Macchine a flusso assiale: gioghi segmentati di statore e rotore

I gioghi a segmenti per statore e rotore non sono più una curiosità di nicchia; sono ciò che si cerca di ottenere quando la densità di coppia, i limiti termici e la producibilità iniziano a litigare tra loro ed è necessario che tutti e tre vincano contemporaneamente.

Conoscete già la solita storia del flusso assiale: coppia elevata per massa, macchina corta, meccanicamente scomoda, stressata termicamente. Avete visto i puliti diagrammi delle macchine con armatura segmentata e senza statore (YASA) e avete letto le dichiarazioni di vendita dei venditori di motori. Ciò che tende a mancare è uno sguardo sincero su come la segmentazione dei gioghi di statore e rotore modifichi i vincoli effettivi della progettazione e dove i bei diagrammi smettono di corrispondere alla realtà.

Questo è il punto di vista di un ingegnere che lavora su questo divario.

1. Perché tutti continuano a tagliare i gioghi a pezzi

Il lavoro originale di YASA ha dimostrato che, eliminando il giogo statorico continuo e sostituendolo con denti discreti avvolti in avvolgimenti concentrati, si ottiene un elevato riempimento di rame, avvolgimenti finali più corti e una minore massa di ferro, con conseguente aumento della densità di coppia rispetto alle classiche macchine a toro. Le recensioni moderne continuano a confermare lo stesso schema: se si cerca la densità di potenza, uno statore senza giogo o segmentato è quasi sempre in cima alla lista dei prodotti da preferire.

Ma la tendenza più interessante dei documenti e dei brevetti recenti è che la segmentazione si è spostata al di fuori del puro problema elettromagnetico.

I denti dello statore stanno diventando singoli moduli termomeccanici, spesso dotati di pattini in composito magnetico morbido (SMC) che toccano l'alloggiamento raffreddato. I gioghi del rotore vengono suddivisi in moduli circonferenziali con i propri segmenti di ferro posteriore e pile di magneti, imbullonati a un disco portante per facilitare l'assemblaggio e la riparazione. Nelle macchine ad alto rendimento, come i recenti prototipi YASA, la topologia è impilata in sistemi multirotore e multistatore in cui la segmentazione è tanto importante per il raffreddamento e la produzione quanto per il flusso.

Quindi, invece di "la segmentazione aumenta la densità di coppia", una regola empirica più onesta è: la segmentazione scambia la continuità magnetica con il controllo di altre tre cose contemporaneamente: la geometria degli avvolgimenti, i percorsi termici e le modalità di costruzione o manutenzione del motore.

Una volta accettato questo scambio, i gioghi dello statore e del rotore iniziano a sembrare negoziabili.

2. Gioghi statorici segmentati: dall'anello ai moduli

Gli statori a flusso assiale classici utilizzavano un anello laminato continuo con denti stampati. È elettromagneticamente pulito, strutturalmente rigido e fastidioso da avvolgere o raffreddare bene. Avete fatto questa danza.

Le alternative segmentate si dividono grosso modo in due categorie.

In primo luogo, la "vera" armatura segmentata senza giogo: denti separati con bobine, trasportati da un disco strutturale non magnetico, senza giogo statorico continuo. Questo è il modello YASA di Oxford e UGent, ed è ormai ben trattato in letteratura. I denti vedono il flusso solo attraverso i loro percorsi verso i magneti di fronte; la condivisione del flusso circonferenziale tra i denti è minima. Il prezzo da pagare è che l'alloggiamento e qualsiasi resina o SMC utilizzato per il supporto diventano parte della struttura meccanica, anche se dal punto di vista elettromagnetico sono per lo più fuori dal quadro.

In secondo luogo, moduli a giogo segmentato che si comportano ancora come pezzi di un anello. Il recente brevetto US20230047862A1 ne è un buon rappresentante: ogni segmento dello statore è costituito da un nucleo laminato all'interno di una guaina in SMC con pattini per i poli a ciascuna estremità assiale, i quali entrano in contatto con un involucro esterno rivestito d'acqua. Le laminazioni consentono di ottenere una bassa perdita del nucleo; l'SMC permette di scolpire pattini obliqui o a V e di spingere il calore direttamente nell'involucro. Le aperture tra i segmenti possono essere diritte, inclinate, a Z o a V per ridurre la coppia di cogging e il contenuto armonico senza ricorrere a strane disposizioni degli avvolgimenti.

