Unit penggerak terintegrasi: pengemasan stator dan kompromi ukuran rotor

Unit penggerak terintegrasi tidak mentolerir kesalahan geometri. Setelah Anda mengunci paket stator dan proporsi rotor, Anda mengunci kepadatan torsi, perilaku akustik, kompleksitas pendinginan, daftar bahan (BOM), dan bahkan bagaimana teknisi layanan akan mengutuk unit tersebut sepuluh tahun kemudian. Perangkat lunak hanya menghaluskan tepi; logamlah yang menentukan bentuk masalahnya.

Kotak sistem yang sebenarnya Anda rancang untuk

Sebagian besar dokumen EDU membahas peta efisiensi dan densitas daya, tetapi tim kendaraan lebih peduli pada seperangkat angka yang berbeda: jarak antar poros, rel tabrakan, titik pemasangan subframe, dan ruang kosong terowongan baterai. Ulasan tentang EDU modern menunjukkan tren yang sama: motor, transmisi, dan inverter dirancang sebagai satu objek mekanis tunggal, bukan sebagai tiga komponen terpisah yang hanya berbagi poros.

Artinya, diameter luar stator (OD) dan ruang rotor bukanlah "variabel desain motor" secara terpisah. Keduanya bersaing dalam hal volume dengan sistem gigi, diferensial, dan inverter. E-axle berkecepatan tinggi dari AVL dan produsen lain menunjukkan hal ini dengan jelas: mereka memaksimalkan panjang dan diameter rotor, lalu mengorbankan hal tersebut dengan kecepatan yang lebih tinggi dan rasio reduksi yang lebih besar pada sistem gigi.

Jadi, setiap pembahasan tentang kompromi ukuran rotor yang mengabaikan proses pengecoran EDU, sudut poros setengah, atau ketebalan modul inverter sudah tidak lengkap.

Kemasan stator terlebih dahulu, atau ukuran rotor terlebih dahulu?

Secara teori, Anda dapat memulai dari torsi dan kecepatan dasar, memilih topologi motor, lalu biarkan CAD menentukan letak komponen lainnya. Dalam program nyata, prosesnya seringkali berjalan sebaliknya. Titik-titik tetap pada bodi mobil memberikan Anda silinder batas motor antara poros setengah dan permukaan inverter. Transmisi menginginkan bagian ruangnya sendiri. Insinyur termal kemudian mengklaim ketebalan dinding dan saluran oli. Baru setelah pertarungan ini, Anda mengetahui diameter rotor dan panjang tumpukan yang sebenarnya tersisa.

Motor kompak Lucid merupakan contoh yang baik: rotor, stator, sistem pendingin, dan set gigi planetar disusun secara rapat, dengan diferensial terintegrasi ke dalam poros rotor. Motor tidak dapat berkembang secara aksial karena set gigi harus berada dalam satu garis; ia juga tidak dapat berkembang secara radial karena rumah motor masih harus berada di antara anggota suspensi.

Jawaban yang jujur: baik stator maupun rotor sebenarnya tidak ada yang lebih dulu. Envelope EDU lah yang lebih dulu, dan geometri rotor/stator adalah yang harus Anda atur agar envelope tersebut berfungsi secara elektrik, termal, dan mekanis.

Diameter rotor versus panjang: pertarungan diam-diam di dalam rumah rotor

Semua orang di bidang ini mengetahui proporsionalitas dasar. Torsi berbanding lurus dengan jari-jari celah udara, panjang aksial, dan tegangan geser. Seringkali tergoda untuk mengejar torsi dengan hanya memperbesar diameter rotor hingga rumah rotor mulai bermasalah. Itu mungkin berhasil untuk sementara waktu. Namun, masalah-masalah non-ideal akan muncul.

