Axialfluss- oder Radialflussmotoren: Wann ist ein Scheibenmotor besser geeignet?

Die meisten industriellen Elektromotoren verwenden eine Radialflusskonstruktion.

Es handelt sich um eine ausgereifte, weit verbreitete Struktur, die in Pumpen, Ventilatoren, Förderbändern, Kompressoren und unzähligen anderen Maschinen gut funktioniert.

Einen anderen Ansatz verfolgen Axialflussmotoren.

Anstatt das Magnetfeld hauptsächlich über den Radius eines zylindrischen Motors anzuordnen, lenkt ein Axialflussmotor den magnetischen Fluss entlang der Wellenachse. Dadurch entsteht die bekannte flache, scheibenförmige Bauweise, weshalb Axialflussmotoren umgangssprachlich auch Scheibenmotoren genannt werden.

Die unterschiedliche Geometrie kann nützliche Vorteile bringen, bedeutet aber nicht, dass ein Axialflussmotor automatisch für jede Maschine die richtige Wahl ist.

Die eigentliche Frage ist: Was benötigt die Anwendung vom Motor?

Was ist der Hauptunterschied zwischen axialem und radialem Fluss?

Der einfachste Unterschied ist die Form.

Ein herkömmlicher Radialflussmotor hat im Allgemeinen einen längeren zylindrischen Körper. Der Rotor dreht sich innerhalb oder um einen Stator und der Magnetfluss verläuft hauptsächlich in radialer Richtung.

Ein Axialflussmotor ist typischerweise breiter und kürzer.

Seine aktiven Magnetflächen liegen sich über einen axialen Luftspalt gegenüber, wodurch ein Drehmoment über einen relativ großen Wirkradius erzeugt werden kann.

Diese Geometrie verändert die Bauraumnutzung des Motors.

Eine Maschine mit viel axialem Spielraum hat möglicherweise keinen Grund, von einem herkömmlichen Radialmotor abzuweichen.

Wenn die axiale Länge jedoch begrenzt ist, kann ein scheibenförmiger Motor eine andere Verpackungsoption eröffnen.

Warum der Motordurchmesser für das Drehmoment wichtig ist

Das Drehmoment wird nicht allein durch die Motorleistung bestimmt.

Auch der Radius, in dem die elektromagnetische Kraft wirkt, spielt eine Rolle.

Axialflussmotoren können einen relativ großen aktiven Durchmesser verwenden und gleichzeitig den Motor in axialer Richtung kurz halten. Dies kann die Architektur für Anwendungen attraktiv machen, die ein erhebliches Drehmoment ohne einen langen Motorkörper benötigen.

Das bedeutet nicht, dass jeder Axialflussmotor automatisch mehr Drehmoment erzeugt als jeder Radialmotor.

Motordurchmesser, magnetische Belastung, Wicklungsdesign, Kühlung und Geschwindigkeit beeinflussen alle das Endergebnis.

Doch die Geometrie bietet Konstrukteuren eine weitere Möglichkeit, Drehmoment und Bauraum in Einklang zu bringen.

Dies ist besonders relevant bei Anwendungen mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment.

Wo ein Betrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment nützlich wird

Viele Industriesysteme verwenden einen Hochgeschwindigkeitsmotor zusammen mit einem Getriebe oder einer anderen mechanischen Untersetzungsstufe.

Das Getriebe wandelt die Motordrehzahl in eine niedrigere Ausgangsdrehzahl und ein höheres Ausgangsdrehmoment um.

In einigen Anwendungen kann ein Axialfluss-Permanentmagnetmotor so ausgelegt werden, dass er näher an der erforderlichen Maschinengeschwindigkeit arbeitet.

Dies kann den Umfang der erforderlichen mechanischen Untersetzung reduzieren oder in manchen Fällen eine Direktantriebsanordnung unterstützen.

Die aktuelle Axialfluss- und Permanentmagnet-Produktfamilie von Jiangnan Electric umfasst mehrere Beispiele für diese Art von Betriebspunkt.

