Dieser Axial

Es spart Gewicht, Energie und Platz

Das Herz von Jeder Elektromotor besteht aus einem Rotor, der sich um ein feststehendes Teil, den Stator, dreht. Der traditionell aus Eisen gefertigte Stator ist in der Regel schwer. Statoreisen macht etwa zwei Drittel des Gewichts eines herkömmlichen Motors aus. Um den Stator leichter zu machen, schlugen einige vor, ihn aus einer Leiterplatte herzustellen.

Obwohl die Idee, ein Stück Eisen durch eine leichte, ultradünne, einfach herzustellende und langlebige Leiterplatte zu ersetzen, von Anfang an attraktiv war, fand sie in ihren ersten Anwendungen in Rasengeräten und Windkraftanlagen keine große Verbreitung vor über einem Jahrzehnt. Jetzt erhält der PCB-Stator jedoch neues Leben. Erwarten Sie, dass dadurch Gewicht und damit Energie bei praktisch allem eingespart wird, bei dem Elektrizität zur Übertragung von Antriebskraft verwendet wird.

Die geschichteten Komponenten eines Axialflussmotors von Infinitum Electric sind hier in Explosionsdarstellung dargestellt.INFINITUM ELECTRIC

Diese Energieeinsparung ist von entscheidender Bedeutung: Software verschlingt zwar die Welt, aber Elektrizität ist in zunehmendem Maße das, was die Welt bewegt. Elektromotoren verbrauchen heute etwas mehr als die Hälfte des weltweiten Stroms. Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Imarc werden mittlerweile weltweit jährlich rund 800 Millionen Motoren verkauft, eine Zahl, die jedes Jahr um 10 Prozent steigt. Elektromotoren halten Einzug in Autos, Zügen und Flugzeugen sowie in Industrieanlagen und Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen. Transport, Bauwesen und Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sind zusammen für etwa 60 Prozent aller Treibhausgasemissionen in den USA verantwortlich. Effizientere Elektromotoren werden dazu beitragen, die Emissionen in diesen Sektoren zu senken.

Trotz der Vorteile des PCB-Stators wurde das Design aufgrund einiger Missverständnisse nur langsam angenommen.

Erstens herrschte die irrige Annahme, dass Leiterplatten nur für heikle Anwendungen geeignet seien. Doch im Jahr 2011 entwickelte CORE Outdoor Power einen Laubbläser und einen Unkrautschneider, die beide einen PCB-Stator verwendeten und dennoch robust und leise waren.

Zweitens bestand das Gefühl, dass PCB-Statoren nur für Maschinen mit geringer Leistung verwendet werden könnten. Doch 2012 baute Boulder Wind Power einen PCB-Stator in einen Direktantriebsgenerator mit 12 Metern Durchmesser für eine Windkraftanlage ein, die 3 Megawatt Leistung und etwas mehr als 2 Millionen Newtonmeter Drehmoment abgibt. Es handelte sich um einen der laufruhigsten Hochleistungsgeneratoren, die je gebaut wurden.

Keines der beiden Unternehmen konnte bestehen. Boulder Wind Power hatte keine Finanzierung mehr, bevor es kommerzielle Verträge abschließen konnte. CORE Outdoor Power konnte in einem überfüllten Markt, in dem es günstigere Optionen gab, nicht mithalten. Dennoch zeigten ihre Pionierleistungen die Machbarkeit von PCB-Statoren.

Axialflussmotoren passen problemlos auf die Achse eines Autos [oben] und den Lüfterantrieb einer HVAC-Anlage [unten]. INFINITUM ELECTRIC

Schneller Vorlauf bis heute. Mein Unternehmen, Infinitum Electric aus Austin, Texas, hat einen PCB-Statormotor entwickelt, der für eine Vielzahl von Zwecken geeignet ist. Unser Motor erzeugt so viel Strom wie ein herkömmlicher Wechselstrom-Induktionsmotor, ist aber nur halb so schwer und groß, macht nur einen Bruchteil des Lärms und stößt mindestens 25 Prozent weniger Kohlenstoff aus. Es findet jetzt Anwendung in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, im verarbeitenden Gewerbe, in der Schwerindustrie und in Elektrofahrzeugen. So funktioniert das.