Dal punto di vista del design, il messaggio è semplice ma leggermente scomodo.

Il "giogo dello statore" non è più un singolo anello che si dimensiona una sola volta in base ai vincoli di B-t. È un campo di sorgenti di calore e percorsi di flusso discreti, inseriti in un'impalcatura strutturale e termica di cui si può - e probabilmente si deve - abusare.

Se si trattano questi segmenti solo come versioni ridimensionate di un dente di giogo continuo, si rischia di sottoutilizzarli.

3. Segmentazione del giogo del rotore: non solo i magneti

Rispetto agli statori, i gioghi del rotore nelle macchine a flusso assiale sono rimasti conservatori più a lungo. Molti motori di tipo YASA utilizzano ancora dischi di acciaio massiccio come gioghi del rotore, con magneti di superficie segmentati o array di Halbach incollati. Ci sono buone ragioni: il rotore è sottoposto a sforzi centrifughi, il flusso vuole un percorso di ritorno pulito e la produzione ama i dischi piatti.

Brevetti come CN110945752B mostrano la prossima direzione. Il rotore è costruito da moduli circonferenziali: ogni modulo ha un segmento di ferro posteriore e una serie di magneti con poli alternati; la lunghezza del segmento è inferiore all'intera circonferenza, per cui diversi moduli rivestono la base del rotore.

Dal punto di vista elettromagnetico, la segmentazione del giogo del rotore ha tre funzioni principali.

In primo luogo, introduce la modulazione della riluttanza circonferenziale. Il flusso di un dente preferisce ora chiudersi attraverso il segmento di rotore più vicino e si creano piccoli "vuoti" nel ferro posteriore tra i moduli. A basse combinazioni di slot/poli, questo può essere usato deliberatamente come un debole effetto verniero o come un'ulteriore gestione del cogging. Con un numero maggiore di poli, diventa per lo più un'altra armonica da tenere presente.

In secondo luogo, interrompe i percorsi delle correnti parassite nel giogo, che iniziano a essere importanti quando la frequenza elettrica sale a diverse centinaia di hertz e oltre, o quando si utilizzano strutture Halbach e il flusso del retro-ferro oscilla fortemente. La ricerca sulle macchine AFPM senza nucleo e Halbach continua a evidenziare la perdita del giogo del rotore come una fetta non banale del budget; la segmentazione del giogo è uno dei modi più puliti per contenerla senza ricorrere a materiali esotici.

In terzo luogo, rende il rotore un kit. È possibile scambiare i moduli, cambiare il numero di poli o sostituire i pacchetti di magneti danneggiati senza dover rottamare un disco completo. Sembra una preoccupazione da ingegnere di produzione, ma si ripercuote sulla progettazione elettromagnetica, perché si possono fare esperimenti più aggressivi con i rapporti tra gli archi dei poli e le forme dei magneti quando il risultato è "cambiare il disegno di un modulo" invece di "riprogettare un disco del rotore da 600 mm".

Il rischio meccanico è ovvio: più giunti, più bulloni, più catene di tolleranza. Ma se si sta già progettando uno statore composto da venti o trenta moduli in composito e rame, trattare il rotore come sacro e monolitico a volte è solo inerzia.

4. Quando la segmentazione dello statore e del rotore iniziano a parlare tra loro

Una volta che entrambi i lati del traferro sono stati tagliati in moduli, lo schema dei tagli è importante quanto la combinazione di slot e poli ottimizzata con orgoglio.

Alcune osservazioni pratiche, saltando le derivazioni estese che sapete già scrivere.

Se il passo dei denti dello statore e quello dei segmenti del rotore condividono un multiplo comune basso, si ottengono "punti caldi" circonferenziali distinti nella densità di flusso dei denti. I picchi locali di B dove gli interstizi del rotore e i centri dei denti si allineano si moltiplicano. Ciò può essere utile se si desidera un po' di modulazione di campo, ma di solito si manifesta come una saturazione non uniforme dei denti e un'ondulazione della coppia a una particolare armonica di eccentricità.

