Введение в моторы с осевым потоком

В зависимости от направления магнитного потока двигатели делятся на машины с осевым и радиальным магнитным потоком: в осевых машинах магнитный поток направлен вдоль оси, а в радиальных — по радиусу. По мере развития электромобилей и возобновляемых источников энергии осевые машины, благодаря высокой степени использования пространства и превосходству в эффективности, рассматриваются как перспективное направление в области электропривода и постепенно становятся альтернативой в таких высокодоходных секторах, как робототехника, сервоприводы для узлов и высококлассные электромобили.

Машины с осевым магнитным потоком обладают ключевыми преимуществами — высокой плотностью мощности и лёгкостью, однако требуют решения вопросов теплоотвода и снижения стоимости.

Радиально‑потоковые электродвигатели обладают отлаженной технологией производства и низкой стоимостью, однако их габариты велики, а удельная мощность ограничена.

Размерность	Осевой электродвигатель	Радиальный двигатель (традиционный двигатель)
Направление магнитного потока	Параллельно оси электродвигателя (осевое направление)	Перпендикулярно оси двигателя (радиально)
Конструктивные особенности	Плоский дизайн, небольшая осевая длина	Цилиндрическая конструкция, большая осевая длина
Плотность мощности	Высота (внешний диаметр³, связанная с крутящим моментом)	Средний (внешний диаметр² × высота укладки — зависит от крутящего момента)
Торсионная характеристика	Низкая скорость, высокий крутящий момент (большой диаметр ротора)	Крутящий момент заметно изменяется в зависимости от частоты вращения.
Сложность отвода тепла	Теплоотводящий путь длинный, требуется оптимизация конструкции.	Теплоотводящий путь короткий, технология отлажена.
Стоимость и технология производства	Высокая стоимость, сложная технология производства	Низкая стоимость, отлаженные технологии массового производства.
Типичное применение	Электромобили, ветроэнергетика, дополнительный генератор	Промышленные электродвигатели, традиционные электромобили, бытовая техника
Эффективность	Обычно >96%	Обычно 90%-95%

Двигатель с осевым потоком (Axial Flux Motor)

Моторная топология, в которой магнитный поток протекает параллельно оси двигателя, при которой статор и ротор расположены в плоскости, а магнитный поток проходит по осевому направлению; её технический принцип и конструктивное исполнение существенно отличаются от традиционных двигателей с радиальным магнитным потоком.

Особенности:

• Компактная конструкция: плоский дизайн, короткая осевая длина, лёгкий вес и высокая удельная мощность (взаимосвязь наружного диаметра и крутящего момента).
• Высокая плотность крутящего момента: увеличенный диаметр ротора позволяет при том же усилии обеспечивать более высокий выходной крутящий момент (крутящий момент = сила × радиус).
• Высокая эффективность: короткий магнитный поток (одномерный), КПД обычно превышает 96%, что сопоставимо с традиционными радиальными двигателями или даже превосходит их.
• Теплоотводные вызовы: длинный путь отвода тепла требует оптимизации конструкции (например, использования композитных роторов и систем активного охлаждения).
• Высокая стоимость: сложная технология производства (например, карбоновые роторы, точная сборка), что затрудняет массовое производство.

Сферы применения:

• Электромобили: распределённая электрическая трансмиссия (оптимизация пространства шасси), генератор с подзарядкой.
• Ветроэнергетика: ветрогенераторы прямого привода (высокая плотность крутящего момента, требования к снижению массы).
• Промышленное оборудование: условия с высокой удельной мощностью и лёгким весом (например, беспилотные летательные аппараты, роботизированные суставы).

Структура:

Двигатель имеет дисковую конструкцию: статор и ротор расположены параллельно, осевые габариты небольшие, воздушный зазор — плоского типа; магнитный поток проходит по всей магнитной цепи вдоль оси, что снижает потери на магнитные потери. В некоторых конструкциях для изоляции магнитной цепи применяются высокопрочные композитные материалы, что позволяет уменьшить потери на вихревые токи и повысить механическую прочность. Типичные топологии включают одностаторную‑однороторную, двухстаторную‑однороторную, одностаторную‑двухроторную и многодисковую конструкции.

 

Радиально-поточный двигатель (Radial Flux Motor)

В традиционной конструкции электродвигателя магнитный поток проходит по радиальному направлению через статор и ротор; статор обволакивает ротор, образуя цилиндрическую форму, а направление его эффективного магнитного поля перпендикулярно оси вращения двигателя; преобразование электрической энергии в механическую осуществляется за счёт взаимодействия радиальных магнитных полей.

