この軸

重量、エネルギー、スペースを節約します

の心すべての電気モーターは、ステーターと呼ばれる固定部品の周りを回転するローターで構成されています。 ステーターは伝統的に鉄で作られており、重くなる傾向があります。 固定子鉄は従来のモーターの重量の約 3 分の 2 を占めます。 ステーターを軽量化するために、ステーターをプリント基板で作ることを提案する人もいます。

鉄の塊を軽量、極薄、製造が容易で耐久性の高い PCB に置き換えるというアイデアは当初から魅力的でしたが、芝生設備や風力タービン内の初期の用途では広く採用されませんでした。十年以上前。 しかし今、PCB ステーターは新たな寿命を迎えています。 動力を与えるために電気を使用するほぼすべてのものの重量が節約され、エネルギーも節約されることが期待されます。

ここでは、Infinitum Electric アキシャル磁束モーターの層状コンポーネントを分解図で示しています。INFINITUM ELECTRIC

このエネルギーの節約は非常に重要です。ソフトウェアが世界を蝕んでいるかもしれませんが、世界を動かすのは電気であることがますます増えています。 現在、電気モーターは世界の電力の半分強を消費しています。 市場調査グループのイマークによると、現在世界中で年間約 8 億個のモーターが販売されており、その数は毎年 10% ずつ増加しています。 電気モーターは、自動車、電車、航空機だけでなく、産業用機器や暖房、換気、空調システムにも本格的に浸透しています。 輸送、建設、空調設備を合わせると、米国の温室効果ガス排出量全体の約 60 パーセントを占めます。 より効率的な電気モーターは、これらの分野での排出削減に役立ちます。

PCB ステーターの利点にもかかわらず、いくつかの誤解があったため、人々はこの設計をなかなか受け入れませんでした。

まず、PCB はデリケートな用途にのみ適しているという誤った信念がありました。 しかし、2011 年に CORE Outdoor Power はリーフ ブロワーと雑草トリマーを開発しました。どちらも PCB ステータを使用していながら、頑丈で静かな製品でした。

第二に、PCB ステーターは低電力マシンにしか使用できないという感覚がありました。 しかし、2012 年にボルダー風力発電社は、3 メガワットの電力と 200 万ニュートン メートル強のトルクを出力する風力タービン用の直径 12 メートルの直接駆動発電機に PCB ステーターを搭載しました。 これは、これまでに製造された中で最もスムーズに動作する高出力発電機の 1 つでした。

どちらの会社も耐えられませんでした。 ボルダー風力発電は商業契約を確保する前に資金を使い果たしてしまいました。 CORE Outdoor Power は、より安価な選択肢がある混雑した市場では競争できませんでした。 それでも、彼らの先駆的な成果は、PCB ステーターの実現可能性を実証しました。

軸磁束モーターは、車の車軸 [上] や HVAC システムのファン ドライブ [下] に簡単に取り付けられます。 INFINITUM ELECTRIC

今日まで早送りしてみましょう。 私の会社、テキサス州オースティンの Infinitum Electric は、さまざまな目的に適合する PCB ステーター モーターを開発しました。 当社のモーターは、従来の交流誘導モーターと同程度の電力を生成しますが、重量とサイズが半分で、騒音もわずかで、二酸化炭素排出量が少なくとも 25% 削減されます。 現在、HVAC、製造、重工業、電気自動車での用途が見つかっています。 仕組みは次のとおりです。

インフィニタム・エレクトリックこのモーターはアキシャル磁束モーターとして知られており、ステーターの電磁配線が永久磁石を含むディスク状のローターと平行に立つ設計です。 交流電流が流れるとローターが回転します。 モーターには空芯もあります。つまり、磁束を媒介する鉄はなく、モーターの磁性部品の間には薄い空気しかありません。 これらすべてを組み合わせると、空芯アキシャル磁束永久磁石モーターが完成します。

過去に、そのようなモーターを構築しようとする試みは、深刻な実用上の障害に直面していました。 ステーターを構築するには複雑な製造プロセスが必要で、銅巻線はかさばり、コイルサポート構造は複雑でした。 その結果、空隙が非常に広かったため、相当な磁石の質量のみが必要な磁束を生成できました。

