AFPM
Jak działa
W AFPM magnesy trwałe na tarczy wirnika wytwarzają strumień magnetyczny przechodzący osiowo przez szczelinę powietrzną do płaskiego stojana z uzwojeniami. Prąd płynący w uzwojeniach stojana, umieszczonych w polu skierowanym wzdłuż osi, generuje siłę Lorentza działającą stycznie do tarczy, co wytwarza moment obrotowy wokół wału. Sterowanie odbywa się elektronicznie (komutacja bezszczotkowa, BLDC/PMSM) przez falownik synchronizujący prąd z położeniem wirnika. W topologii dwustronnej dwa zestawy magnesów lub dwa stojany równoważą osiowe siły przyciągania i zwiększają wykorzystanie materiału czynnego. W wariancie YASA rezygnuje się z jarzma stojana, a segmenty rdzenia z uzwojeniami skracają drogę strumienia, redukując masę oraz straty w żelazie. Duża średnica przy krótkiej długości osiowej daje wysoki moment przy stosunkowo niskich prędkościach obrotowych, co jest korzystne w napędach bezpośrednich i quasi-bezpośrednich, m.in. w aktuatorach robotów.
Rozwiązany problem
Klasyczne silniki o strumieniu promieniowym mają ograniczoną gęstość momentu i mocy przy danej masie oraz objętości, a ich wydłużony, cylindryczny kształt bywa niewygodny w zabudowie o małej głębokości (koła, przeguby, śmigła). AFPM zwiększa gęstość momentu i umożliwia płaską zabudowę, wykorzystując fakt, że w geometrii osiowej moment rośnie z sześcianem średnicy wirnika, podczas gdy w geometrii promieniowej — jedynie z jej kwadratem.
Komponenty
Tarcza (lub tarcze) osadzona na wale, na której zamontowano magnesy trwałe (zwykle NdFeB) generujące osiowy strumień magnetyczny w szczelinie.
Płaski stojan z cewkami; przepływ prądu w polu magnetycznym wytwarza siłę styczną i moment obrotowy. Może mieć jarzmo lub być bezjarzmowy (YASA).
Osiowa przerwa między wirnikiem a stojanem, przez którą przechodzi strumień; jej równomierność i wielkość są krytyczne dla sprawności i momentu.
Element ferromagnetyczny domykający obwód magnetyczny; w topologii YASA jarzmo stojana jest wyeliminowane, a rdzeń podzielony na segmenty.
Wał przenosi moment na obciążenie; łożyska muszą przenosić znaczne osiowe siły przyciągania między wirnikiem a stojanem.
Implementacja
Silne osiowe siły przyciągania między wirnikiem a stojanem obciążają łożyska i konstrukcję; w topologii jednostronnej są szczególnie duże.
Montaż musi zapewnić małą i jednorodną szczelinę osiową; odkształcenia pod obciążeniem pogarszają sprawność i mogą powodować kontakt wirnika ze stojanem.
Wirnik o dużej średnicy podlega dużym naprężeniom odśrodkowym, co ogranicza maksymalną prędkość obrotową.
Wysoka gęstość prądu w skupionych uzwojeniach wymaga skutecznego chłodzenia mimo korzystnej powierzchni wymiany ciepła.
Ewolucja
Wprowadzenie magnesów NdFeB o wysokiej gęstości energii umożliwiło budowę kompaktowych maszyn z magnesami trwałymi i odrodzenie konstrukcji o strumieniu osiowym.
Elektryczny samolot Rolls-Royce ustanowił rekord prędkości, korzystając z trzech silników o strumieniu osiowym, co pokazało dojrzałość technologii w napędach lotniczych.
Prototypowy silnik YASA osiągnął gęstość mocy ok. 42 kW/kg, wielokrotnie przewyższając typowe silniki o strumieniu promieniowym i podkreślając przewagę geometrii osiowej.
Mercedes-Benz rozpoczął wielkoskalową produkcję silników o strumieniu osiowym w zakładzie Berlin-Marienfelde, przenosząc technologię AFPM do masowej motoryzacji.
Hiperparametry (konfigurowalne osie)
Układ liczby wirników i stojanów oraz obecność jarzma; determinuje bilans sił osiowych, gęstość momentu i złożoność wykonania.
Liczba par biegunów magnetycznych; wpływa na moment, częstotliwość elektryczną i zakres prędkości.
Osiowa wielkość szczeliny; mniejsza szczelina zwiększa strumień i moment, ale podnosi wymagania mechaniczne i siły przyciągania.
Rodzaj i klasa magnesów trwałych; wyższa energia magnetyczna (NdFeB) zwiększa gęstość momentu, lecz obniża odporność termiczną.
Liczba równoległych zestawów wirnik–stojan złożonych osiowo; zwiększa moment i moc kosztem długości i masy.