Der JNPM520-30 hat eine Nennleistung von 30 kW und 245 U/min mit einem Nenndrehmoment von 1.169 N·m, während der JNPM520-45 eine Nennleistung von 45 kW und 245 U/min mit einem Nenndrehmoment von 1.754 N·m hat. Zur gleichen Produktfamilie gehören auch schnellere Modelle wie der JNPM275-7,5 mit 7,5 kW bei 1.450 U/min und der JNPM275-15 mit 15 kW bei 3.000 U/min.

Dieser Bereich verdeutlicht einen wichtigen Punkt: Die Axialflusstechnologie ist nicht auf einen Geschwindigkeitsbereich oder eine Anwendung beschränkt.

Der Motor muss noch auf die tatsächlichen Drehmoment-Drehzahl-Anforderungen ausgelegt werden.

Ein echtes Beispiel für Direktantrieb: Strahlpumpenausrüstung

Eine der praktischen Anwendungen von Jiangnan Electric ist der Permanentmagnet-Scheibenmotor JNPM520-45, der in einem Strahlpumpen-Antriebssystem verwendet wird.

Die dokumentierte Konfiguration ist:

• Nennleistung: 45 kW;
• Nenndrehzahl: 245 U/min;
• Nenndrehmoment: 1.754 N·m;
• Versorgungsspannung: 380 V;
• Schutzstufe: IP55;
• Kühlung: natürliche Kühlung;
• Montage: horizontal;
• Wellenanordnung: Hohlwelle mit Passfeder.

Die niedrige Betriebsgeschwindigkeit und das hohe Drehmoment ermöglichen eine andere Integration des Motors als ein herkömmlicher Hochgeschwindigkeits-Industriemotor.

Bei dieser Art von Anwendung liegt der Wert der Scheibenmotor-Architektur nicht nur darin, dass der Motor „fortschrittlicher“ ist.

Der praktische Nutzen ergibt sich aus der Abstimmung der Motorstruktur auf den Antriebsstrang.

In der Produktdokumentation wird ausdrücklich beschrieben, dass die Scheibenstruktur eine kurze axiale Abmessung aufweist und für Installationen geeignet ist, bei denen der axiale Platz begrenzt ist, einschließlich der direkten Verbindung mit der Übertragungsausrüstung der Pumpeneinheit.

Durch die kompakte axiale Länge kann sich das Maschinenlayout ändern

Maschinenkonstrukteure konzentrieren sich häufig zuerst auf Motorleistung und Drehmoment.

Manchmal wird die physische Verpackung erst später zum Problem.

Ein Axialflussmotor kann nützlich sein, wenn der verfügbare Raum einen relativ großen Durchmesser hat, aber entlang der Wellenrichtung begrenzt ist.

Typische Beispiele können sein:

• kompakte industrielle Antriebsmodule;
• Maschinen mit Direktantrieb;
• Nachrüstung von Geräten;
• mobile Ausrüstung;
• Maschinen mit begrenzter Antriebsstranglänge.

Jiangnans aktuelle Scheibenmotorbroschüre umfasst eine 7,5-kW-Industriekonfiguration mit 1.450 U/min sowie 30-kW- und 45-kW-Ölfeldkonfigurationen mit niedriger Drehzahl. In der Broschüre wird die kurze axiale Form ausdrücklich als nützlich für kompakte Geräteanordnungen positioniert.

Der wichtige Punkt ist nicht, dass ein Axialmotor immer kleiner ist.

Seine Proportionen sind einfach unterschiedlich.

Ein breiterer, flacherer Motor kann Verpackungsprobleme lösen, die ein langer zylindrischer Motor nicht lösen kann.

Wie sieht es mit der Effizienz aus?

Permanentmagnet-Axialflussmotoren können für einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt werden.

Ihr kurzer magnetischer Weg und die Erregung durch Permanentmagnete können bestimmte Verluste im Vergleich zu einigen herkömmlichen Motorstrukturen reduzieren.

Allerdings sollte die Effizienzbewertung immer anhand der tatsächlichen Motordaten und des Betriebspunkts erfolgen.

Motorwirkungsgrad ändert sich mit:

• Geschwindigkeit;
• laden;
• gewundenes Design;
• magnetische Materialien;
• Kühlung;
• Laufwerkseinstellungen.