Особенности:

• Структурная зрелость: цилиндрическая конструкция, значительная осевая длина, глубокий технический опыт и стандартизация технологических процессов.
• Низкая плотность мощности: крутящий момент зависит от наружного диаметра и высоты укладки, габариты большие, а степень использования пространства невысокая.
• Хорошие тепловые характеристики: короткий магнитный поток, относительно простое управление температурой, что делает устройство пригодным для непрерывной работы под высокой нагрузкой.
• Низкая стоимость: технология массового производства отлажена (например, листовой сердечник и намотка обмотки), что обеспечивает высокую соотношение цены и качества.
• Характеристика крутящего момента: крутящий момент заметно изменяется с ростом частоты вращения; требуется использование редуктора.

Сферы применения:

• Промышленные электродвигатели: общепромышленное механическое приводное оборудование (например, насосы, вентиляторы, компрессоры).
• Традиционные электромобили: ранние системы привода электромобилей (например, Tesla Model S).
• Бытовая техника: стиральные машины, кондиционеры и другие устройства для низкошумных и недорогих решений.

Структура

Электродвигатель имеет цилиндрическую форму; статор расположен вокруг ротора, зазор между ними выполнен в виде кольца, магнитный поток проходит по длинному пути и замыкается через сердечники статора и ротора. Такая конструкция характеризуется высокой технологической отработанностью и удобством массового производства; конструкция статора и ротора относительно проста, обмотки уложены по правилам, что обеспечивает возможность стандартизированного изготовления и низкие эксплуатационные расходы.

 

█ Кто занимается разработкой осевых магнитных двигателей?

В настоящее время основными отечественными и зарубежными поставщиками осевых магнитных двигателей являются следующие:

01#

ЯСА

С момента своего основания в 2009 году компания YASA неизменно сосредоточена на оптимизации и производстве двигателей с осевым магнитным потоком, а также стремится расширять их применение в транспортной отрасли. Благодаря более чем десятилетним усилиям YASA сформировала мощный портфель интеллектуальной собственности в области технологий двигателей с осевым магнитным потоком: только в Китае было подано свыше ста соответствующих патентных заявок, что обеспечивает ей одно из ведущих положений по числу поданных патентов.

Флагманские продукты YASA — YASA 750 и YASA P400 — благодаря своим уникальным конструктивным решениям, таким как отсутствие магнитопровода, сегментированный якорь и прямое масляное охлаждение, демонстрируют выдающиеся эксплуатационные характеристики в таких областях, как тяговое управление, генерация электроэнергии и гидравлические переключения. Кроме того, компания YASA успешно разработала новый колёсный двигатель с осевым магнитным потоком, который уже внедрён в модель Mercedes‑Benz Vision One‑Eleven; в будущем он, как ожидается, сыграет ключевую роль на рынке электромобилей AMG.

02#

Магнакс

Компания Magnax специализируется на проектировании и оптимизации бесмагнитных двигателей с осевым магнитным потоком и с 2015 года последовательно продвигает инновации в области электроприводных технологий. Деятельность компании разделена на два основных направления — Traxy и Axyal, которые обслуживают соответственно наземные транспортные средства и авиационно‑космические системы двигательной установки.

Серия осевых магнитных двигателей Traxy: разработана специально для наземных транспортных средств, сочетает в себе оптимальное соотношение удельной мощности, КПД и надёжности и подходит для электромобилей, автобусов и других видов транспорта.

Серия осевых двигателей с магнитным потоком Axyal: разработана для аэрокосмических применений, обеспечивает высокую удельную мощность и соответствует строгим требованиям к массе и габаритам.

Технологические преимущества Magnax в области двигателей с осевым магнитным потоком включают: провода прямоугольного сечения, повышающие степень заполнения медью; ориентированную электротехническую сталь, снижающую потери в сердечнике; разнообразные решения для охлаждения, а также ламинированные радиаторы. Его типичный продукт — двигатель AXF225 с осевым магнитным потоком: при массе всего 13 кг он способен развивать пиковую мощность 220 кВт, что наглядно демонстрирует значительные преимущества немагнитной конструкции в плане высокой плотности мощности и лёгкого веса.

03#

Эволито

Компания Evolito специализируется на поставках передовых двигателей с осевым магнитным потоком для авиационно‑космической отрасли; эти двигатели отличаются компактными габаритами, небольшой массой, а также повышенной крутящейся силой и удельной мощностью при оптимальных скоростях тяги.

