Memecah besi belakang dan tumpukan magnet menjadi beberapa modul memberi Anda lebih banyak area permukaan dan lebih banyak pilihan untuk merutekan oli atau gas pendingin melalui pembawa rotor, dan ini membatasi kerapatan kehilangan arus pusar yang jika tidak, akan mengubah cakram rotor yang halus menjadi pemanas pada frekuensi tinggi. Untuk kecepatan ujung yang sangat tinggi, Anda bahkan dapat mempertimbangkan bahan yang berbeda untuk modul yang berbeda, memperdagangkan margin saturasi terhadap kekuatan mekanis berdasarkan basis per modul alih-alih untuk seluruh cakram.

Efek bersihnya adalah bahwa kerapatan arus dan batas termal tidak lagi ditentukan terutama oleh daerah yang paling buruk didinginkan dari kuk kontinu. Segmentasi memungkinkan Anda melakukan bias kapasitas pendinginan di mana kerugian paling tinggi. Ini adalah perubahan yang tenang namun serius.

8. Ke mana arahnya kemungkinan besar

Pipeline penelitian sudah penuh dengan varian yang mendorong segmentasi ke arah yang baru: gigi tersegmentasi dengan bagian dalam dan luar yang terpisah untuk memperbaiki ketidakseimbangan kerapatan fluks radial, mesin fluks aksial-radial hibrida dengan stator modular SMC, dan desain multi-tumpukan tanpa besi yang ditujukan untuk propulsi pesawat terbang. Studi komparatif terus menemukan bahwa struktur angker tanpa kuk dan tersegmentasi mengalahkan tata letak fluks aksial yang lebih konvensional dalam hal kerapatan torsi dan sering kali dalam hal efisiensi, setelah Anda menerima kerumitan manufaktur.

Di sisi industri, motor YASA bergerak dari mobil konsep menjadi produksi seri dengan Mercedes, Lamborghini, Ferrari, dan lainnya, dan paten publik menunjukkan modularitas stator dan rotor menjadi lebih jelas, tidak kurang. Untuk mesin yang lebih kecil dan berdaya menengah, kit rotor dan stator modular yang dijelaskan dalam CN110945752B dan pengarsipan terkait mengisyaratkan keluarga produk di mana jumlah kutub dan diameter hanyalah parameter konfigurasi dan bukan nomor komponen baru.

Jadi, jika Anda mengerjakan fluks aksial saat ini, masuk akal untuk mengasumsikan bahwa "kuk kontinu, rotor cakram sederhana" secara perlahan-lahan akan menjadi dasar untuk desain konservatif, bukan batas atas dari apa yang praktis.

9. Sebuah catatan yang singkat dan tumpul

Jika Anda tetap menggunakan kuk monolitik, Anda mendapatkan model yang lebih sederhana dan perkakas yang lebih sederhana, dan Anda masih akan membangun mesin fluks aksial yang terhormat. Jika Anda menerima kuk stator dan rotor tersegmentasi, Anda mendapatkan ruang desain yang lebih berantakan, tetapi juga kontrol yang lebih baik atas geometri tembaga, jalur termal, dan kemampuan manufaktur.

Bukti dari penelitian terbaru dan dari motor yang kini diam-diam memasuki masa produksi adalah bahwa kekacauan ini layak untuk ditangani.