Ηλεκτροκινητήρας αξονικής ροής
e-axle

Ηλεκτροκινητήρας αξονικής ροής

Ο ηλεκτροκινητήρας αξονικής ροής είναι ένας τύπος µοτέρ που κερδίζει, συνέχεια, έδαφος στις εφαρµογές για την ηλεκτροκίνηση.

Η ηλεκτρική µηχανή είναι µία διάταξη που µετατρέπει τη µηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική και αντίστροφα. Κάθε ηλεκτρική µηχανή µπορεί να εργάζεται είτε ως γεννήτρια, είτε ως κινητήρας: Οι γεννήτριες µετατρέπουν τη µηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική και οι κινητήρες το αντίστροφο, µετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε µηχανική. Η λειτουργία των κινητήρων βασίζεται στο φαινόµενο κατά το οποίο εάν ένας ρευµατοφόρος αγωγός βρεθεί µέσα σε µαγνητικό πεδίο, τότε εµφανίζεται δύναµη που ασκείται επάνω στον αγωγό.

Η πρώτη ηλεκτρική µηχανή κατασκευάστηκε το 1832 από τον Γάλλο Hippolyte Pixii και αποτελείται από δύο κύρια τµήµατα. Τα ακίνητο τµήµα της µηχανής, που ονοµάζεται στάτης (stator), και το στρεφόµενο τµήµα, που ονοµάζεται δροµέας (rotor). Ο στάτης της µηχανής παράγει το µαγνητικό πεδίο και ο δροµέας µπορεί να στραφεί γύρω από τον άξονα που µεταδίδει την κίνηση.

Για πολλά χρόνια δεν υπήρχαν σηµαντικές αλλαγές στη δοµή των ηλεκτρικών µηχανών. Σήµερα, µε την υιοθέτησή τους από την αυτοκινητοβιοµηχανία, η εξέλιξη είναι εµφανής.

Νέο µοτέρ

Ο ηλεκτροκινητήρας αξονικής μαγνητικής ροής είναι, λοιπόν, ένας νέος τύπος που κερδίζει έδαφος στον τομέα της ηλεκτροκίνησης. Ήδη, χρησιμοποιούνται τέτοιοι κινητήρες σε σταθερές εφαρμογές, όπως ανελκυστήρες και γεωργικά μηχανήματα, αλλά, την τελευταία δεκαετία, άρχισαν να χρησιμοποιούνται και σε διάφορες άλλες εφαρμογές, όπως ηλεκτρικές μοτοσυκλέτες, ποδήλατα και ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Υπάρχουν δύο κύριες διατάξεις κινητήρα αξονικής ροής: ο κινητήρας με μονό στάτη και διπλό ρότορα, που, συνήθως, ονομάζεται τύπου torus, και εκείνος με διπλό στάτη και έναν ρότορα.

Οι κινητήρες αξονικής ροής είναι κοντύτεροι, συνήθως, κατά πέντε έως οκτώ φορές, και µπορεί να είναι δύο έως πέντε φορές ελαφρύτεροι. Και οι δύο αυτοί παράγοντες επηρεάζουν τις επιλογές για τους σχεδιαστές των ηλεκτρικών οχηµάτων. Οι κινητήρες αξονικής ροής µπορούν, επίσης, να είναι υψηλής απόδοσης, µε αποδόσεις συνήθως πάνω από 96%.

Το βασικό πλεονέκτημα ενός κινητήρα αξονικής ροής είναι ότι ο ρότορας έχει μεγαλύτερη διάμετρο, επειδή περιστρέφεται παράλληλα με τον στάτη, αντί μέσα σε αυτόν. Επειδή η ροπή ισούται με τη δύναμη πολλαπλασιασμένη με την ακτίνα, σε έναν κινητήρα αξονικής ροής η ακτίνα είναι μεγαλύτερη από ό,τι σε έναν συμβατικό ακτινωτό κινητήρα, άρα έχουμε περισσότερη ροπή για την ίδια δύναμη. Αυτό σημαίνει ότι για την ίδια ποσότητα μόνιμου μαγνήτη και περιέλιξης χαλκού, η ροπή είναι περισσότερη.

