Axiale fluxmachines: gesegmenteerde stator- en rotorjukken

Gesegmenteerde stator- en rotorjukken zijn geen niche curiositeit meer; ze zijn waar je naar grijpt als de koppeldichtheid, thermische limieten en produceerbaarheid met elkaar beginnen te kibbelen en je alle drie tegelijk nodig hebt om te winnen.

Je kent het gebruikelijke axiale-fluxverhaal al: hoog koppel per massa, korte machine, mechanisch onhandig, thermisch belast. Je hebt de duidelijke schema's van YASA-machines (Yokeless and segmented armature) gezien en de verkoopclaims van motorleveranciers gelezen. Wat vaak ontbreekt is een eerlijke blik op hoe segmentatie van zowel stator- als rotorjukken de werkelijke beperkingen verandert waarvoor je ontwerpt, en waar de mooie diagrammen stilletjes ophouden met overeenkomen met de werkelijkheid.

Dit is de kijk van een werkende ingenieur op die kloof.

1. Waarom iedereen de jukken in stukken blijft snijden

Het oorspronkelijke YASA-werk toonde aan dat het weggooien van het doorlopende statorjuk en het vervangen ervan door afzonderlijke tanden gewikkeld in geconcentreerde wikkelingen, een zeer hoge kopervulling, kortere eindwikkelingen en minder ijzermassa oplevert, waardoor de koppeldichtheid omhoog schiet vergeleken met klassieke torusmachines. Moderne reviews blijven hetzelfde patroon bevestigen: als je op zoek bent naar vermogensdichtheid, staat een stator zonder juk of met segmenten bijna altijd bovenaan het lijstje.

Maar de interessantere trend in recente artikelen en patenten is dat segmentatie zich buiten het puur elektromagnetische probleem heeft bewogen.

Stator tanden worden individuele thermomechanische modules, vaak met hun eigen soft-magnetic-composite (SMC) schoenen die de gekoelde behuizing raken. Rotorjukken worden opgesplitst in omtrekmodules met hun eigen back-ijzer segmenten en magneetstapels, vastgeschroefd aan een draagschijf voor eenvoudigere montage en reparatie. In machines met een hoog vermogen, zoals recente YASA-prototypes, wordt de topologie gestapeld in systemen met meerdere rotoren en multistators, waarbij segmentering net zo veel te maken heeft met koeling en fabricage als met flux.

Dus in plaats van "segmentatie verhoogt de koppeldichtheid", is een eerlijkere vuistregel: segmentatie ruilt magnetische continuïteit in voor controle over drie andere dingen tegelijk - wikkelgeometrie, thermische paden en hoe je de motor bouwt of onderhoudt.

Als je die ruil accepteert, worden zowel de stator- als de rotorgordels bespreekbaar.

2. Gesegmenteerde statorjukken: van ring tot modules

Klassieke axiale-flux-statoren gebruikten een doorlopende gelamineerde ring met tanden erin gestanst. Het is elektromagnetisch schoon, structureel stijf en vervelend om goed op te winden of te koelen. Die dans heb je al gedaan.

De gesegmenteerde alternatieven vallen grofweg in twee groepen uiteen.

Ten eerste het "echte" yokloze gesegmenteerde anker: afzonderlijke tanden met spoelen, gedragen door een niet-magnetische structurele schijf, zonder doorlopend statorjuk. Dat is het YASA-patroon uit Oxford en de UGent, en het is nu goed beschreven in de literatuur. De tanden zien alleen flux via hun eigen weg naar de tegenoverliggende magneten; er is heel weinig omtrekfluxdeling tussen de tanden. De prijs die je hiervoor betaalt is dat de behuizing en eventuele hars of SMC die voor ondersteuning wordt gebruikt nu deel uitmaken van de mechanische structuur, ook al zijn ze elektromagnetisch grotendeels buiten beeld.

Ten tweede, gesegmenteerde jukmodules die zich nog steeds gedragen als stukken van een ring. Het recente US20230047862A1 patent is een goede vertegenwoordiger: elk statorsegment is een gelamineerde kern in een SMC huls met poolschoenen aan elk axiaal uiteinde, waarbij de schoenen contact maken met een buitenbehuizing met waterafdichting. De lamineringen zorgen voor een laag kernverlies; de SMC maakt het mogelijk om scheve of V-vormige schoenen te maken en warmte rechtstreeks in de behuizing te duwen. Gleufopeningen tussen segmenten kunnen recht, schuin, Z-vormig of V-vormig zijn om het coggingkoppel en de harmonische inhoud te beperken zonder toevlucht te nemen tot vreemde wikkeling lay-outs.

