01 Che cosa è un motore a flusso assiale?

In base alla direzione del flusso magnetico, il motore può essere suddiviso in un motore a flusso assiale e un motore a flusso radiale. Sebbene le direzioni del flusso magnetico siano diverse, i principi di funzionamento seguono tutti le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo.

In altre parole, il driver del motore controlla l'intensità e la direzione del campo magnetico della bobina (rotore) modificando la direzione e l'intensità della corrente che la attraversa. Poiché i poli magnetici dello statore sono fissi, quando la direzione e l'intensità del campo magnetico del rotore cambiano, il campo magnetico interagisce generando la forza di Lorentz, che a sua volta fa ruotare il rotore.

Diagramma schematico della direzione del percorso del flusso magnetico

I poli magnetici dello statore del motore a flusso assiale sono disposti lungo l'asse. Il rotore è solitamente di struttura cilindrica. Il flusso magnetico passa attraverso l'asse centrale del rotore. Quando la corrente attraversa l'avvolgimento dello statore, il campo magnetico generato attraversa il rotore lungo l'asse. Secondo la legge di Lorentz, questo campo magnetico genera coppia nel rotore, facendolo ruotare.

Il traferro del motore a flusso assiale è planare, la lunghezza assiale è breve e ha la forma di un disco sottile, per questo è anche chiamato motore a disco.

Schema delle strutture dei motori a flusso assiale e a flusso radiale

La struttura topologica dei motori a flusso assiale è flessibile e può essere combinata in base agli scenari applicativi concreti. In base alla struttura di combinazione statore-rotore, i motori a flusso assiale possono essere suddivisi nelle seguenti quattro strutture:

Struttura a singolo statore/singolo rotore: 1 rotore + 1 statore, struttura semplice e compatta, ma grande attrazione magnetica unilaterale, grande carico sui cuscinetti, grandi vibrazioni e rumore e rischio di attrito statore-rotore, che riduce la durata del motore;

Struttura a statore singolo/doppio rotore: 2 statori esterni + 1 rotore interno, elevata densità di potenza, più adatta per sistemi di trazione, settori aerospaziali e altri;

Struttura a doppio statore/rotore singolo: 2 rotori esterni + 1 statore interno, con buona simmetria, attrazione magnetica unilaterale relativamente piccola, più adatta ai sistemi di generazione di energia eolica;

Struttura a più statori/più rotori: più statori + più rotori, adatta a scenari con coppie elevate, come sistemi di propulsione navale, grandi generatori eolici e idroelettrici.

02 Vantaggi e limiti dei motori a flusso assiale

Vantaggi dei motori a flusso assiale

Dimensioni ridotte e peso ridotto: il volume e la massa dei motori a flusso assiale sono rispettivamente di 5 litri e 24 kg, mentre il volume e la massa dei normali motori a flusso radiale per automobili sono rispettivamente di 10 litri e 50 kg. I motori a flusso assiale sono in linea con la tendenza delle automobili leggere. Allo stesso tempo, presentano una struttura compatta, una lunghezza radiale ridotta e un'elevata libertà di installazione.

Parametro	Motore a flusso assiale	Motore a flusso radiale
Volume (L)	5	10
Peso (kg)	24	50
Coppia（Nm）	800	400
Potenza (kW)	358	186
Densità di coppia (Nm/L)	160	40
Densità di potenza (kW/kg)	14.9	3.7

Elevata densità di coppia e densità di potenza: l'area superficiale magnetica effettiva dei motori a magneti permanenti a flusso assiale si trova sulla superficie del rotore del motore, non sul diametro esterno, quindi solitamente possono fornire più coppia entro un certo volume, migliorando così la densità di coppia e la densità di potenza.

Elevata efficienza: grazie al percorso del flusso unidimensionale più breve, l'efficienza dei motori a flusso assiale è molto elevata, solitamente superiore al 96%, paragonabile o superiore a quella dei migliori motori a flusso radiale bidimensionali disponibili sul mercato. I motori a flusso assiale consentono un risparmio energetico di circa il 15-25% rispetto ai normali motori radiali a tutti i livelli di potenza e possono mantenere la potenza di picco più a lungo.

Struttura del motore a flusso assiale

Basso rumore e vibrazioni: grazie alla distribuzione uniforme del campo magnetico, il motore a flusso assiale genera bassi rumori e vibrazioni durante il funzionamento, il che lo rende particolarmente adatto a scenari applicativi con severi requisiti in materia di rumore e vibrazioni.

Risparmio energetico e riduzione delle emissioni di carbonio: i vantaggi in termini di volume e peso del motore a flusso assiale possono ridurre di circa il 50% il consumo di rame, ferro, magneti permanenti e altri materiali nel processo di produzione e fabbricazione rispetto ai motori radiali a magneti permanenti. Considerando la tecnologia dello statore PCB senza nucleo, il consumo di rame del motore assiale può essere ridotto al 34% rispetto a quello del motore radiale.

Allo stesso tempo, ha un peso proprio ridotto e una maggiore efficienza. Nell'applicazione, il motore consuma meno energia e ha una migliore capacità di guida, il che favorisce il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni di carbonio.

Limitazioni dei motori a flusso assiale

Problemi di costo: i motori a flusso assiale richiedono materiali e processi di produzione speciali, quindi il costo di produzione è solitamente superiore a quello dei tradizionali motori a flusso radiale. Ad esempio, l'utilizzo di una topologia senza giogo e di un design speciale dello statore-rotore ne aumenteranno i costi.

Complessità di progettazione e produzione: la progettazione e la produzione dei motori a flusso assiale sono solitamente più complesse. Ad esempio, il traferro tra rotore e statore deve essere mantenuto uniforme. La forza assiale durante il funzionamento può causare forti tensioni sull'albero motore. Il processo di produzione e le attrezzature meccaniche non sono sviluppati come quelli dei motori radiali. Tutti questi fattori limitano la capacità di produzione in serie.

Sezione trasversale di un motore a flusso assiale

Problemi di dissipazione del calore: poiché gli avvolgimenti di un motore a flusso assiale si trovano in profondità nello statore e tra i due dischi del rotore, la dissipazione del calore è molto difficile. Quando il motore funziona a carico elevato, si verificano problemi di surriscaldamento, che ne compromettono le prestazioni e la durata.