Diameter yang lebih besar meningkatkan kecepatan ujung rotor pada putaran mekanis (rpm) yang sama. Tegangan sentrifugal pada selongsong dan magnet meningkat seiring dengan kuadrat kecepatan, sehingga margin keamanan mekanis berkurang dengan cepat setelah melampaui radius tertentu pada putaran maksimum yang sama. Studi tentang poros berkecepatan tinggi dan konsep pendinginan rotor baru menyoroti betapa besar upaya yang kini dilakukan untuk mengelola tegangan dan suhu ini pada mesin EV yang kompak.

Di sisi lain, rotor yang panjang dan ramping memiliki masalah tersendiri. Mereka meningkatkan mode pembengkokan, dapat memperkuat getaran gigi pada EDU, dan menjadi masalah dari segi toleransi tumpukan. Penelitian NVH pada e-axle menunjukkan bagaimana mode poros dan rotor berinteraksi dengan dinamika rumah dan gigi dalam cara yang tidak menguntungkan bagi keheningan kabin, terutama saat kecepatan motor ditingkatkan hingga puluhan ribu rpm.

Semua itu berada di atas hal yang jelas: diameter memengaruhi panjang jalur tembaga di stator, densitas fluks gigi stator, dan jumlah besi yang dibutuhkan di yoke. Panjang memengaruhi proporsi lilitan ujung, jalur kebocoran aksial, dan terkadang distribusi pendinginan. Anda sudah mengetahui persamaannya; yang penting dalam EDU adalah bagaimana efek elektromagnetik ini berinteraksi dengan coran, gigi, dan minyak.

Cara ringkas untuk mempertimbangkan pilihan geometri rotor

Berikut adalah salah satu cara untuk merangkum keputusan geometri yang terus Anda pertimbangkan kembali dalam unit terintegrasi:

Intinya bukan bahwa satu pilihan adalah "benar." Melainkan, begitu Anda memilih suatu bias, serangkaian keputusan sekunder menjadi hampir tak terhindarkan.

Kemasan stator, slot, dan inverter yang berada di sebelahnya

Mesin EV modern menggunakan teknologi stator yang sudah familiar: stator hairpin atau bar-wound untuk pengisian slot tinggi, inti stator bersegmen, dan lilitan terkonsentrasi pada beberapa desain. Namun, ketika motor berada di dalam EDU, pilihan-pilihan tersebut tidak lagi hanya bersifat elektromagnetik.

Stator bersegmen dengan kumparan terkonsentrasi bercelah fraksional menarik karena menyederhanakan proses manufaktur, memungkinkan pengisian celah yang tinggi, dan dapat mengintegrasikan saluran pendingin ke dalam segmen individu. Penelitian dari DOE dan lainnya menunjukkan bahwa konsep-konsep tersebut dapat memenuhi target kepadatan daya yang agresif dengan pendinginan terintegrasi. Namun, sambungan segmen, fitur pelat ujung tambahan, dan rute pendingin yang kompleks semuanya menghabiskan ruang yang seharusnya dapat digunakan untuk radius rotor atau elemen gearbox.

Lilit rambut (hairpin windings), yang digunakan dalam motor produksi seperti Ampera-e, memanfaatkan area slot stator dengan baik dan cocok untuk manufaktur otomatis. Namun, dalam EDU, ujung lilit rambut memerlukan ruang aksial. Hal ini dapat meningkatkan panjang aksial motor atau mengurangi panjang dari sistem gigi. Selain itu, hal ini juga menghasilkan area tembaga yang padat tepat di tempat pendinginan dan rute busbar sudah padat.

Kemasan inverter kemudian memberikan umpan balik: modul daya yang lebih tebal dan busbar mungkin menyebabkan diameter luar stator yang lebih besar atau memaksa motor untuk bergeser relatif terhadap gearset, yang dapat mengubah posisi di mana Anda diizinkan untuk menempatkan bahu bantalan dan penyangga rotor. Pembahasan geometri berputar kembali.

NVH, mode, dan kebisingan yang tidak tercantum dalam spesifikasi teknis.