Vanuit het oogpunt van design is de boodschap eenvoudig maar enigszins ongemakkelijk.

Het "statorjuk" is niet langer een enkele ring die je eenmalig dimensioneert op basis van B-t beperkingen. Het is een veld van discrete warmtebronnen en fluxpaden, zittend in een structurele en thermische steiger die je kunt - en waarschijnlijk zou moeten - misbruiken.

Als je deze segmenten alleen behandelt als verkleinde versies van een doorlopende juktand, zul je ze te weinig gebruiken.

3. Rotorjuksegmentatie: niet alleen over magneten

Vergeleken met stators zijn rotorgordels in axiale-fluxmachines langer conservatief gebleven. Veel YASA-motoren gebruiken nog steeds massief stalen schijven als rotorjukken met daarop gesegmenteerde oppervlaktemagneten of Halbach-arrays gelijmd. Daar zijn goede redenen voor: de rotor draagt centrifugale spanning, de flux wil een schoon retourpad en de fabricage houdt van platte schijven.

Octrooien zoals CN110945752B laten zien waar dit naartoe leidt. De rotor is opgebouwd uit omtrekmodules: elke module heeft een back-ironsegment en een set magneten met wisselende polen, waarbij de segmentlengte kleiner is dan de volledige omtrek zodat meerdere modules de rotorbasis betegelen.Optionele fluxgeleiders met verlengde lengte of breedte zitten onder of naast de magneten om verzadiging en lekkage af te stemmen.

Elektromagnetisch gezien doet het segmenteren van het rotorjuk drie belangrijke dingen.

Ten eerste introduceert het omtreksreluctantiemodulatie. Flux van een tand sluit nu bij voorkeur door het dichtstbijzijnde rotorsegment en er ontstaan kleine "gaten" in het achterijzer tussen modules. Bij lage slot/poolcombinaties kan dat opzettelijk worden gebruikt als een zwak verniereffect of als een extra handvat voor cogging. Bij hogere pooltellingen wordt het meestal een andere harmonische waar je rekening mee moet houden.

Ten tweede breekt het wervelstroompaden in het juk af, wat van belang wordt zodra de elektrische frequentie naar enkele honderden hertz en hoger klimt, of wanneer Halbach-structuren worden gebruikt en de back-iron flux hard schommelt. Onderzoek naar kernloze en Halbach AFPM machines blijft rotor-yoke verlies benadrukken als een niet-triviaal deel van het budget; het segmenteren van het juk is een van de schonere manieren om dit te beperken zonder exotische materialen.

Ten derde maakt het van de rotor een bouwpakket. Verwissel modules, verander het aantal polen of vervang beschadigde magneetpakketten zonder een volledige schijf te slopen. Dat klinkt als de zorg van een productie-ingenieur, maar het werkt door in het elektromagnetische ontwerp omdat je agressiever kunt experimenteren met poolboogverhoudingen en magneetvormen als het resultaat "een moduletekening wijzigen" is in plaats van "een rotorschijf van 600 mm herontwerpen".

Het mechanische risico ligt voor de hand: meer verbindingen, meer bouten, meer tolerantiekettingen. Maar als je al een stator aan het ontwerpen bent die uit twintig of dertig composiet-en-koper modules bestaat, is het soms gewoon traagheid om de rotor als heilig en monolithisch te behandelen.

4. Wanneer stator- en rotorsegmentatie met elkaar beginnen te praten

Als beide kanten van de luchtspleet eenmaal in modules zijn gehakt, is het patroon van die sneden net zo belangrijk als de sleuf/stokcombinatie die je met trots hebt geoptimaliseerd.

Een paar praktische observaties, waarbij de uitgebreide afleidingen waarvan je al weet hoe je ze moet schrijven worden overgeslagen.

Als de stator-tandsteek en de rotor-segmentsteek een laag gemeenschappelijk veelvoud hebben, krijg je duidelijke omtrek "hot spots" in tandfluxdichtheid. De lokale B-pieken waar rotoropeningen en tandmiddelpunten op één lijn staan, vermenigvuldigen zich. Dat kan nuttig zijn als je een beetje veldmodulatie wilt, maar meestal komt het tot uiting als ongelijke tandverzadiging en koppelrimpel bij één bepaalde excentriciteitsharmonie.