Für einen industriellen Käufer lautet die nützliche Frage nicht: „Sind Axialflussmotoren effizienter?“

Eine bessere Frage wäre: „Welche Effizienz erreicht dieser Motor bei der Geschwindigkeit und Last, mit der meine Maschine normalerweise arbeitet?“

Diese Unterscheidung ist wichtig, da viele Maschinen die meiste Zeit ihrer Betriebszeit nicht genau bei 100 % Nennlast verbringen.

Jiangnans eigene Scheibenmotorentwicklung verwendet Permanentmagnete zusammen mit einer Axialflussstruktur und nanokristallinen weichmagnetischen Materialien in ausgewählten Designs. In den Unterlagen des Unternehmens wird das Ziel als Reduzierung der Magnet- und Wicklungsverluste bei gleichzeitiger Beibehaltung einer kompakten Struktur beschrieben.

Für ein reales Projekt sollte die Effizienz jedoch anhand des spezifischen Motormodells bestätigt werden, anstatt einen Prozentsatz auf die gesamte Produktfamilie anzuwenden.

Macht ein Axialflussmotor immer das Getriebe überflüssig?

NEIN.

Dies ist ein weiterer Punkt, der oft zu stark vereinfacht wird.

Ein Axialflussmotor kann für den Betrieb bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment ausgelegt werden, was bei einigen Maschinen einen Direktantrieb ermöglichen kann.

Der Wegfall des Getriebes hängt jedoch von den Anforderungen ab:

• Ausgangsgeschwindigkeit;
• Dauerdrehmoment;
• Spitzendrehmoment;
• Maschinenträgheit;
• Startbedingungen;
• verfügbarer Installationsraum;
• Antriebssteuerungsstrategie.

Wenn die Maschine einen ganz anderen Drehzahlbereich oder ein anderes Übersetzungsverhältnis benötigt, kann ein Getriebe immer noch die bessere Lösung sein.

Der Direktantrieb ist eine Anwendungsentscheidung und keine automatische Funktion jedes Scheibenmotors.

Das thermische Design ist immer noch wichtig

Ein kurzer Motorkörper macht eine ordnungsgemäße Kühlung nicht überflüssig.

Ein hohes Drehmoment bedeutet eine hohe elektromagnetische Belastung und die erzeugte Wärme muss den Motor dennoch verlassen.

Axialflusskonstruktionen können von ihrer großen Oberfläche profitieren, die tatsächliche Wärmeleistung hängt jedoch von der inneren Struktur und der Kühlmethode ab.

Verschiedene industrielle Anwendungen können natürliche Kühlung, Zwangsluftkühlung oder Flüssigkeitskühlung nutzen.

Die aktuelle Produktpalette von Jiangnan umfasst verschiedene Kühlanordnungen für Axialfluss- und Permanentmagnetmotoranwendungen und nicht eine Kühlmethode für jede Leistungsstufe.

Bei OEM-Projekten müssen daher neben der Nennleistung auch der Arbeitszyklus und die Installationsumgebung berücksichtigt werden.

Der axiale Fluss ist nicht automatisch besser als der radiale Fluss

Für sehr viele Maschinen bleiben Radialflussmotoren die richtige Lösung.

Sie verfügen über ausgereifte Herstellungsprozesse, etablierte Rahmenstandards, eine breite Lieferantenverfügbarkeit und gut verstandene Installationspraktiken.

Wenn ein Standard-Radialmotor bereits die Anforderungen der Maschine an Größe, Effizienz, Drehmoment, Kosten und Zuverlässigkeit erfüllt, kann eine Änderung der Motorarchitektur zu unnötigem Entwicklungsaufwand führen.

Der axiale Fluss wird interessanter, wenn die Anwendung einen bestimmten Grund für seine Verwendung hat.

Typische Gründe sind:

• eingeschränkter axialer Einbauraum;
• Betrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment;
• Interesse am Direktantrieb;
• hoher Drehmomentbedarf in einem kompakten Paket;
• Gewichts- oder Verpackungsbeschränkungen;
• die Notwendigkeit, den Antriebsstrang neu zu konstruieren, anstatt einfach einen vorhandenen Standardmotor zu ersetzen.

