יתרונות, קשיים ופיתוחים חדשים של מנועי שטף צירי

בהשוואה למנועי שטף רדיאליים, למנועי שטף ציריים יתרונות רבים בתכנון כלי רכב חשמליים. לדוגמה, מנועי שטף ציריים יכולים לשנות את תכנון מערכת ההינע על ידי הזזת המנוע מהציר לחלק הפנימי של הגלגלים.

1. ציר הכוח

מנועי שטף ציריזוכים לתשומת לב גוברת (הגברת אחיזה). במשך שנים רבות, מנוע מסוג זה שימש ביישומים נייחים כגון מעליות ומכונות חקלאיות, אך בעשור האחרון, מפתחים רבים עבדו על שיפור טכנולוגיה זו וליישמה באופנועים חשמליים, תרמילי שדה תעופה, משאיות מטען, כלי רכב חשמליים ואפילו מטוסים.

מנועי שטף רדיאליים מסורתיים משתמשים במגנטים קבועים או במנועי אינדוקציה, אשר עשו התקדמות משמעותית באופטימיזציה של משקל ועלות. עם זאת, הם נתקלים בקשיים רבים בהמשך הפיתוח. שטף צירי, סוג שונה לחלוטין של מנוע, עשוי להיות אלטרנטיבה טובה.

בהשוואה למנועים רדיאליים, שטח הפנים המגנטי האפקטיבי של מנועי מגנט קבוע ציריים הוא פני השטח של רוטור המנוע, ולא הקוטר החיצוני. לכן, בנפח מנוע מסוים, מנועי מגנט קבוע ציריים יכולים בדרך כלל לספק מומנט גדול יותר.

מנועי שטף ציריקומפקטיים יותר; בהשוואה למנועים רדיאליים, האורך הצירי של המנוע קצר בהרבה. עבור מנועים בעלי גלגל פנימי, זהו לרוב גורם מכריע. המבנה הקומפקטי של מנועים ציריים מבטיח צפיפות הספק וצפיפות מומנט גבוהות יותר מאשר מנועים רדיאליים דומים, ובכך מבטל את הצורך במהירויות פעולה גבוהות במיוחד.

היעילות של מנועי שטף צירי גבוהה מאוד, בדרך כלל עולה על 96%. זאת הודות לנתיב השטף הקצר והחד-ממדי, אשר יעילותו דומה או אף גבוהה יותר בהשוואה למנועי השטף הרדיאליים הדו-ממדיים הטובים ביותר בשוק.

אורך המנוע קצר יותר, בדרך כלל פי 5 עד 8, וגם המשקל מופחת פי 2 עד 5. שני גורמים אלה שינו את בחירתם של מתכנני פלטפורמות רכב חשמלי.

2. טכנולוגיית שטף צירי

ישנן שתי טופולוגיות עיקריות עבורמנועי שטף ציריסטטור יחיד בעל רוטור כפול (המכונה לעיתים מכונות בסגנון טורוס) וסטטור כפול בעל רוטור יחיד.

כיום, רוב מנועי המגנט הקבוע משתמשים בטופולוגיית שטף רדיאלית. מעגל השטף המגנטי מתחיל במגנט קבוע על הרוטור, עובר דרך השן הראשונה בסטטור, ואז זורם רדיאלית לאורך הסטטור. לאחר מכן עובר דרך השן השנייה כדי להגיע לפלדה המגנטית השנייה על הרוטור. בטופולוגיית שטף צירית עם רוטור כפול, לולאת השטף מתחילה מהמגנט הראשון, עוברת צירית דרך שיני הסטטור, ומגיעה מיד למגנט השני.

משמעות הדבר היא שנתיב השטף קצר בהרבה מזה של מנועי שטף רדיאלי, וכתוצאה מכך נפחי מנוע קטנים יותר, צפיפות הספק גבוהה יותר ויעילות באותה הספק.

מנוע רדיאלי, שבו השטף המגנטי עובר דרך השן הראשונה ולאחר מכן חוזר לשן הבאה דרך הסטטור, ומגיע למגנט. השטף המגנטי עוקב אחר מסלול דו-ממדי.