Компания Evolito предлагает три различных модели двигателей с осевым магнитным потоком — D250, D500 и D1500 — для удовлетворения самых разнообразных потребностей:

▶ Модель D250: Характеризуется низким крутящим моментом и высокой скоростью, особенно подходит для высокоскоростных применений; ▶ Модель D500: Обладает средним крутящим моментом и средней скоростью, подходит для применений, где требуется баланс между крутящим моментом и скоростью; ▶ Модель D1500: Благодаря своим характеристикам — высокому крутящему моменту и низкой частоте вращения — он идеально подходит для применений, требующих большого крутящего момента на низких оборотах.

Технические преимущества двигателя с осевым магнитным потоком Evolito включают:

▶ Минимальные габариты и наименьший вес: по сравнению с аналогичными продуктами двигатель Evolito занимает лидирующие позиции как по размерам, так и по массе.

▶ Конструкция без ярма: применение конструкции без ярма в сочетании с сегментированными магнитами позволяет существенно снизить массу и повысить эксплуатационные характеристики.

▶ Повышенная безопасность: Применение в электродвигателе схемы 1×3 и истинной фазовой смещённой схемы 2×3 существенно повышает уровень безопасности.▶ Интегрированная избыточность и датчики: Встроенная двухканальная система резервирования, оснащённая датчиками положения и температуры, обеспечивает стабильную работу в условиях высоких требований к безопасности. ▶ Индивидуальная намотка: Evolito способен выполнять индивидуальную настройку обмоток в соответствии с конкретными требованиями приложения, что позволяет дополнительно оптимизировать характеристики двигателя.

Роторные двигатели с осевым магнитным потоком компании Evolito широко применяются в авиационно‑космической отрасли, включая, помимо прочего: eVTOL‑самолёты (электрические самолёты вертикального взлёта и посадки), UAM‑системы (городская воздушная мобильность), вертолёты, а также самолёты общего назначения с одним или несколькими несущими винтами.

04#

Компания AVID Technology

Компания AVID Technology в настоящее время выпускает серию стандартизированных двигателей с осевым магнитным потоком серии EVO. Технические характеристики приведены в таблице 3. По утверждению AVID, удельная мощность их изделий может достигать свыше 10 кВт/кг.

На приведённом выше рисунке — продуктовая линейка компании AVID Technology.

05#

ПАНГУД (Паньгу Дунли)

В основе — осевой электродвигатель; компания Panhub Power интегрирует в свой модуль оптимизированные редукторы, контроллеры и другие комплектующие. Её решения в области электропривода широко применяются в таких секторах, как автомобили на новых источниках энергии, автобусы, грузовые автомобили, электрические мотоциклы и строительная техника. По состоянию на начало 2023 года компания Panhub Power подала в общей сложности 1 178 заявок на различные патенты, что позволило ей выйти на мировой уровень первоклассных разработок в сфере осевых магнитопроводных двигателей.

В настоящее время компания Panhub Power подала в общей сложности 1 178 заявок на патенты, занимая лидирующие позиции в мировой сфере осевых магнитных двигателей. (Состояние подачи патентных заявок компанией Panhub)

Аксialные электродвигатели компании Паньгу Дунли могут быть разделены на четыре основных сегмента — PCB, ICS, ICD и 9TFA, охватывающие потребности в мощности от 63 Вт до 600 кВт в различных областях применения. По сравнению с аналогичными конкурентными продуктами удельная мощность автомобильных приводных двигателей Паньгу Дунли достигает 8,17 кВт/кг, что превышает установленный Министерством энергетики США стандарт на 2025 год в рамках плана развития электродвигателей. При этом их удельный крутящий момент также превышает нормативы для коммерческих транспортных средств, заложенные Министерством промышленности и информатизации КНР в «Технологической дорожной карте по энергосберегающим и новым видам автомобилей 2.0» на 2035 год, что выводит продукцию Паньгу Дунли на уровень международного лидерства.

Компания Panhub Power специализируется на глубокой проработке решений на базе колёсных и ступичных электродвигателей, а также на продвижении осевых электродвигателей на рынке легковых автомобилей. На недавно прошедшей выставке компания представила осевые электродвигатели ICS120K, ICD150K и PDS100K, а также соответствующие решения в области электропривода, наглядно продемонстрировав свои возможности по интеграции технологий в сегменте легковых автомобилей — включая централизованные интегрированные системы и новые ступичные решения для электропривода легковых автомобилей. При этом двигатель ICS120K, как проверенное и成熟ое решение для привода колеса, уже широко применяется в автобусной отрасли (более 8 000 комплектов). Успешные примеры внедрения осевых электродвигателей в метробусах и других сферах подтверждают ведущий уровень компании Panhub Power в сфере коммерческого транспорта.

