Οι περισσότεροι από εσάς είστε ήδη εξοικειωμένοι με τα ηλεκτρικά οχήματα και τις βασικές αρχές που διέπουν τη λειτουργία τους, σαφώς. Ωστόσο, η τεχνολογία των ηλεκτροκινητήρων, των μπαταριών και λοιπών, βασικών υποσυστημάτων ενός EV, εξακολουθούν να κρύβουν πολλά “μυστικά”. Ένα από αυτά αφορά τις διαφορές μεταξύ δύο τύπων ηλεκτροκινητήρων. Οι ηλεκτροκινητήρες Ακτινικής Ροής (Radial Flux) έχουν επικρατήσει κατά κράτος στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, όμως οι Αξονικής Ροής (Axial Flux) έχουν σαφή πλεονεκτήματα και κερδίζουν έδαφος, ενώ βρίσκονται συχνά σε supercars/hypercars. Γιατί, λοιπόν, δεν χρησιμοποιούμε τους δεύτερους σε κάθε εφαρμογή; Ποιες οι διαφορές τους; Πάμε να ρίξουμε μια ματιά…
Κινητήρες Ακτινικής Ροής (Radial Flux)
Αμφότεροι οι τύποι κινητήρων είναι μόνιμου μαγνήτη (PM – Permanent Magnet). Ωστόσο, η διάταξή τους είναι διαφορετική και ως εκ τούτου, δημιουργεί σημαντικές διαφορές στη λειτουργία τους.
Οι Radial Flux κινητήρες βρίσκονται σχεδόν σε όλα τα σύγχρονα συμβατικά EVs. Αποτελούνται από δύο κυλινδρικά τμήματα, το ένα μέσα στο άλλο, με τον άξονα να τα “διαπερνά” στο κέντρο τους. Ο μόνιμος μαγνήτης δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο στον άξονα. Η περιέλιξη (coil) βρίσκεται στον εξωτερικό (σταθερό-stator) κύλινδρο. Έτσι, η ροή του ρεύματος (flux) είναι “παράλληλη” προς τον άξονα περιστροφής και οι δυνάμεις που δημιουργούνται περιστρέφουν τον εσωτερικό κύλινδρο (ρότορα-rotor), μαζί με τον άξονα, παρέχοντας κίνηση απευθείας στον/στους τροχούς ή στο σύστημα μετάδοσης (αντί του παραδοσιακού “κιβωτίου ταχυτήτων).
Κινητήρες Αξονικής Ροής (Axial Flux)
Οι Axial Flux κινητήρες είναι μια ανερχόμενη λύση στην αυτοκινητοβιομηχανία, με πολλά πλεονεκτήματα, αλλά και ορισμένους περιορισμούς. Πιθανότατα έχετε δει αρκετές φορές την περίφημη φωτογραφία του compact ηλεκτροκινητήρα της Koenigsegg που αποδίδει εκατοντάδες ίππους και θηριώδη ροπή, με ελάχιστο βάρος. Αυτός είναι κινητήρας αξονικής ροής, λοιπόν, οι οποίοι κερδίζουν διαρκώς έδαφος στην κατηγορία των supercars/hypercars και οι λόγοι είναι παρακάτω.
Ο κινητήρας Axial Flux έχει σαφή πλεοκτήματα έναντι του Radial Flux, υπό μια προϋπόθεση: Να είναι διπλού ρότορα, όχι μονού. Η διάταξη του είναι τύπου “σάντουιτς”. Ο στάτορας είναι ένας κυκλικός, παχύς δίσκος, βρίσκεται στο κέντρο, φέρει τα coils και τον διαπερνά ο άξονας περιστροφής. Εκατέρωθεν του στάτορα βρίσκονται δύο λεπτοί κυκλοί δίσκοι με ενσωματωμένους μαγνήτες, οι ρότορες. Έτσι, η ροή του ρεύματος γίνεται κάθετα ως προς τον άξονα περιστροφής. Το παρακάτω σχέδιο δείχνει τις δύο διατάξεις αρκετά παραστατικά.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Στη θεωρία, ο κινητήρας αξονικής ροής έχει πολλά πλεονεκτήματα στην ηλεκτροκίνηση. Πρώτον, οι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι σε μεγαλύτερη απόσταση από τον άξονα περιστροφής. Αυτό σημαίνει οτι ασκούν μεγαλύτερη ροπή σε αυτόν, σε σχέση με τον μαγνήτη του κινητήρα ακτινικής ροής. Έτσι, η ροπή που φθάνει στους τροχούς μπορεί να είναι συνολικά μεγαλύτερη, για κινητήρες ίδιου μεγέθους.
Δεύτερον και σημαντικότερο, μάλλον, ο κινητήρας αξονικής ροής είναι μικρότερος σε όγκο αλλά και σε βάρος, κάτι εξαιρετικά σημαντικό σε κάθε όχημα. Χάρη και στην ύπαρξη δύο ρότορων, αντί ενός, αλλά και της διάταξής του, μπορεί να χωρέσει ακόμα και μέσα στο ίδιο το “καβούκι” της μετάδοσης, κάτι ιδιαίτερα χρήσιμο στα υβριδικά supercars/hypercars που τον χρησιμοποιούν ως δευτερεύουσα πηγή κίνησης, για σύντομη ή συνεχόμενη ώθηση.