נתיב השטף המגנטי של מכונת שטף מגנטי צירית הוא חד-ממדי, כך שניתן להשתמש בפלדה חשמלית בעלת אוריינטציה גרגירית. פלדה זו מקלה על מעבר השטף, ובכך משפרת את היעילות.

מנועי שטף רדיאליים משתמשים באופן מסורתי בסלילים מבוזרים, כאשר עד מחצית מקצוות הסליל אינם מתפקדים. תליית הסליל תגרום למשקל נוסף, עלות, התנגדות חשמלית ואובדן חום רב יותר, מה שמאלץ את המתכננים לשפר את תכנון הסליל.

קצוות הסליל שלמנועי שטף ציריהרבה פחות, וחלק מהעיצובים משתמשים בסלילים מרוכזים או מפולחים, שהם יעילים לחלוטין. עבור מכונות רדיאליות עם סטטור מפולח, קרע בנתיב השטף המגנטי בסטטור יכול להביא להפסדים נוספים, אך עבור מנועי שטף צירי, זו אינה בעיה. תכנון סליל הסליל הוא המפתח להבחנה בין רמת הספקים.

3. פיתוח

מנועי שטף צירי מתמודדים עם אתגרים משמעותיים בתכנון וייצור, למרות יתרונותיהם הטכנולוגיים, עלויותיהם גבוהות בהרבה מאלה של מנועים רדיאליים. לאנשים יש הבנה מעמיקה מאוד של מנועים רדיאליים, ושיטות ייצור וציוד מכני זמינים גם כן.

אחד האתגרים העיקריים של מנועי שטף צירי הוא שמירה על מרווח אוויר אחיד בין הרוטור לסטטור, מכיוון שהכוח המגנטי גדול בהרבה מזה של מנועים רדיאליים, מה שמקשה על שמירה על מרווח אוויר אחיד. למנוע שטף צירי בעל רוטור כפול יש גם בעיות פיזור חום, מכיוון שהסליל ממוקם עמוק בתוך הסטטור ובין שתי דיסקיות הרוטור, מה שמקשה מאוד על פיזור החום.

מנועי שטף ציריים קשים גם הם לייצור מסיבות רבות. מכונה בעלת רוטור כפול המשתמשת במכונה בעלת רוטור כפול וטופולוגיית עול (כלומר, הסרת עול הברזל מהסטטור אך שמירה על שיני הברזל) מתגברת על חלק מהבעיות הללו מבלי להרחיב את קוטר המנוע והמגנט.

עם זאת, הסרת העול מביאה עמה אתגרים חדשים, כגון כיצד לתקן ולמקם שיניים בודדות ללא חיבור עול מכני. קירור הוא גם אתגר גדול יותר.

קשה גם לייצר את הרוטור ולשמור על מרווח האוויר, מכיוון שדיסק הרוטור מושך את הרוטור. היתרון הוא שדיסקיות הרוטור מחוברות ישירות באמצעות טבעת פיר, כך שהכוחות מבטלים זה את זה. משמעות הדבר היא שהמיסב הפנימי אינו עומד בכוחות אלה, ותפקידו היחיד הוא לשמור על הסטטור במצב האמצעי בין שתי דיסקיות הרוטור.

מנועים בעלי סטטור כפול ורוטור יחיד אינם מתמודדים עם האתגרים של מנועים מעגליים, אך תכנון הסטטור מורכב הרבה יותר וקשה להשיג אוטומציה, והעלויות הנלוות גם גבוהות. שלא כמו כל מנוע שטף רדיאלי מסורתי, תהליכי ייצור מנועים ציריים וציוד מכני צצו רק לאחרונה.

4. יישום כלי רכב חשמליים

אמינות היא קריטית בתעשיית הרכב, והוכחת האמינות והחוסן של דגמים שוניםמנועי שטף צירילשכנע יצרנים שמנועים אלה מתאימים לייצור המוני תמיד היה אתגר. עובדה זו גרמה לספקי מנועים ציריים לבצע תוכניות אימות נרחבות בעצמם, כאשר כל ספק מדגים כי אמינות המנוע שלו אינה שונה ממנועי שטף רדיאליים מסורתיים.