Se si sfalsano i segmenti del rotore di mezzo dente o di un'altra frazione, si ottiene effettivamente uno skew circonferenziale senza inclinare alcun magnete. Diversi brevetti di rotori modulari accennano a questa possibilità, consentendo lunghezze multiple dei moduli e schemi di sfalsamento opzionali; non viene fornita alcuna formula, ma l'idea è abbastanza chiara. In combinazione con le scanalature dello statore a V o a Z del brevetto del nucleo segmentato, è possibile ottenere gran parte della riduzione della coppia di ingranamento dello skew classico con strumenti più facili da stampare o pressare.

Se entrambi i lati sono segmentati ed entrambi supportano un qualche tipo di skew, è necessario prendere una decisione consapevole su quale sia il "proprietario" della riduzione del cogging. Dividendo la responsabilità in modo casuale, si tende a produrre una macchina che simula bene in condizioni di geometria perfetta, ma che è molto sensibile alla diffusione dell'assemblaggio, perché la cancellazione delicatamente bilanciata presuppone relazioni angolari esatte tra i moduli.

Un'utile scorciatoia mentale consiste nell'assegnare i ruoli. Lasciate che la segmentazione dello statore gestisca il rame, il raffreddamento e la maggior parte del lavoro di cogging; lasciate che la segmentazione del rotore gestisca l'imballaggio del magnete, le perdite del giogo e la producibilità. In questo modo non si ottiene un ottimo in forma chiusa, ma si evita di inseguire armoniche fantasma.

5. Confronto tra le architetture di giogo nella pratica

La tabella che segue comprime ciò che i progettisti fanno effettivamente oggi, piuttosto che ciò che suggeriscono gli schizzi idealizzati.

Si potrebbe sostenere la necessità di una quarta colonna con le macchine a flusso assiale senza nucleo, ma queste vivono in uno spazio di progettazione leggermente diverso e per lo più eludono del tutto la discussione sul giogo.

6. Abitudini di progettazione che invecchiano male con i gioghi segmentati

Alcune abitudini derivanti dal pensiero a giogo continuo sono sottilmente fuorvianti quando si passa a statori segmentati e rotori modulari.

Il trattamento del supporto dello statore come "solo meccanico" è uno di questi. Nei progetti di statori segmentati, il percorso strutturale dal dente all'alloggiamento passa spesso attraverso scarpe in SMC, resina o un sottile anello di acciaio. Questo percorso determina non solo la rigidità meccanica, ma anche la costante di tempo termica di ciascun dente. Il brevetto che utilizza i manicotti in SMC sfrutta esplicitamente questo aspetto: L'SMC fornisce sia la conduzione magnetica dove necessaria, sia un ponte termico controllabile in un involucro rivestito d'acqua. Ignorando questo accoppiamento si ottengono simulazioni corrette per due secondi e sbagliate per il resto del ciclo di lavoro.

Un'altra abitudine è quella di dimensionare il back-iron del rotore come se fosse un anello uniforme. Nei rotori modulari, la sezione trasversale effettiva per il flusso è una funzione periodica dell'angolo; alcuni moduli possono trasportare più flusso di altri se la disposizione dello statore, l'arco dei poli e i bordi dei moduli sono allineati male. Un modo semplice per individuare questo problema è quello di eseguire una rete di riluttanza circonferenziale in 2D in cui ogni modulo del rotore ha il proprio elemento back-iron e vedere come si distribuisce il flusso con alcune combinazioni di slot/poli. Questo modello non vincerà alcun premio, ma segnalerà gli schemi più brutti prima di aver investito tempo in mesh FEA 3D.

Una terza abitudine: fare eccessivo affidamento sull'inclinazione del magnete per controllare la coppia. I brevetti di statori segmentati consentono oggi di ottenere aperture sagomate per le scanalature, pattini obliqui e persino percorsi a Z, tutti integrati nella geometria dei denti. In combinazione con la segmentazione del rotore, è spesso possibile mantenere i magneti semplici e meccanicamente robusti, spostando la maggior parte del controllo dell'ondulazione nel ferro statico. Ciò semplifica l'approvvigionamento e l'assemblaggio dei magneti, il che è ancora più importante quando ci si avvicina ai volumi di produzione di cui parlano YASA, Mercedes e altri.