06#

Магелек (магнитная кожа)

Magelec Propulsion — это полный производитель силовых агрегатов, являющийся дочерней компанией американского производителя зубчатых передач Omni Gear. В 2014 году, спустя десять лет после того как Omni в рамках своего бизнеса по производству систем трансмиссии участвовала в ряде проектов в сфере электромобилей, компания диверсифицировала свою деятельность, что привело к созданию самостоятельного подразделения, специализирующегося на электрификации, — компании Magelec.

Ключевым продуктом Magelec является синхронный электродвигатель с постоянными магнитами и осевым магнитным потоком, а также блок управления двигателем и редуктор, основанные на IGBT‑транзисторах и SiC‑MOSFET‑полупроводниках; это позволяет компании предоставлять автопроизводителям комплексные приводные решения, охватывающие самые разнообразные применения — от полностью электрических автомобилей до подключаемых гибридных моделей.

07#

СЭМОТОР (электрический слонёнок)

Компания SEMOTOR специализируется на разработке высокоэнергетических магнитных электродвигателей и предлагает решения для приводных систем. Её основные продукты включают SEmotor1K — предназначенный для небольших четырёхногих бионических роботов, — и SEmotor6K — рассчитанный на крупные бионические роботы и системы суставных приводов.

Эти электродвигатели обладают удельной мощностью до 10 кВт/кг, удельным крутящим моментом 20 Нм/кг и КПД не менее 97%; диапазон пиковой мощности составляет от 1,5 кВт до 100 кВт. По сравнению с традиционными радиальными двигателями, осевые двигатели SEMOTOR демонстрируют существенные преимущества по габаритам, массе и эффективности, что делает их подходящими для применения в таких областях, как автомобили на новых источниках энергии, электрические мотоциклы, промышленные роботы, беспилотные летательные аппараты, электрические суда и электрические самолёты.

Продукция компании «Шэньчжэнь Сяосян» применяется на нижестоящих этапах множества проектов по созданию роботизированных приводных устройств. На сегодняшний день осевые двигатели SEmotor1K и SEmotor6K компании «Шэньчжэнь Сяосян» успешно внедрены в проекты систем привода суставов для малогабаритных четырёхногих бионических роботов и крупногабаритных бионических роботов, при этом были достигнуты весьма положительные результаты.

08#

Phi-Power

Компания Phi-Power — это предприятие, специализирующееся на разработке и производстве двигателей с осевым магнитным потоком; в её линейку таких двигателей входят:

▶ Фи301: Этот электродвигатель специально разработан для высокомощных применений и способен удовлетворять требованиям даже в самых требовательных к мощности условиях.

▶ Фи271: Он подходит для применений средней мощности, обеспечивая идеальный баланс между производительностью и эффективностью;

▶ Фи27С: Этот двигатель оптимизирован для высокоскоростных применений и способен обеспечивать более высокий крутящий момент.

В плане технических преимуществ осевые магнитные двигатели компании Phi-Power обладают следующими особенностями:

▶ Высокая мощность и плотность крутящего момента: По сравнению с традиционными электродвигателями двигатели компании Phi-Power в том же объёме обеспечивают большую мощность и крутящий момент, демонстрируя выдающиеся эксплуатационные характеристики;

▶ Компактный дизайн: Эти электродвигатели особенно подходят для применений с ограниченной длиной монтажа; их высокая удельная мощность обеспечивает более компактное и эффективное оборудование.

▶ Высокая степень защиты: Благодаря прочной закрытой конструкции двигатели Phi‑Power обладают высоким уровнем защиты IP6k9 и способны обеспечивать стабильную и надёжную работу в тяжёлых условиях;

▶ Индивидуальный дизайн: Компания также предоставляет услуги по индивидуальному проектированию, позволяющие удовлетворить специфические требования приложений, такие как гибридные машины или генераторы с увеличенным запасом хода.

В сфере применения осевые магнитные двигатели компании Phi-Power широко используются в таких областях, как гоночные автомобили, тяжёлые грузовики, гибридные и подключаемые электрические системы, демонстрируя свою высокую рыночную универсальность и технический потенциал.

09#

ЗОНХОУ (Чжунхао Электрик)

Мощность осевых электродвигателей компании «Чжунхао Электрик» в основном сосредоточена в диапазоне средней и малой мощности; например, представленный на официальном сайте гибридный двигатель мощностью 60 кВт обладает КПД, достигающим свыше 95%. В настоящее время осевые электродвигатели «Чжунхао Электрик» уже нашли применение в таких областях, как дизельные генераторы с дополнительным источником энергии, гибридные системы и двигатели для навесного оборудования строительной техники, и пользуются широким признанием на рынке.