Der Infinitum Electric Bei diesem Motor handelt es sich um einen sogenannten Axialflussmotor, bei dem die elektromagnetische Verkabelung des Stators parallel zu einem scheibenförmigen Rotor mit Permanentmagneten verläuft. Wenn Wechselstrom durchfließt, dreht sich der Rotor. Der Motor verfügt außerdem über einen Luftkern – das heißt, es gibt kein Eisen, das den magnetischen Fluss vermittelt, und zwischen den magnetischen Teilen des Motors befindet sich nichts außer dünner Luft. Wenn man all diese Dinge zusammenfügt, ist das Ergebnis ein Luftkern-Axialfluss-Permanentmagnetmotor.

In der Vergangenheit stießen Versuche, einen solchen Motor zu bauen, auf große praktische Hindernisse. Für den Bau des Stators war ein komplexer Herstellungsprozess erforderlich, die Kupferwicklungen waren sperrig und die Spulenträgerstruktur kompliziert. Dadurch war der Luftspalt so groß, dass nur eine beträchtliche Magnetmasse den notwendigen Magnetfluss erzeugen konnte.

Bei Infinitum Electric haben wir auf diese Kupferwicklungen verzichtet und stattdessen fotolithografische Techniken verwendet, um dünne Kupferbahnen zu ätzen, die mit Epoxidglaslaminat durchsetzt sind, das jede Spule von benachbarten Spulen isoliert. Durch den Wegfall des Eisenkerns und die Minimierung von Kupfer werden im Vergleich zu einem gleichwertigen herkömmlichen Eisenkernmotor 50 bis 65 Prozent des Gewichts und 50 bis 67 Prozent des Volumens des Motors eingespart. Und praktischerweise dehnen sich das Kupfer und das Laminat auf ähnliche Weise aus und ziehen sich zusammen, wenn die Temperatur steigt und fällt, wodurch Spannungen vermieden werden, die andernfalls die Komponenten langsam auseinanderziehen könnten.

Das Fehlen eines Statorkerns ermöglicht es uns, zwei identische Rotoren einander gegenüber auf beiden Seiten des Stators anzubringen, wobei jeder Rotor leistungsstarke Permanentmagnete trägt. Durch diese Anordnung entsteht ein konstanter magnetischer Fluss. Wie bei anderen Axialflussmotoren verläuft dieser Fluss parallel zur Drehachse und nicht radial. Da der magnetische Luftspalt schmal ist, benötigen wir nur einen kleinen Magneten, weshalb wir aus einer gegebenen Masse und einem gegebenen Volumen viel Kraft herausholen können.

Unser Motor erzeugt so viel Strom wie ein herkömmlicher Wechselstrom-Induktionsmotor, ist aber nur halb so schwer und groß, macht nur einen Bruchteil des Lärms und stößt mindestens 25 Prozent weniger Kohlenstoff aus.

Darüber hinaus werden Leiterplatten in einem automatisierten Prozess hergestellt, was bedeutet, dass sie viel gleichmäßiger und zuverlässiger sind als handgewickelte Maschinen. Wir haben sie noch zuverlässiger gemacht, indem wir ihre Topologie, die mit den Motorphasen zusammenhängt, vereinfacht haben.

Eine elektrische Phase ist eine Wechselspannung, die eine Sinuswelle bildet, die gegenüber der Spannung in einer anderen Phase zeitlich verschoben ist. Die verschiedenen Phasen sind so synchronisiert, dass die Summe der Ströme immer Null ist. Wenn ein mehrphasiges Spannungssystem an einen Motor angelegt wird, der für jede Phase eine eigene Wicklung hat, erzeugt die Zirkulation mehrerer Ströme ein Magnetfeld, das sich im Raum dreht. Die Wechselwirkung dieses rotierenden Feldes und des von den Rotormagneten erzeugten Feldes ist es, die den Rotor dreht.

Bisherige PCB-Statoren vermischten die Kupferleiterbahnen verschiedener Phasen in derselben Schicht, was zu Kurzschlüssen führen konnte. Stattdessen sorgen wir dafür, dass jede Schicht nur eine elektrische Phase trägt, und wir minimieren die Anzahl der Verbindungen zwischen den Schichten. Diese Anordnung sorgt für einen kontinuierlichen Strompfad und verringert das Risiko von Stromausfällen.