7. Densità termica e di corrente: come la segmentazione ha cambiato il gioco

I recenti motori a flusso assiale da record non stanno avendo successo perché qualcuno ha trovato un nuovo magnete magico. Si basano molto sulla topologia e sul raffreddamento, e la segmentazione dei gioghi dello statore e del rotore è incorporata in entrambi.

Gli attuali prototipi di YASA, ad esempio, riportano densità di potenza superiori a 40 kW/kg, con unità successive che raggiungono dichiarazioni intorno ai 59 kW/kg, con densità attuali che sembrerebbero aggressive in un catalogo industriale tradizionale. Analisi indipendenti che ricostruiscono la geometria da foto e dati tipici dei materiali giungono alla stessa conclusione: l'impilamento di più stadi yokeless e il loro raffreddamento molto diretto è ciò che rende i numeri plausibili.

Una volta che i denti dello statore sono moduli separati, è possibile avvolgere strettamente il rame intorno a ciascuno di essi, lasciare spazi controllati per l'olio o il liquido di raffreddamento e convogliare il calore direttamente in un alloggiamento raffreddato. Con le scarpe SMC o i tubi di calore tra i denti e l'alloggiamento, come nel recente lavoro dell'MDPI, il percorso termico diventa sufficientemente breve da consentire la sopravvivenza di 40-60 A/mm² nel rame per cicli di lavoro significativi, a condizione che si sia onesti riguardo al budget per l'aumento della temperatura.

La segmentazione del rotore è utile anche in questo caso. La suddivisione del ferro posteriore e delle pile di magneti in moduli offre una maggiore superficie e più opzioni per far passare l'olio o il gas di raffreddamento attraverso il supporto del rotore, e limita la densità di perdite per correnti parassite che altrimenti trasformerebbe un disco del rotore liscio in un riscaldatore ad alta frequenza. Per velocità di punta molto elevate, si possono anche considerare materiali diversi per moduli diversi, scambiando il margine di saturazione con la resistenza meccanica su base individuale anziché per l'intero disco.

L'effetto netto è che la densità di corrente e i limiti termici non sono più dettati principalmente dalla regione peggio raffreddata di un giogo continuo. La segmentazione consente di orientare la capacità di raffreddamento dove le perdite sono più elevate. Si tratta di un cambiamento silenzioso ma importante.

8. Dove è probabile che si vada a parare

La ricerca è già piena di varianti che spingono la segmentazione in nuove direzioni: denti segmentati con porzioni interne ed esterne separate per risolvere lo squilibrio di densità del flusso radiale, macchine ibride a flusso assiale-radiale con statori modulari SMC e progetti multi-stack ironless destinati alla propulsione degli aerei. Gli studi comparativi continuano a dimostrare che le strutture di armatura segmentate e senza statore battono i layout a flusso assiale più convenzionali in termini di densità di coppia e spesso di efficienza, una volta accettata la complessità di produzione.

Dal punto di vista industriale, i motori di YASA stanno passando dalle concept car alla produzione di serie con Mercedes, Lamborghini, Ferrari e altri, e i brevetti pubblici mostrano che la modularità di statore e rotore sta diventando più pronunciata, non meno. Per le macchine di piccola e media potenza, i kit modulari di rotore e statore descritti in CN110945752B e i relativi depositi fanno pensare a famiglie di prodotti in cui il numero di poli e il diametro sono solo parametri di configurazione piuttosto che nuovi numeri di parte.

Quindi, se oggi si lavora sul flusso assiale, è ragionevole supporre che "giogo continuo, rotore a disco semplice" diventerà lentamente la linea di base per i progetti conservativi, non il limite superiore di ciò che è pratico.

9. Una presa di posizione breve e schietta

Se si rimane su gioghi monolitici, si ottengono modelli più semplici e utensili più semplici, e si possono comunque costruire macchine a flusso assiale di tutto rispetto. Se si accettano gioghi segmentati per statore e rotore, si ottiene uno spazio di progettazione più complicato, ma anche un controllo più preciso sulla geometria del rame, sui percorsi termici e sulla producibilità.

I risultati di ricerche recenti e dei motori che stanno entrando silenziosamente in produzione dimostrano che vale la pena affrontare questo problema.