הרכיב היחיד שיכול להתבלות במנוע שטף ציריהוא המסבים. אורך השטף המגנטי הצירי קצר יחסית, ומיקום המיסבים קרוב יותר, בדרך כלל מתוכנן להיות מעט "ממדים יתר על המידה". למרבה המזל, למנוע השטף הצירי יש מסת רוטור קטנה יותר והוא יכול לעמוד בעומסי ציר דינמיים נמוכים יותר של הרוטור. לכן, הכוח בפועל המופעל על המיסבים קטן בהרבה מזה של מנוע השטף הרדיאלי.

סרן אלקטרוני הוא אחד היישומים הראשונים של מנועים ציריים. הרוחב הדק יותר יכול לכלול את המנוע ותיבת ההילוכים בתוך הסרן. ביישומים היברידיים, האורך הצירי הקצר יותר של המנוע מקצר בתורו את האורך הכולל של מערכת ההילוכים.

השלב הבא הוא התקנת המנוע הצירי על הגלגל. בדרך זו, ניתן להעביר כוח ישירות מהמנוע לגלגלים, ובכך לשפר את יעילות המנוע. הודות לביטול תיבות הילוכים, דיפרנציאלים וגירים הנעה, גם מורכבות המערכת הופחתה.

עם זאת, נראה כי תצורות סטנדרטיות טרם הופיעו. כל יצרן ציוד מקורי חוקר תצורות ספציפיות, שכן הגדלים והצורות השונים של מנועים ציריים יכולים לשנות את עיצוב כלי הרכב החשמליים. בהשוואה למנועים רדיאליים, למנועים ציריים יש צפיפות הספק גבוהה יותר, מה שאומר שניתן להשתמש במנועים ציריים קטנים יותר. זה מספק אפשרויות עיצוב חדשות לפלטפורמות רכב, כגון מיקום חבילות סוללות.

4.1 ארמטורה מפולחת

טופולוגיית המנוע YASA (Yokeless and Segmented Armature) היא דוגמה לטופולוגיית סטטור יחיד עם רוטור כפול, אשר מפחיתה את מורכבות הייצור ומתאימה לייצור המוני אוטומטי. למנועים אלה צפיפות הספק של עד 10 קילוואט/ק"ג במהירויות של 2000 עד 9000 סל"ד.

באמצעות בקר ייעודי, הוא יכול לספק זרם של 200 קילוואט עבור המנוע. הבקר בנפח של כ-5 ליטר ומשקלו 5.8 קילוגרם, כולל ניהול תרמי עם קירור שמן דיאלקטרי, מתאים למנועי שטף צירי וכן למנועי שטף אינדוקטיביים ורדיאליים.

זה מאפשר ליצרני ציוד מקורי לרכבים חשמליים ולמפתחים מהשורה הראשונה לבחור בגמישות את המנוע המתאים בהתבסס על היישום והשטח הזמין. הגודל והמשקל הקטנים יותר הופכים את הרכב לקל יותר ויש לו יותר סוללות, ובכך מגדילים את טווח הנסיעה.

5. יישום של אופנועים חשמליים

עבור אופנועים חשמליים וטרקטורונים, חברות מסוימות פיתחו מנועי שטף צירי AC. העיצוב הנפוץ עבור סוג זה של רכב הוא מנועי שטף צירי מבוססי מברשות DC, בעוד שהמוצר החדש הוא מנוע AC אטום לחלוטין ללא מברשות.

הסלילים של מנועי DC ו-AC כאחד נשארים נייחים, אך הרוטורים הכפולים משתמשים במגנטים קבועים במקום במארמטורות מסתובבות. היתרון של שיטה זו הוא שהיא אינה דורשת היפוך מכני.

עיצוב צירי AC יכול גם להשתמש בבקרי מנוע AC תלת פאזיים סטנדרטיים עבור מנועים רדיאליים. זה עוזר להפחית עלויות, מכיוון שהבקר שולט בזרם המומנט, לא במהירות. הבקר דורש תדר של 12 קילוהרץ ומעלה, שהוא התדר המרכזי של התקנים כאלה.

התדר הגבוה יותר נובע מהשראות נמוכה יותר של הסליל, 20 מיקרו-שעה. התדר יכול לשלוט בזרם כדי למזער את אדוות הזרם ולהבטיח אות סינוסואידלי חלק ככל האפשר. מנקודת מבט דינמית, זוהי דרך מצוינת להשיג בקרת מנוע חלקה יותר על ידי מתן אפשרות לשינויי מומנט מהירים.