Als je rotorsegmenten verspringt met een halve tand of een andere fractie, krijg je effectief omtrekshelling zonder een magneet te kantelen. Verschillende modulaire-rotoroctrooien laten dit doorschemeren door meerdere modulelengtes en optionele offsetpatronen toe te staan; er wordt geen formule gegeven, maar het idee is duidelijk genoeg. In combinatie met V- of Z-vormige statorsleuven uit het patent op gesegmenteerde kernen kun je een groot deel van de cogging-koppelreductie van klassieke scheefstelling verkrijgen met gereedschappen die gemakkelijker te stansen of persen zijn.

Als beide zijden gesegmenteerd zijn en beide enige vorm van scheefstand ondersteunen, dan moet je een bewuste beslissing nemen over wie de coggingreductie "bezit". Het willekeurig verdelen van de verantwoordelijkheid leidt tot een machine die goed simuleert onder perfecte geometrie maar erg gevoelig is voor assemblage spreiding, omdat de fijn uitgebalanceerde annulering uitgaat van exacte hoekverhoudingen tussen modules.

Een handige mentale snelkoppeling is het toewijzen van rollen. Laat de statorsegmentatie koper, koeling en het meeste coggingwerk afhandelen; laat de rotorsegmentatie magneetverpakking, jukverliezen en produceerbaarheid afhandelen. Dit levert geen gesloten optimum op, maar het voorkomt dat je achter spookharmonischen aangaat.

5. Vergelijking van jukarchitecturen in de praktijk

De onderstaande tabel vat samen wat ontwerpers vandaag de dag daadwerkelijk doen, in plaats van wat geïdealiseerde schetsen suggereren.

Je zou kunnen pleiten voor een vierde kolom met kernloze axiale stromingsmachines, maar die bevinden zich in een iets andere ontwerpruimte en gaan de discussie over jukken grotendeels uit de weg.

6. Ontwerp gewoonten die slecht verouderen met gesegmenteerde jukken

Sommige gewoonten uit het continu-yoke-denken misleiden je subtiel zodra je overstapt op gesegmenteerde stators en modulaire rotors.

De statorsteun behandelen als "alleen mechanisch" is er daar één van. In gesegmenteerde statorontwerpen loopt het structurele pad van tand naar behuizing vaak door SMC-schoenen, hars of een dunne stalen ring. Dat pad bepaalt niet alleen de mechanische stijfheid, maar ook de thermische tijdconstante van elke tand. Het patent dat SMC hulzen gebruikt, maakt hier expliciet gebruik van: SMC biedt zowel magnetische geleiding waar nodig als een controleerbare thermische brug naar een behuizing met watermantel. Als je die koppeling negeert, krijg je simulaties die twee seconden goed zijn en de rest van de bedrijfscyclus fout.

Een andere gewoonte is om de rotorrugijzer te dimensioneren alsof het een uniforme ring is. Bij modulaire rotors is de effectieve doorsnede voor flux een periodieke functie van de hoek; sommige modules kunnen meer flux dragen dan andere als de statorlay-out, poolboog en modulegrenzen slecht op elkaar zijn afgestemd. Een eenvoudige manier om dit vroeg op te sporen is om een 2D reluctantienetwerk in de omtrek uit te voeren waarin elke rotormodule zijn eigen back-iron-element heeft en te kijken hoe de flux zich verdeelt bij een paar slot/poolcombinaties. Dat model zal geen prijzen winnen, maar het zal lelijke patronen signaleren voordat u tijd hebt geïnvesteerd in 3D FEA-mazen.

Een derde gewoonte: te veel vertrouwen op de scheefstand van de magneet om het koppel te beperken. Met gesegmenteerde statoroctrooien heb je nu gevormde gleufopeningen, scheve schoenen en zelfs Z-vormige paden, allemaal ingebakken in de tandgeometrie. In combinatie met rotorsegmentatie kunt u magneten vaak eenvoudig en mechanisch robuust houden, terwijl u de meeste rimpelregeling naar statisch ijzer kunt verplaatsen. Dat vereenvoudigt de inkoop en assemblage van magneten, wat nog belangrijker is als je naar de productievolumes toewerkt waar YASA, Mercedes en anderen het over hebben.