Краткое описание особенностей продукта следующее:

▶ Инновационные технологии: Благодаря применению технологии осевого магнитного потока с двумя статорами, по сравнению с ведущими продуктами на рынке достигнуто значительное преимущество: габариты уменьшены на треть, а масса — на 30%.

▶ Высокая производительность: Плоская конструкция двигателя, а также его характеристики — низкая частота вращения и высокий крутящий момент — делают его идеальным для использования в качестве генератора с подзарядкой.

▶ Компактность и эффективность: Вся система устройства увеличения запаса хода отличается компактностью, легко вписывается в ограниченное пространство установки различных типов транспортных средств и соответствует современной тенденции к снижению массы автомобилей.

10#

БЕЙОНД Моторс)

Компания BEYOND Motors специализируется на проектировании и производстве высокопроизводительных двигателей с осевым магнитным потоком, обеспечивая выдающуюся удельную мощность, эффективность и надёжность. Её продукция широко применяется в судостроении, авиакосмической отрасли, грузовом транспорте, автомобилестроении и промышленности. Двигатели BEYOND Motors помогают клиентам добиться более высокой энергоэффективности и увеличить пробег на одном заряде.

11#

Ицзюнь Дунли

Компания «Икунь Динамик Технолоджи (Уси)» была основана в декабре 2021 года и является высокотехнологичным предприятием, специализирующимся на разработке и внедрении инновационных решений в области осевых магнитных электромагнитных топологий, новых материалов, новых технологий и интегрированных системных решений для ключевых клиентов в таких секторах, как автомобилестроение на основе новых источников энергии, горнодобывающая трансмиссия, электрические суда, железнодорожный транспорт и оборонно‑промышленный комплекс. Компания сосредоточена на научно‑технических исследованиях, модернизации и промышленном производстве дисковых электродвигателей с высокой удельной мощностью.

В настоящее время в районе Хуэйшань города Уси уже построена гибкая интеллектуальная производственная линия по выпуску дисковых электродвигателей мощностью 100 тысяч комплектов в год, которая обеспечивает ведущих отраслевых заказчиков — компании SANY Heavy Truck, Foton Motor и Zoomlion — серийным производством дисковых электродвигателей и готовых узлов.

Сравнение силовой установки «Икунь» с дисковым электродвигателем YASA:

▶Дисковый двигатель YIKUN SRS обладает уникальной функцией резервирования: два статора могут управляться независимо и работать в автономном режиме, что обеспечивает высокую надёжность и избыточность системы.

▶Дисковый двигатель SRS требует лишь одного ротора, что существенно сокращает расход дорогостоящих постоянных магнитов и, соответственно, снижает стоимость всего устройства; таким образом решается вопрос высокой соотношения цены и качества продукции.

▶Дисковый двигатель SRS имеет два статора, что позволяет распределить общую тепловую нагрузку по обоим статорам; кроме того, в качестве концевых крышек могут использоваться плоские радиаторы, что способствует повышению общей теплоотводящей способности устройства.

▶ Основное производственное оборудование полностью разработано и изготовлено самостоятельно, а также обладает соответствующими правами интеллектуальной собственности, что позволило решить проблему низкой производительности традиционного производства статорных сердечников и обеспечить возможность массового производства.

12#

Шэньчжэнь Арктический Европейский

Компания «Арктический чайка» предлагает свои силовые комплекты преимущественно для беспилотников большой грузоподъёмности, а также предоставляет продукты и индивидуальные решения для пилотируемых летательных аппаратов. Основным направлением деятельности компании является разработка и производство высокоскоростных бесконтактных дисковых электродвигателей. Такие двигатели на высоких оборотах обладают выдающимися электромагнитными характеристиками, низкими потерями, высокой эффективностью и значительной энергосбережением. Кроме того, бесконтактные двигатели этой компании установлены на летающем автомобиле X2 компании XPeng — новое применение в сфере летающих транспортных средств открывает перед аморфными сплавами перспективы.

Шэньчжэньская компания «Бэйцзипао» по производству аморфных двигателей в сотрудничестве с Центральным исследовательским институтом аморфных материалов совместно разработала и запустила в серийное производство дисковый двигатель для беспилотных летательных аппаратов на основе аморфных сплавов.

Источник статьи: «Корпусная станция», RIO‑электропривод