עיצוב זה מאמץ סליל דו-שכבתי מבוזר, כך שהשטף המגנטי זורם מהרוטור לרוטור אחר דרך הסטטור, עם נתיב קצר מאוד ויעילות גבוהה יותר.

המפתח לתכנון זה הוא שהוא יכול לפעול במתח מרבי של 60 וולט ואינו מתאים למערכות מתח גבוה יותר. לכן, ניתן להשתמש בו עבור אופנועים חשמליים וכלי רכב בעלי ארבעה גלגלים מדרג L7e כמו רנו טוויזי.

המתח המרבי של 60 וולט מאפשר לשלב את המנוע במערכות חשמל מרכזיות של 48 וולט ומפשט את עבודות התחזוקה.

מפרטי אופנוע ארבעת הגלגלים L7e בתקנה האירופית 2002/24/EC קובעים שמשקל כלי הרכב המשמשים להובלת סחורות לא יעלה על 600 קילוגרם, לא כולל משקל הסוללות. כלי רכב אלה רשאים לשאת לא יותר מ-200 קילוגרם של נוסעים, לא יותר מ-1000 קילוגרם של מטען, ולא יותר מ-15 קילוואט של כוח מנוע. שיטת הליפוף המבוזרת יכולה לספק מומנט של 75-100 ניוטון מטר, עם הספק שיא של 20-25 קילוואט והספק רציף של 15 קילוואט.

האתגר של שטף צירי טמון באופן שבו סלילי נחושת מפזרים חום, דבר שקשה מכיוון שחום חייב לעבור דרך הרוטור. הסליל המבוזר הוא המפתח לפתרון בעיה זו, מכיוון שיש לו מספר רב של חריצי קטבים. בדרך זו, יש שטח פנים גדול יותר בין הנחושת למעטפת, וחום יכול להיות מועבר החוצה ולפלוט אותו על ידי מערכת קירור נוזלית סטנדרטית.

קטבים מגנטיים מרובים הם המפתח לניצול צורות גל סינוסואידליות, המסייעות בהפחתת הרמוניות. הרמוניות אלו מתבטאות בחימום המגנטים והליבה, בעוד שרכיבי נחושת אינם יכולים לשאת את החום. כאשר חום מצטבר במגנטים ובליבות ברזל, היעילות פוחתת, ולכן אופטימיזציה של צורת הגל ונתיב החום היא קריטית לביצועי המנוע.

תכנון המנוע עבר אופטימיזציה כדי להפחית עלויות ולהשיג ייצור המוני אוטומטי. טבעת בית אקסטרודד אינה דורשת עיבוד מכני מורכב ויכולה להפחית את עלויות החומר. ניתן לפלף את הסליל ישירות ותהליך קשירה משמש במהלך תהליך הליפוף כדי לשמור על צורת ההרכבה הנכונה.

הנקודה המרכזית היא שהסליל עשוי מחוט סטנדרטי הזמין מסחרית, בעוד שליבת הברזל עשויה מפלדת שנאים סטנדרטית מהמדף, אותה פשוט צריך לחתוך לצורה הרצויה. עיצובים אחרים של מנועים דורשים שימוש בחומרים מגנטיים רכים בלמינציה של הליבה, דבר שעשוי להיות יקר יותר.

השימוש בפיתולים מבוזרים פירושו שאין צורך לחלק את הפלדה המגנטית; הן יכולות להיות בצורות פשוטות יותר וקלות יותר לייצור. הקטנת גודל הפלדה המגנטית והבטחת קלות ייצורה משפיעות באופן משמעותי על הפחתת עלויות.

ניתן להתאים אישית את עיצוב מנוע השטף הצירי הזה בהתאם לדרישות הלקוח. ללקוחות יש גרסאות מותאמות אישית שפותחו סביב עיצוב בסיסי. לאחר מכן מיוצרות בקו ייצור ניסיוני לאימות ייצור מוקדם, שניתן לשכפל אותו במפעלים אחרים.

התאמה אישית נובעת בעיקר מכך שביצועי הרכב תלויים לא רק בתכנון מנוע השטף המגנטי הצירי, אלא גם באיכות מבנה הרכב, חבילת הסוללות ומערכת ה-BMS.