Οι μηχανές μόνιμου μαγνήτη αξονικής ροής παρέχουν, κατά βάση, περισσότερη ροπή για έναν δεδομένο όγκο κινητήρα συγκριτικά με έναν κινητήρα ακτινικής ροής, καθώς η περιοχή ενεργού μαγνητικής επιφάνειας είναι η διατομή του ρότορα του κινητήρα και όχι η εξωτερική διάμετρος.

Αυτό κάνει τους κινητήρες αξονικής ροής πολύ πιο συμπαγείς. Το αξονικό μήκος της μηχανής είναι πολύ μικρότερο σε σύγκριση με τους ακτινικούς κινητήρες. Η λεπτή και ελαφριά δομή έχει ως αποτέλεσμα κινητήρες με υψηλότερη ισχύ και ροπή από έναν συγκρίσιμο ακτινωτό, χωρίς την ανάγκη να λειτουργεί σε πολύ υψηλές στροφές.

Μία σημαντική πρόκληση στους κινητήρες αξονικής ροής είναι η διατήρηση ενός ομοιόμορφου διάκενου αέρα μεταξύ του ρότορα και του στάτη, καθώς οι μαγνητικές δυνάμεις είναι πολύ υψηλότερες από ό,τι στους κινητήρες ακτινικής ροής. Οι κινητήρες αξονικής ροής διπλού ρότορα έχουν, επίσης, θερμικά προβλήματα, καθώς οι περιελίξεις βρίσκονται βαθιά μέσα στον στάτη και μεταξύ των δύο δίσκων του ρότορα. Αυτό καθιστά δύσκολη τη διάχυση της θερμότητας.

Παράλληλα, τα μόνα μέρη σε κινητήρες αξονικής ροής που παρουσιάζουν φθορά είναι τα ρουλεμάν. Παρόλα αυτά τοποθετούνται πολύ πιο κοντά μεταξύ τους.

Επιπλέον, οι ρότορες χαμηλότερης μάζας στους κινητήρες αξονικής ροής υπόκεινται σε χαμηλότερα δυναμικά φορτία, επομένως οι πραγματικές δυνάμεις που ασκούνται στα έδρανα είναι πολύ χαμηλότερες απ’ ό,τι στους κινητήρες ακτινικής ροής.

Μία από τις πρώτες εφαρµογές για έναν αξονικό κινητήρα ήταν ο e-axle. Το λεπτότερο πλάτος επιτρέπει στον κινητήρα και στο κιβώτιο ταχυτήτων να ενσωµατώνονται στον άξονα. Σε υβριδικές εφαρµογές, το µικρό αξονικό µήκος του κινητήρα, µε τη σειρά του, διατηρεί το συνολικό µήκος του συστήµατος µετάδοσης κίνησης µικρό.

Η εξέλιξη

Το επόμενο βήμα ήταν η τοποθέτηση του αξονικού κινητήρα στον τροχό του οχήματος. Αυτό επιτρέπει στην ισχύ να πηγαίνει απευθείας από τον κινητήρα στον τροχό, αυξάνοντας την απόδοση του κινητήρα. Η πολυπλοκότητα του συστήματος είναι, επίσης, μικρότερη, καθώς εξαλείφονται το κιβώτιο ταχυτήτων, τα διαφορικά και
ο άξονας μετάδοσης κίνησης.

Η αγγλική εταιρεία YASA αφαίρεσε τον αφαλό από τον στάτη, ο οποίος μειώνει τη μάζα του σιδήρου του στάτη έως και 80%. Αυτή η καινοτομία παρέχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα πυκνότητας ισχύος κατά 5-10% σε σχέση με τους ηλεκτροκινητήρες ακτινικής ροής από τους οποίους εξαρτώνται τα περισσότερα σύγχρονα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Η YASA συνεργάζεται στενά με τη Ferrari, τα τελευταία 2,5 χρόνια, αναπτύσσοντας μία προσαρμοσμένη έκδοση του ηλεκτροκινητήρα της, που πληροί τις απαιτητικές προδιαγραφές απόδοσης της ιταλικής μάρκας σπορ αυτοκινήτων. Ανακοίνωσε, μάλιστα, ότι ένας δικός της ηλεκτροκινητήρας τροφοδοτεί το πρώτο σπορ αυτοκίνητο υβριδικής τεχνολογίας, ευρείας παραγωγής, της Ferrari, το SF90 Stradale.

ΤΟΥ ΝΙΚΟΥ ΒΑΣΙΛΑΚη   

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