Ein weiterer Vorteil von Das neue Layout ist die Freiheit, die es Designern gibt, Spulen entweder in Reihe oder parallel zu schalten. Die Reihenschaltung der Spulen eignet sich für dreiphasige Industrieanwendungen und Elektrofahrzeuge der nächsten Generation. Eine Parallelschaltung ist für Niederspannungsanwendungen besser, beispielsweise in einem EV-Hilfsmotor.

Wie andere Permanentmagnetmotoren benötigt unser Axialflussmotor einen Antrieb mit variabler Frequenz, um den Motor sanft zu starten und auf die gewünschte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Der VFD steuert auch die Geschwindigkeit und das Drehmoment entsprechend den Anforderungen der Anwendung.

Ein kurzer Weg für den magnetischen Fluss wird ermöglicht, indem Rotoren [grau] mit Magneten [rot und blau] um einen dünn gedruckten Leiterplattenstator [grün] geschichtet werden.

Allerdings verleiht die Luftkernkonstruktion dem Motor eine außergewöhnlich niedrige Impedanz (normalerweise nur 5 bis 7 Prozent so viel wie bei einem herkömmlichen Eisenkernmotor), da Luft nicht so viel magnetische Energie enthalten kann wie Eisen. Es steht daher nur sehr wenig magnetische Energie zur Verfügung, um die Schwankungen der vom VFD an den Motor gelieferten Spannung auszugleichen. Um diesen Mangel zu beheben, haben wir ein weiteres Element hinzugefügt: einen integrierten Frequenzumrichter, der speziell auf den Betrieb mit einem Motor mit niedriger Impedanz abgestimmt ist. Unser VFD verwendet hocheffiziente Siliziumkarbid-MOSFETs, die Verluste reduzieren und zur Gesamtsystemeffizienz beitragen.

Das VFD überwacht auch die Leistung und die Ergebnisse können auf Wunsch des Benutzers über die Cloud gemeldet werden. Auch die Software des Motors kann auf diese Weise aktualisiert werden. Eine solche Fernüberwachung bietet vielfältige Möglichkeiten, Energie zu sparen, die Leistung zu verwalten und vorherzusagen, wann eine Wartung erforderlich sein könnte.

Die dünne Leiterplatte sorgt für ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was eine effizientere Kühlung ermöglicht und es uns ermöglicht, bei einer gegebenen Menge Kupfer zwei- bis dreimal so viel Strom zu leiten. Die Kühlung kann erfolgen, indem Luft über die Rippen an der Außenseite des Motors und über die Elektronikfächer geblasen wird.

Durch das Entfernen des Eisenkerns werden Verluste aufgrund der zyklischen Magnetisierung und Entmagnetisierung des Eisens vermieden und gleichzeitig energieverschwendende Wirbelströme im Metall vermieden. Unser Luftkernmotor kann daher bei Lasten von 25 Prozent bis 100 Prozent der Nennleistung mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten. Das Weglassen des Eisenkerns bedeutet auch, dass die Magnete auf den Rotoren beim Drehen des Rotors einer konstanten Reluktanz und einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt sind. Diese Anordnung eliminiert Wirbelstromverluste in den Magneten und Rotoren, die daher aus standardmäßigen, unlaminierten Stahlplatten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt werden können.

In einem typischen Bei einem Elektromotor bestehen sowohl Stator als auch Rotor aus ferromagnetischen Materialien. Sobald elektrische Ströme angelegt und rotierende Magnetfelder aufgebaut werden, erzeugen diese Felder zwei Kräfte: eine, die ein nützliches Drehmoment erzeugt und den Rotor in Drehung versetzt, und eine andere, die den Rotor radial zum Stator zieht. Diese Radialkraft hat keinen Nutzen und verstärkt Geräusche und Vibrationen, da die Schlitze im Stator – die zur Aufnahme der Kupferspulen erforderlich sind – Impulse erzeugen.