Τρίτον, είναι πιο αποδοτικός από τον radial flux κινητήρα. Η διάταξή του επιτρέπει στο ρεύμα να διανύει μικρότερη απόσταση και να φθάνει πιο άμεσα από το σημείο Α στο Β. Επιπλέον, καθώς η ροή πάντα κάνει την ίδια, μονοδιάστατη κίνηση, είναι εφικτή η χρήση CRGO “προσανατολισμένου” χάλυβα πυριτίου, η κατασκευή του οποίου (ψυχρή έλαση) διευκολύνει την ροή προς μια κατεύθυνση. Η ροή του ρεύματος σε ένα radial flux μοτέρ ακολουθεί καμπύλη και έτσι είναι “δισδιάστατη”, άρα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί τέτοιο μέταλλο. Αυτό μεταφράζεται σε περίπου 2% μεγαλύτερο efficiency για τον axial flux κινητήρα, πέραν της επιπλέον αποδοτικότητας χάρη στην συντομότερη, άμεση ροή.
Τέταρτον, στους radial flux κινητήρες, σημαντικό τμήμα της περιέλιξης (coils) “περισσεύει” αναγκαστικά, καθώς πρακτικά δεν αξιοποιείται. Αυτό μεταφράζεται σε μεγαλύτερη αντίσταση κατά την ροή του ρεύματος, άρα μεγαλύτερες θερμικές απώλειες. Στα axial flux μοτέρ, η περιέλιξη βρίσκεται 100% στα σημεία που πρέπει, στην επιφάνεια του ρότορα, ώστε να μην υπάρχουν τέτοιες απώλειες.
Τέλος, το ζήτημα της ψύξης. Η απαγωγή θερμότητας δεν είναι εύκολη υπόθεση σε ένα κινητήρα ακτινικής ροής, καθώς πρέπει να γίνει μέσω του στάτορα, ο οποίος όμως δεν την απάγει αρκετά γρήγορα. Επιπλέον, η “περισσευούμενη” περιέλιξη που αναφέραμε νωρίτερα επίσης δεν μπορεί να μεταφέρει γρήγορα την θερμότητά της στο περιβάλλον, αφού δεν έρχεται σε επαφή με το μεταλλικό περίβλημα του κινητήρα. Στους κινητήρες αξονικής ροής οι δύο ρότορες απάγουν τη θερμότητα ταχύτερα, μέσω του αλουμινένιου περιβλήματός τους. Επιπλέον, ορισμένοι κατασκευαστές πλέον καταφεύγουν και στην λύση του oil cooling, με το λάδι σε άμεση επαφή με τα coils. Βέβαια, η ψύξη στα Axial Flux μοτέρ δεν είναι γενικότερα εύκολη, λόγω του εξαιρετικά μικρού κενού μεταξύ των δίσκων του “σάντουιτς”, το οποίο μάλιστα μεταβάλλεται και λόγω των πολύ ισχυρών μαγνητικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους. Εκεί είναι ζωτικής σημασίας η υψηλή ποιότητα κατασκευής και η διατήρηση των επιθυμητών ανοχών.
Εν τέλει, η διαφορά στην αποδοτικότητα μεταξύ ενός Radial Flux και ενός Axial Flux κινητήρα ποικίλλει. Ενδεικτικά, ωστόσο, η McLaren αναφέρει οτι ο Axial Flux κινητήρας της Artura είναι 33% πιο αποδοτικός από του Radial Flux της P1. Το σίγουρο είναι οτι υπάρχει σημαντική διαφορά, υπέρ του πρώτου.
Κανείς δεν είναι τέλειος, ωστόσο. Ένα κύριο μειονέκτημα του κινητήρα αξονικής ροής είναι οτι δεν μπορεί να πετύχει αρκετά υψηλούς ρυθμούς περιστροφής. Όταν ένας τυπικός ηλεκτροκινητήρας μπορεί να φτάσει τις 15.000 ή τις 20.000 rpm, ο Axial Flux περιορίζεται κάτω από τις 10.000 rpm. Στην McLaren Artura, για παράδειγμα, δεν ξεπερνά τις 8.500 rpm. Αυτό συμβαίνει εξ’αιτίας της μεγαλύτερης αδρανειακής μάζας των δύο περιστρεφόμενων τμημάτων του, με τους μαγνήτες να βρίσκονται μακριά από τον άξονα, όπως προείπαμε. Μεγαλύτερη ροπή, λοιπόν, αλλά και μεγαλύτερη αδράνεια, κάτι που δεν επιτρέπει υψηλές rpm.
Έτσι, το ωφέλιμο φάσμα ενός Axial Flux κινητήρα είναι σαφώς μικρότερο. Αυτό σημαίνει οτι είναι χρήσιμος κυρίως σε υβριδικές κατασκευές ή ενσωματωμένος στον τροχό, εκτός αν συνδυαστεί με μια μετάδοση πολλών σχέσεων και όχι 1 ή 2 σχέσεων, όπως στα περισσότερα EVs της αγοράς. Ακόμα κι έτσι, πάντως, παραμένει πιο αποδοτική λύση. Το θετικό είναι οτι τα μόνα τμήματα ενός Axial Flux μοτέρ που φθείρονται είναι τα ρουλεμάν, σε αντίθεση με ενός Radial Flux όπου αρκετά τμήματά του καταπονούνται εξ’αιτίας θερμικών και κινητικών φορτίων.
Για το τέλος, αν δεν σας δώσαμε μια ξεκάθαρη εικόνα, δείτε και το επεξηγηματικό βίντεο του Engineering Explained:
Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Ακολουθήστε μας στο Google News, στο YouTube, στο Facebook και στο Instagram!
Δείτε επίσης:
