Perché i motori a flusso assiale necessitano di magneti diversi
I motori a flusso assiale, chiamati anche motori a frittella o motori a disco, orientano il loro flusso magnetico parallelamente all'asse di rotazione anziché radialmente verso l'esterno da esso. Il traferro è un disco piatto anziché un anello cilindrico. Questa geometria produce una densità di coppia più elevata per unità di volume rispetto ai modelli a flusso radiale, motivo per cui i motori a flusso assiale stanno comparendo nelle unità di trazione dei veicoli elettrici, nei generatori eolici, nelle lavatrici a trasmissione diretta e sempre più nella robotica dove un motore corto e piatto si adatta meglio di uno lungo cilindrico.
La differenza nella geometria del circuito magnetico non è solo un cambiamento di forma: cambia la geometria del magnete richiesta, il modo in cui viene specificata la direzione della magnetizzazione e le modalità di guasto a cui sono esposti i magneti. Gli ingegneri che specificano i magneti dall'esperienza dei motori a flusso radiale e applicano la stessa logica ai progetti di flusso assiale in genere incontrano problemi nel primo prototipo: magneti geometricamente corretti ma magnetizzati nella direzione sbagliata, o progetti in cui il fattore di concentrazione del flusso non è stato preso in considerazione e i magneti saturano il ferro dello statore a carico parziale.
1. Il problema della geometria del magnete del settore
In un motore a flusso radiale, i magneti sono segmenti d'arco: piastrelle curve che avvolgono la superficie cilindrica del rotore. La larghezza del magnete, l'angolo dell'arco e lo spessore radiale sono le dimensioni chiave e si adattano direttamente al numero di poli e al diametro del rotore.
In un motore a flusso assiale, i magneti sono a forma di settore: piastrelle a torta che coprono una porzione della superficie piatta del disco del rotore. L'angolo del settore è pari a 360 gradi diviso per il numero di poli (per un design a copertura totale). Un motore a 16 poli utilizza 16 settori magnetici, ciascuno con una copertura di 22,5 gradi. La complicazione geometrica critica è che la larghezza del magnete varia dal raggio interno al raggio esterno: il bordo interno di ciascun settore è più stretto del bordo esterno. Questo è l'opposto di una sezione trasversale costante e crea due problemi.
Innanzitutto, la densità del flusso nel traferro non è uniforme lungo il raggio del magnete. La porzione esterna del magnete produce più flusso per unità di area rispetto alla porzione interna allo stesso livello di magnetizzazione, poiché l'arco esterno è più lungo e sottende un'area maggiore. In un motore a flusso assiale ben progettato, questa non uniformità viene gestita attraverso il passo dell'avvolgimento dello statore e la geometria della cava, ma il fornitore del magnete deve conoscere il rapporto del raggio interno-esterno e la frazione dell'arco polare per indicare la geometria corretta.
In secondo luogo, il taglio delle forme dei settori dal blocco NdFeB sinterizzato produce uno spreco di materiale significativo rispetto ai segmenti dell’arco. Un blocco di NdFeB che produce dodici segmenti d'arco di 30 gradi per un motore radiale produrrà meno settori utilizzabili per un motore assiale dello stesso diametro del rotore, poiché gli angoli dei settori e la variazione di larghezza riducono la resa. Aspettatevi un costo del materiale per motore superiore del 20–35% per i magneti a settore di flusso assiale rispetto ai magneti ad arco di flusso radiale equivalenti con lo stesso grado e rivestimento.
2. Direzione della magnetizzazione: assiale, non radiale
Questo è l'errore di specifica più comune per gli ingegneri che stanno passando da progetti con flusso radiale a progetti con flusso assiale. In un motore a flusso radiale, i magneti sono magnetizzati radialmente: i poli nord e sud si trovano sulle facce curve interna ed esterna. In un motore a flusso assiale, i magneti sono magnetizzati assialmente: i poli nord e sud si trovano sulle facce piatte superiore e inferiore, orientate parallelamente all'albero del motore.
Specificando la magnetizzazione radiale su un magnete a settore di flusso assiale si produce un magnete geometricamente corretto ma magneticamente inutile nell'applicazione: il flusso esce attraverso i bordi curvi anziché attraverso le facce piane dove si trova il traferro. Questo errore non viene sempre rilevato all'ispezione in entrata perché le dimensioni del magnete sono corrette; si presenta come back-EMF vicino allo zero quando il motore viene avviato per la prima volta.
Per i motori a flusso assiale con configurazioni di rotori a schiera Halbach - sempre più comuni nei progetti ad alta efficienza - la direzione di magnetizzazione ruota attorno al disco del rotore con incrementi di 45 gradi o 90 gradi. La specifica deve includere esplicitamente l'angolo di magnetizzazione di ciascuna posizione del magnete e il disegno di assieme deve indicare l'orientamento di ciascun pezzo. Non esiste una scorciatoia standard per questo; richiede una mappa di magnetizzazione posizione per posizione nella specifica di acquisto.