7. Thermische en stroomdichtheid: hoe segmentatie het spel veranderde

De recente axiale-fluxmotoren van recordklasse slagen niet omdat iemand een magische nieuwe magneet heeft gevonden. Ze leunen zwaar op topologie en koeling, en segmentatie van stator- en rotorjukken is in beide ingebakken.

De huidige prototypes van YASA melden bijvoorbeeld vermogensdichtheden van meer dan 40 kW/kg, met latere eenheden die claims rond de 59 kW/kg halen, bij huidige dichtheden die er agressief uit zouden zien in een traditionele industriële catalogus. Onafhankelijke analyses die de geometrie reconstrueren aan de hand van foto's en typische materiaalgegevens komen tot dezelfde conclusie: het stapelen van meerdere yokloze trappen en ze zeer direct koelen is wat de getallen aannemelijk maakt.

Zodra de statorelementen afzonderlijke modules zijn, kun je koper strak om elk element wikkelen, gecontroleerde openingen laten voor olie of koelvloeistof en warmte rechtstreeks in een gekoelde behuizing afvoeren. Met SMC-schoenen of heatpipes tussen tanden en behuizing, zoals in recent MDPI-werk, wordt het thermische pad zo kort dat 40-60 A/mm² in het koper overleefbaar is voor significante bedrijfscycli, op voorwaarde dat u eerlijk bent over uw budget voor temperatuurstijging.

Rotorsegmentatie helpt hier ook. Door het achterste ijzer en de magneetstapels op te splitsen in modules heb je meer oppervlakte en meer mogelijkheden om koelolie of -gas door de rotordrager te leiden, en het beperkt de dichtheid van wervelstroomverliezen die anders een gladde rotorschijf in een verwarming zouden veranderen bij hoge frequentie. Voor zeer hoge tipsnelheden kun je zelfs verschillende materialen voor verschillende modules overwegen, waarbij je de verzadigingsmarge inruilt tegen de mechanische sterkte per module in plaats van voor de hele schijf.

Het netto-effect is dat de stroomdichtheid en thermische limieten niet langer primair worden bepaald door het slechtst gekoelde gebied van een doorlopend juk. Door segmentatie kun je de koelcapaciteit richten op die gebieden waar de verliezen het hoogst zijn. Dat is een stille maar serieuze verschuiving.

8. Waar gaat dit waarschijnlijk heen?

De onderzoekspijplijn zit al vol met varianten die segmentatie in nieuwe richtingen duwen: gesegmenteerde tanden met afzonderlijke binnenste en buitenste delen om onbalans in radiale fluxdichtheid op te lossen, hybride axiale-radiale fluxmachines met SMC modulaire statoren en ijzerloze ontwerpen met meerdere stapels bedoeld voor vliegtuigaandrijving. Uit vergelijkende studies blijkt steeds weer dat yokloze en gesegmenteerde armatuurstructuren conventionelere axiale-flux lay-outs verslaan op koppeldichtheid en vaak ook op efficiëntie, als je eenmaal de complexiteit van de productie accepteert.

Aan de industriële kant gaan de motoren van YASA van conceptauto's naar serieproductie met Mercedes, Lamborghini, Ferrari en anderen, en de openbare patenten laten zien dat de modulariteit van stator en rotor groter wordt, niet kleiner. Voor machines met een kleiner en middelgroot vermogen wijzen de modulaire rotor- en statoruitrustingen beschreven in CN110945752B en verwante aanvragen op productfamilies waarbij het aantal polen en de diameter slechts configuratieparameters zijn in plaats van nieuwe onderdeelnummers.

Dus als je vandaag aan axiale flux werkt, is het redelijk om aan te nemen dat "doorlopend juk, eenvoudige schijfrotor" langzaam de basislijn zal worden voor conservatieve ontwerpen, niet de bovengrens van wat praktisch is.

9. Een korte, botte afhaalmaaltijd

Als je bij monolithische jukken blijft, krijg je eenvoudigere modellen en eenvoudiger gereedschap en kun je nog steeds respectabele axiale-fluxmachines bouwen. Als je gesegmenteerde stator- en rotorjukken accepteert, krijg je een rommeligere ontwerpruimte, maar ook een fijnere controle over koperen geometrie, thermische paden en produceerbaarheid.

Uit recent onderzoek en uit de motoren die nu stilletjes in productie gaan, blijkt dat het de moeite waard is om deze rommel aan te pakken.