Infinitum Electric では、これらの銅巻線を廃止し、代わりにフォトリソグラフィ技術を使用して、エポキシとガラスのラミネートを挟んだ薄い銅トレースをエッチングし、各コイルを隣接するコイルから絶縁しました。 鉄心を排除し、銅を最小限に抑えることで、同等の従来の鉄心モーターと比較して、モーターの重量を 50 ～ 65 パーセント、体積を 50 ～ 67 パーセント節約します。 そして都合の良いことに、銅と積層板は温度の上昇と下降に応じて同様に膨張および収縮し、コンポーネントをゆっくりと引き離す可能性のある応力を回避します。

ステーターコアがないため、2 つの同一のローターをステーターの両側に向かい合わせに配置することができ、各ローターには強力な永久磁石が搭載されています。 この配置により、一定の磁束が生成されます。 他のアキシャル磁束モーターと同様、その磁束は半径方向ではなく回転軸に平行です。 磁気空隙が狭いため、小さな磁石しか必要とせず、そのため所定の質量と体積から多くの電力を絞り出すことができます。

当社のモーターは、従来の AC 誘導モーターと同程度の電力を生成しますが、重量とサイズが半分で、騒音もわずかで、二酸化炭素排出量が少なくとも 25% 削減されます。

さらに、PCB は自動プロセスで製造されるため、手巻き機械よりもはるかに均一で信頼性が高くなります。 モーターの位相に関係するトポロジーを簡素化することで、信頼性をさらに高めました。

電気相は、別の相の電圧に対して時間的にシフトした正弦波を形成する交流電圧です。 電流の合計が常にゼロになるように、さまざまな位相が同期されます。 多相電圧システムが各相ごとに個別の巻線を持つモーターに適用されると、いくつかの電流の循環によって空間内で回転する磁界が生成されます。 この回転磁界とローターの磁石によって生成される磁界の相互作用がローターを回転させます。

以前の PCB ステータでは、異なる相の銅配線が同じ層内に混在していたため、短絡の可能性が生じていました。 代わりに、各層に電気位相を 1 つだけ伝送させ、層間の接続の数を最小限に抑えます。 この配置により、電流に連続した経路が提供され、電気的故障のリスクが軽減されます。

もう一つの利点新しいレイアウトにより、設計者はコイルを直列または並列に接続できる自由が得られます。 コイルを直列に接続することは、三相産業用アプリケーションや次世代電気自動車に適しています。 並列接続は、EV 補助モーターなどの低電圧アプリケーションに適しています。

他の永久磁石モーターと同様に、当社のアキシャル磁束モーターは、モーターをスムーズに起動し、目的の速度まで加速するために可変周波数ドライブを必要とします。 VFD は、アプリケーションの要求に応じて速度とトルクも制御します。

磁束の短い経路は、薄いプリント基板のステーター [緑色] の周りに磁石 [赤と青色] を備えたローター [灰色] を挟むことによって可能になります。

ただし、空気は鉄ほど多くの磁気エネルギーを含むことができないため、空芯設計ではモーターのインピーダンスが非常に低くなります (通常、従来の鉄芯モーターのわずか 5 ～ 7%)。 したがって、VFD によってモーターに供給される電圧の変動を平滑化するために利用できる磁気エネルギーはほとんどありません。 この欠点を解決するために、私たちは別の要素を追加しました。それは、低インピーダンスのモーターで動作するように微調整された統合可変周波数ドライブです。 当社の VFD は高効率の炭化ケイ素 MOSFET を使用しており、損失を削減し、システム全体の効率に貢献します。

VFD はパフォーマンスも監視し、ユーザーの希望に応じて結果をクラウド経由でレポートすることもできます。 モーターのソフトウェアもこの方法で更新できます。 このようなリモート監視は、エネルギーを節約し、パフォーマンスを管理し、メンテナンスが必要になる時期を予測するためのさまざまな方法を提供します。

PCB の薄さにより表面積対体積比が高くなり、冷却効率が向上し、一定量の銅に対して 2 ～ 3 倍の電流を流すことができます。 冷却は、モーターの外側のフィンと電子コンパートメント全体に空気を吹き付けることによって行うことができます。