3. Configurazioni con statore a rotore singolo e doppio rotore
I motori a flusso assiale sono disponibili in tre configurazioni meccaniche principali: rotore singolo con singolo statore (SRSF), doppio rotore con singolo statore (tipo TORUS o YASA) e rotore singolo con doppio statore. Le specifiche del magnete differiscono tra queste configurazioni.
Nelle configurazioni TORUS/YASA, dove due dischi rotorici fiancheggiano un singolo statore centrale senza nucleo, ciascun disco rotore trasporta magneti e i due dischi sono assemblati con polarità opposta in modo che il percorso del flusso si chiuda attraverso l'avvolgimento dello statore senza nucleo in acciaio. Ciò significa che i magneti su ciascun disco del rotore devono attrarsi verso il disco opposto attraverso lo spazio dello statore e la sequenza di assemblaggio deve mantenere questa attrazione durante l'installazione (la forza tra due dischi del rotore opposti attraverso un traferro di 10 mm in un tipico motore TORUS da 200 mm di diametro è 500–1500 N - sufficiente per ferire gravemente una mano se il dispositivo di assemblaggio si guasta).
Per i motori TORUS senza nucleo, i magneti devono essere specificati con una tolleranza di rimanenza più stretta (±2% rispetto allo standard ±5%) perché non c'è ferro da saturare e mediare piccole non uniformità di flusso. La forma d'onda del back-EMF è direttamente proporzionale alla distribuzione locale della densità del flusso, quindi la variazione da magnete a magnete si traduce direttamente in ondulazione di coppia. Questo requisito di tolleranza più stretto in genere aggiunge il 15-25% al costo del magnete.
4. Selezione del grado per applicazioni a flusso assiale
L'ambiente termico nei motori a flusso assiale è diverso dal flusso radiale. La geometria del disco piatto ha un migliore rapporto superficie-volume e nella maggior parte dei progetti i magneti sono più vicini al perimetro esterno dove il raffreddamento convettivo o conduttivo è più efficace. Le temperature dei magneti operativi per i motori a flusso assiale nelle applicazioni di trazione e generatore ad azionamento diretto sono generalmente di 60–100 gradi, inferiori ai 100–150 gradi riscontrati nei servomotori a flusso radiale ad alta velocità.
Ciò significa che i requisiti di coercitività sono spesso meno severi del previsto. Per la maggior parte delle applicazioni di motori per ruote di veicoli elettrici e generatori eolici, N42H (classificazione 120 gradi) è il grado corretto. N42SH (150 gradi) è raramente necessario a meno che il motore non si trovi in un ambiente ad alta temperatura ambiente con raffreddamento limitato. Specificare N42SH o superiore per un motore a flusso assiale ben raffreddato aggiunge l'8–12% al costo del magnete senza alcun vantaggio in termini di prestazioni alla temperatura di esercizio.
L'eccezione è rappresentata dai motori a flusso assiale ad alta velocità - azionamenti del mandrino, rotori di accumulo dell'energia del volano - dove lo stress centrifugo sui magneti del disco è il vincolo di progettazione dominante. A 10,000+ RPM, la sollecitazione radiale sui magneti del settore del raggio esterno può avvicinarsi al limite di resistenza alla trazione del NdFeB sinterizzato (circa 80 MPa). Queste applicazioni richiedono l'analisi delle sollecitazioni agli elementi finiti del disco del rotore e in alcuni casi richiedono modifiche alla geometria del magnete (aggiunta di smussi del raggio interno per ridurre la concentrazione delle sollecitazioni) o il passaggio a NdFeB o SmCo legati che hanno migliori proprietà di trazione al costo di un BHmax inferiore.
5. Lista di controllo per l'approvvigionamento di magneti del settore a flusso assiale
Le specifiche di acquisto dei magneti a flusso radiale standard richiedono le seguenti aggiunte per i magneti a settore di flusso assiale:
Geometria: specificare il raggio interno (Ri), il raggio esterno (Ro), l'angolo del settore (gradi) e lo spessore della faccia piatta. Includi esplicitamente il rapporto Ri/Ro: determina il calcolo del rendimento e l'uniformità della distribuzione del flusso.
Direzione di magnetizzazione: specificare assiale (spessore passante) per i modelli standard. Per i rotori array Halbach, fornire un disegno della mappa di magnetizzazione posizione per posizione.
Tolleranza della rimanenza: lo standard ±5% è accettabile per i modelli di statori con nucleo in ferro. Specificare ±2% per le configurazioni TORUS/YASA senza nucleo.
Rivestimento: lo standard Ni-Cu-Ni è appropriato per la maggior parte delle applicazioni a flusso assiale. Per ambienti corrosivi (vento costiero, marino) o applicazioni con elevata umidità, specificare il rivestimento in nichel chimico o epossidico. Il rivestimento dorato è raramente necessario a meno che il motore non si trovi in un ambiente medico o con semiconduttori.
Marcatura di montaggio: richiedere che ciascuna faccia del magnete sia marcata con la direzione di magnetizzazione (N o S) sulla faccia piana. La geometria del settore non è auto-orientante: i magneti non contrassegnati in un assemblaggio multipolare rappresentano un rischio significativo di errori di assemblaggio.
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