EDUs dinilai oleh pelanggan lebih melalui pendengaran mereka daripada melalui grafik FFT. Dan geometri rotor/stator sangat berpengaruh pada pendengaran tersebut.

Diameter dan panjang rotor memengaruhi kekakuan dan massa perakitan rotor, sehingga memengaruhi mode lentur dan torsi poros. Ketika hal ini berinteraksi dengan frekuensi gigi dan harmonik switching inverter, hasilnya dapat berupa kebisingan tonal yang tidak dapat dihilangkan oleh filter perangkat lunak. Studi NVH pada e-axles menekankan desain terpadu sejak awal antara gaya elektromagnetik, mode struktural, dan dinamika gigi, bukan perbaikan pada tahap akhir.

Geometri stator juga penting: gigi yang sempit dan jumlah slot yang tinggi dapat mengubah bilangan gelombang gaya dan memindahkan eksitasi dominan ke area yang kurang sensitif dalam fungsi transfer akustik kabin. Namun, jumlah slot yang sangat tinggi dapat meningkatkan kompleksitas manufaktur dan mungkin bertentangan dengan aturan kemasan untuk sambungan hairpin atau segmen. Lagi-lagi, ini adalah kompromi, bukan keuntungan gratis.

Pendinginan sistem dalam unit terintegrasi

Perhatikan strategi pendinginan EDU saat ini, dan pola tertentu mulai terlihat. Minyak atau cairan dielektrik sering membersihkan rotor dan stator, lalu mentransfer panas ke sirkuit air-gliserin dan kemudian ke radiator. Sirkuit minyak berbagi ruang dengan gigi, bantalan, dan segel, serta apa pun yang dibutuhkan tim transmisi untuk pelumasan dan pengendalian kerugian akibat gesekan.

Ulasan pendinginan dan panduan pemilihan kini menekankan bahwa Anda harus mempertimbangkan rotor, stator, rumah, dan bahkan inverter sebagai satu objek termal. Rotor yang tebal dengan kepadatan kerugian tinggi mungkin baik secara elektromagnetik, tetapi dapat memaksa Anda menggunakan pendinginan cairan berdukting yang kompleks melalui poros atau semburan minyak yang agresif, yang meningkatkan daya pompa dan risiko desain. Rotor yang panjang dan ramping menyebarkan kerugian secara aksial, tetapi mungkin memerlukan rumah yang lebih panjang dan area permukaan yang lebih besar untuk aliran pendingin yang sama, yang juga tidak gratis.

Paket stator berinteraksi dengan hal ini. Jaket internal, saluran tertanam pada segmen stator, dan pendinginan langsung pada kumparan ujung semuanya memerlukan fitur yang dicetak atau insersi. Fitur-fitur tersebut menempati ruang radial dan aksial yang seharusnya dapat digunakan untuk radius rotor atau lebar permukaan gigi.

Heuristik desain yang benar-benar membantu dalam ruang rapat

Alat optimasi multi-domain formal sangat berguna, dan penelitian terbaru tentang optimasi terintegrasi e-axle dengan machine learning sangat mengesankan. Namun, tim teknik masih membuat keputusan awal berdasarkan pola sederhana.

Satu pola: mulailah dari kendaraan dan transmisi, bukan motor. Tetapkan batas maksimum EDU outer envelope, strategi pengurangan gigi, dan volume inverter brick. Hal ini memberikan Anda "anggaran silinder" untuk motor. Di dalam anggaran tersebut, pilih rentang kecepatan rotor yang sesuai dengan bahan magnet yang tersedia, teknologi pengendalian, dan ekspektasi NVH pelanggan.

Setelah rentang kecepatan disepakati, gunakan diameter rotor sebagai satuan pengukuran bersama di antara tim elektromagnetik, mekanik, dan termal. Setiap penambahan satu milimeter diameter harus memberikan manfaat yang jelas dan terukur dalam kepadatan torsi atau pengurangan kerugian, dan biayanya harus terlihat dalam pengendalian, kecepatan ujung, dan pengadukan oli. Panjang aksial kemudian menjadi variabel yang menjaga efisiensi sepanjang siklus penggerak pada tingkat yang wajar, daripada peningkatan perlahan yang tidak terkendali pada setiap tinjauan desain.