鉄心を取り除くと、鉄の周期的な磁化と減磁による損失がなくなり、エネルギーを浪費する金属内の渦電流も回避されます。 したがって、当社の空芯モーターは、定格電力の 25% ～ 100% の範囲の負荷にわたって高効率で動作できます。 鉄心を省略するということは、ローターの回転時にローター上の磁石が一定の磁気抵抗と一定の磁場に直面することも意味します。 この配置により、磁石とローターの渦電流損失が排除されるため、標準の積層されていない低炭素鋼板で作ることができます。

典型的な場合電気モーターでは、ステーターとローターの両方が強磁性材料でできています。 電流が印加され、回転磁界が確立されると、これらの磁界は 2 つの力を生成します。1 つは有用なトルクを生成してローターを回転させる力、もう 1 つはローターをステーターに向かって半径方向に引っ張る力です。 この半径方向の力は何の役にも立たないだけでなく、銅コイルを収容するために必要なステーターのスロットがパルスを生成するため、騒音や振動が悪化します。

その理由は次のとおりです。磁束は、最初はローターが動いている方向と同じ方向を指す力を生成します。 次に、ローターが回転すると、力が反対方向を向くまで、ローターの磁極の配置がステーターのスロットに対して変化します。 この交流の力によりトルクリップルが発生し、モーターやモーターが駆動する機械に金属疲労を引き起こす可能性があります。

しかし、Infinitum モーターにはそのような交流磁力はありません。 この利点と他の効率により、従来のモーターよりも騒音が平均約 5 デシベル低くなります。 あまり低減されているようには思えないかもしれませんが、モーターノイズのこの成分は特に不快な音程になる傾向があります。

モーター設計はプリント基板 [上] に基づいており、その薄さにより、従来の鉄心をベースにした同等のモーター [下] よりもはるかにコンパクトなパッケージが可能になります。 INFINITUM ELECTRIC

空芯モーターの軽さと軸磁束機械の高トルク密度を組み合わせることで、Infinitum モーターは建物の換気および HVAC システムに最適です。 パンデミックにより室内の空気の浄化が優先されている現在、これは特に便利です。 1 つのシステムで加熱と冷却を行うヒート ポンプは、モーターがエネルギーを節約し、設置を容易にし、騒音を低減できるもう 1 つの用途です。 米国一般調達局と米国エネルギー省が実施した最近のテストによると、Infinitum Electric モーターを GSA の HVAC プラントに導入した場合、年間最大 800 万米ドルを節約できる可能性があります。

電気自動車は、この新しいモーターのもう 1 つの大きな市場です。 米国エネルギー情報局によると、EVは2050年までに世界の車両の31％を占めると予測されている。

当社は大手自動車サプライヤーと協力して、長距離ハイブリッド車用の油冷モーターを開発しています。 当社の設計では、冷却液を PCB の表面全体に容易に塗布できるため、オイル冷却は従来のモーターよりもはるかに効率的に機能します。 油冷により、当社独自の空冷モーターに比べて出力密度が 3 倍向上し、出力密度は 8 kW/kg ～ 12 kW/kg の範囲になります。 そのため、油冷バージョンは、もう一つの有望な市場である電気航空機での使用に適しています。

また、フォークリフト、コンベアシステム、食品や飲料の製造に使用される混合装置などのマテリアルハンドリングを専門とする企業とも提携しています。 Caterpillar Venture Capital は、既存モデルのサイズと重量の 3 分の 1 で、より静かで効率的なオルタネーターの新しい製品ラインを開発するために、Infinitum Electric に投資しました。 オルタネーター市場は年間 170 億ドルと推定されており、成長を続けています。

私たちは、世界中のすべてのモーターが Infinitum Electric モーターに置き換えられた場合、二酸化炭素排出量を年間 8 億 6,000 万トン削減できると推定しています。 これは、年間 2 億台の自動車からの排出ガスを削減するのに相当します。 モーターが至る所に普及するにつれて、効率の小さな改善でも、今日および次の世紀にわたって地球に大きな変化をもたらす力を持っています。

この記事は、2022 年 4 月の印刷号に「PCB ステーターを備えたアキシャル磁束モーターは電化世界に向けて熟しています」として掲載されます。