Dies geschieht aus folgendem Grund: Ein magnetischer Fluss erzeugt eine Kraft, die zunächst in die gleiche Richtung zeigt, in die sich der Rotor bewegt; Wenn sich der Rotor dreht, ändert sich dann die Ausrichtung der Rotorpole im Verhältnis zu den Statorschlitzen, bis die Kraft in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Diese Wechselkraft erzeugt Drehmomentschwankungen, die zu Metallermüdung im Motor und in den von ihm angetriebenen Maschinen führen können.

Im Infinitum-Motor gibt es jedoch keine solche magnetische Wechselkraft. Dieser Vorteil und andere Effizienzvorteile sind der Grund dafür, dass der Geräuschpegel im Durchschnitt etwa 5 Dezibel niedriger ist als bei herkömmlichen Motoren. Das scheint zwar keine große Reduzierung zu sein, aber diese Komponente des Motorgeräuschs liegt tendenziell in einer besonders störenden Tonhöhe.

Das Motordesign basiert auf einer Leiterplatte [oben], deren dünne Bauweise ein wesentlich kompakteres Gehäuse ermöglicht als ein gleichwertiger Motor mit herkömmlichem Eisenkern [unten].INFINITUM ELECTRIC

Durch die Kombination der Leichtigkeit eines Luftkernmotors mit der hohen Drehmomentdichte einer Axialflussmaschine eignet sich der Infinitum-Motor gut für Gebäudelüftungs- und HVAC-Systeme. Das ist besonders nützlich, da die Reinigung der Raumluft aufgrund der Pandemie Priorität hat. Wärmepumpen, die in einem System heizen und kühlen, sind eine weitere Anwendung, bei der der Motor Energie sparen, die Installation vereinfachen und den Lärm reduzieren kann. Laut aktuellen Tests der US-amerikanischen General Services Administration und des US-Energieministeriums könnten Infinitum-Elektromotoren jährlich bis zu 8 Millionen US-Dollar einsparen, wenn sie in den HVAC-Anlagen der GSA eingesetzt würden.

Elektrofahrzeuge sind ein weiterer großer Markt für diesen neuen Motor. Nach Angaben der US Energy Information Administration werden Elektrofahrzeuge bis 2050 voraussichtlich 31 Prozent der weltweiten Fahrzeugflotte ausmachen.

Unser Unternehmen arbeitet mit einem führenden Automobilzulieferer an der Entwicklung eines ölgekühlten Motors für ein Langstrecken-Hybridfahrzeug. Die Ölkühlung funktioniert bei unserem Design wesentlich effizienter als bei einem herkömmlichen Motor, da das Kühlmittel problemlos auf die gesamte Oberfläche der Leiterplatte aufgetragen werden kann. Mit der Ölkühlung haben wir die Leistungsdichte im Vergleich zu unserem eigenen luftgekühlten Motor verdreifacht und die Leistungsdichte in den Bereich von 8 Kilowatt/Kilogramm bis 12 kW/kg gebracht. Damit eignet sich die ölgekühlte Variante für den Einsatz in der elektrischen Luftfahrt, einem weiteren vielversprechenden Markt.

Wir arbeiten auch mit Unternehmen zusammen, die sich auf den Materialtransport spezialisiert haben, beispielsweise Gabelstapler, Fördersysteme und Mischgeräte für die Herstellung von Lebensmitteln und Getränken. Caterpillar Venture Capital hat in Infinitum Electric investiert, um eine neue Reihe von Lichtmaschinen zu entwickeln, die ein Drittel der Größe und des Gewichts bestehender Modelle haben und außerdem leiser und effizienter sind. Der Markt für Lichtmaschinen wird auf 17 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt, Tendenz steigend.

Wir schätzen, dass, wenn jeder Motor auf der Welt durch einen Infinitum-Elektromotor ersetzt würde, die CO2-Emissionen um 860 Millionen Tonnen pro Jahr reduziert würden. Das entspricht der Reduzierung der Emissionen von 200 Millionen Autos pro Jahr. Da Motoren allgegenwärtig werden, können selbst kleine Effizienzsteigerungen einen großen Unterschied für unseren Planeten heute und im nächsten Jahrhundert bewirken.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom April 2022 mit dem Titel „Dieser Axialflussmotor mit PCB-Stator ist reif für eine elektrifizierte Welt.“