Polanya yang kedua: perlakukan fitur kemasan stator sebagai item terpisah dalam anggaran yang sama. Jika stator yang dipisahkan atau jaket pendingin yang kompleks diusulkan, mintalah justifikasi yang jelas dalam hal biaya produksi, strategi perbaikan, atau peningkatan efisiensi atau kepadatan daya yang terukur selama siklus penggerak yang realistis, bukan hanya pada puncak. Jika tidak, material tersebut hanya menghabiskan ruang rotor tanpa keuntungan yang jelas.

Apa yang akan berubah selanjutnya: bahan, kecepatan, dan trik integrasi

Lingkup industri tidak statis. Analisis perkembangan motor traksi terbaru menunjukkan perhatian yang semakin besar terhadap kecepatan mekanis yang lebih tinggi, bahan rotor non-tradisional, dan konsep multi-rotor atau axial-flux untuk meningkatkan densitas daya tanpa sekadar memperbesar diameter.

Selongsong rotor yang diperkuat serat karbon dan bahkan badan rotor struktural kini mulai beralih dari makalah penelitian ke prototipe yang serius, menawarkan pengendalian yang lebih baik pada kecepatan ujung yang tinggi dan membuka peluang untuk diameter rotor yang lebih agresif dalam rumah yang kompak. Arsitektur multi-stator multi-rotor dapat menumpuk tahap-tahap pembangkit torsi tanpa meningkatkan diameter luar, dengan biaya kompleksitas mekanis dan terkadang pertumbuhan aksial.

Di sisi stator, desain pendinginan baru dan konsep inverter-motor terintegrasi berarti gambaran tradisional "motor dengan komponen yang dipasang secara terpisah" terus berkurang. Desain terintegrasi yang melilit inverter di sekitar atau di dalam rumah motor mengubah arah dan sejauh mana Anda dapat mengembangkan sistem, serta memindahkan lokasi di mana panas sebenarnya dihasilkan.

Ukuran rotor dan kemasan stator tetap menjadi dua faktor utama yang memengaruhi kepadatan daya dan kompaknya EDU, tetapi kumpulan bahan dan alat integrasi di sekitarnya terus berkembang. Itu kabar baik, tetapi juga berarti aturan umum yang lama perlu diperiksa secara berkala berdasarkan data baru.

Lalu, di mana posisi seorang desainer EDU dalam hal ini?

Jika Anda bertanggung jawab atas unit penggerak terintegrasi, Anda sebenarnya menentukan berapa banyak dari ruang lingkup terbatas Anda yang dialokasikan untuk jari-jari rotor, berapa banyak untuk panjang aksial, dan berapa banyak untuk tembaga stator, baja, struktur pendingin, set gigi, dan inverter. Setiap milimeter memiliki fungsi.

Langkah praktisnya adalah membuat spesifikasi pekerjaan tersebut secara eksplisit. Hubungkan diameter rotor, panjang rotor, dan pilihan kemasan stator dengan metrik sistem yang konkret: tidak hanya daya puncak kW atau Nm, tetapi juga efisiensi siklus penggerak, daya pompa, target akustik, kompleksitas perakitan, emisi CO₂ per unit, dan strategi layanan. Gunakan model dan data uji untuk memastikan bahwa Anda tidak hanya memindahkan masalah dari elektromagnetik ke NVH atau dari pendinginan ke manufaktur.

Lakukan hal itu secara konsisten, dan "pertimbangan ukuran rotor" tidak lagi menjadi topik desain motor yang abstrak. Mereka menjadi bahasa bersama di seluruh tim EDU, di mana semua orang dapat memahami mengapa motor tersebut memiliki ukuran yang tepat, panjang, dan kompleks seperti yang akhirnya dihasilkan.