Deshalb sollte die Maschine an erster Stelle stehen.

Was sollte ein OEM vor der Auswahl eines Axialflussmotors bereitstellen?

Eine Anfrage wie „Wir brauchen einen 30-kW-Axialflussmotor“ ist ein nützlicher Ausgangspunkt, reicht aber für die endgültige Auswahl nicht aus.

Für ein Industrieprojekt sind die folgenden Informationen nützlicher:

• Nennleistung;
• Nenngeschwindigkeit;
• Dauerdrehmoment;
• erforderliches Spitzendrehmoment;
• Stromspannung;
• Betriebsgeschwindigkeitsbereich;
• Arbeitszyklus;
• Belastungseigenschaften;
• Schaftabmessungen;
• Montagemethode;
• maximal verfügbarer Motordurchmesser;
• maximal zulässige axiale Länge;
• Kühlbedingungen;
• Umgebungstemperatur;
• Schutzbedarf;
• Antriebs- oder Wechselrichterinformationen.

Bei einer vorhandenen Maschine können Fotos, ein Motortypenschild und eine mechanische Zeichnung den Auswahlprozess erheblich verkürzen.

Bei einem Direktantriebsumbau sind außerdem Informationen über das vorhandene Getriebe und die endgültige Abtriebsdrehzahl wichtig.

Jiangnan Electric Axialflussmotoroptionen

Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. bietet derzeit Axialfluss-Elektromotoren, konventionelle PMSMs und andere Permanentmagnet-Motorplattformen für industrielle Anwendungen an.

Die aktuelle JNPM-Familie deckt sowohl Betriebspunkte bei niedriger Drehzahl als auch bei hohem Drehmoment und höherer Drehzahl ab. Beispiele hierfür sind:

Der Motor sollte dennoch anhand des tatsächlichen Maschinenbedarfs und nicht nur anhand der Leistung ausgewählt werden.

Bei OEM-Entwicklungs- und Nachrüstprojekten kann Jiangnan Electric die Geschwindigkeit, das Drehmoment, den Installationsbereich, das Antriebssystem und die mechanische Schnittstelle des Kunden überprüfen, bevor er eine geeignete Konfiguration empfiehlt.

Wählen Sie die Motorarchitektur rund um die Maschine

Der Hauptunterschied zwischen Axialfluss- und Radialflussmotoren liegt nicht nur in der Form.

Die unterschiedliche elektromagnetische Geometrie verändert die Art und Weise, wie der Motor verpackt werden kann und wie innerhalb dieses Pakets ein Drehmoment entwickelt werden kann.

Für eine herkömmliche Maschine mit Standardmontage und viel Einbauraum dürfte ein Radialflussmotor die praktischste Wahl bleiben.

Für eine Maschine, bei der es auf die axiale Länge, das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen oder die Vereinfachung des Antriebsstrangs ankommt, kann ein Axialflussmotor eine nützliche Alternative darstellen.

Die beste Entscheidung beginnt bei der Maschine: erforderliches Drehmoment → erforderliche Drehzahl → verfügbarer Platz → Antriebsstrang → Arbeitszyklus → Kühlung → Motorarchitektur.

Sobald diese Bedingungen geklärt sind, wird es viel einfacher zu entscheiden, ob ein Scheibenbremsenmotor wirklich nützlich oder einfach anders ist.

Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. | www.jnelectricmotor.com

Haftungsausschluss

Die Informationen in diesem Artikel dienen nur als allgemeine Referenz. Produktspezifikationen, Leistung, Konfigurationsmöglichkeiten und Eignung müssen im Detail für die vorgesehene Anwendung und die tatsächlichen Betriebsbedingungen bewertet werden. Bevor Sie ein Produkt auswählen, kaufen oder verwenden, bestätigen Sie bitte die relevanten Details mit Jiangnan Electric und sehen Sie sich die entsprechende technische Dokumentation und die vereinbarten Spezifikationen an. Dieser Artikel ersetzt keine produktspezifischen Anweisungen oder eine professionelle technische Beurteilung.