Lekker licht: een axiale-fluxmotor met een stator van een printplaat (I)

Het idee om een ​​stuk ijzer te vervangen door een lichtgewicht, ultradunne, gemakkelijk te maken, duurzame printplaat is natuurlijk aantrekkelijk. Toch kreeg het geen brede acceptatie in zijn eerste toepassingen in gazonapparatuur en windturbines, iets meer dan een decennium geleden. Nu krijgt de PCB-stator echter een nieuwe kans. Hij bespaart gewicht en dus energie in zowat alles wat elektriciteit gebruikt om aandrijfkracht te genereren.

Het eerdere falen van de PCB-stator, komt volgens IEEE Spectrum door een paar misvattingen:

Ten eerste dacht men dat PCB’s alleen goed waren voor delicate toepassingen. Maar in 2011 ontwikkelde Core Outdoor Power een bladblazer en een onkruidtrimmer, die beide een PCB-stator gebruikten en toch robuust en stil waren.

Ten tweede was er het gevoel dat PCB-stators alleen konden worden gebruikt voor machines met een laag vermogen. Maar in 2012 plaatste Boulder Wind Power een PCB-stator in een direct aangedreven generator met een diameter van 12 meter voor een windturbine met een vermogen van 3 megawatt en een koppel van iets meer dan 2 miljoen newtonmeter. Het was een van de soepelst lopende krachtige generatoren ooit gebouwd.

Geen van beide bedrijven hield stand. Boulder Wind Power had geen financiering meer voordat het commerciële contracten kon afsluiten. Core Outdoor Power kon niet concurreren op een drukke markt waar goedkopere opties waren. Toch toonden hun baanbrekende prestaties de haalbaarheid van PCB-stators aan.

Axiaal-fluxmotoren passen gemakkelijk op de as van een auto [boven] en de ventilatoraandrijving van een HVAC-systeem [onder]. Foto’s: Infinitum Electric

Tegenwoordig heeft Infinitum Electric (Austin, VS) een PCB-statormotor die geschikt is voor verschillende doeleinden. Hij genereert evenveel vermogen als een traditionele inductiemotor met wisselstroom, maar weegt en meet de helft, maakt een fractie van het geluid en stoot volgens de makers 25 procent minder CO₂ uit. Hij vindt toepassingen in HVAC, productie, zware industrie en elektrische voertuigen, en werkt als volgt:

De Infinitum-elektromotor is een axiale-fluxmotor, een ontwerp waarbij de elektromagnetische bedrading van de stator parallel staat aan een schijfvormige rotor die permanente magneten bevat. Wanneer er wisselstroom doorheen stroomt, gaat de rotor draaien. De motor heeft een luchtkern, wat wil zeggen dat er geen ijzer is om de magnetische flux te bemiddelen en niets tussen de magnetische onderdelen van de motor dan dunne lucht. Bij elkaar is het resultaat een permanente magneetmotor met axiale flux en luchtkern.

In het verleden stuitten pogingen om zo’n motor te bouwen op ernstige praktische obstakels. Er was een complex productieproces nodig om de stator te bouwen, de koperen wikkelingen waren omvangrijk en de draagstructuur van de spoel was ingewikkeld. Als gevolg hiervan was de luchtspleet zo breed dat alleen een substantiële magneetmassa de benodigde magnetische flux kon creëren.

Geëtste kopersporen

Infinitum Electric maakte een einde aan de koperen wikkelingen en gebruikte in plaats daarvan fotolithografische technieken om dunne kopersporen te etsen, verweven met epoxy-glaslaminaat, dat elke spoel isoleert van aangrenzende spoelen. Het elimineren van de ijzeren kern en het minimaliseren van koper besparen samen 50 tot 65 procent van het gewicht en 50 tot 67 procent van het volume van de motor, in vergelijking met een gelijkwaardige conventionele motor met ijzeren kern. En het koper en het laminaat zetten uit en krimpen op dezelfde manier als de temperatuur stijgt en daalt, waardoor spanning wordt vermeden die anders de componenten langzaam uit elkaar zou trekken.

De afwezigheid van een statorkern stelt het bedrijf in staat om twee identieke rotors tegenover elkaar te plaatsen aan weerszijden van de stator, waarbij elke rotor krachtige permanente magneten draagt. Deze opstelling creëert een constante magnetische flux. Net als bij andere axiale fluxmotoren is die flux evenwijdig aan de rotatieas in plaats van radiaal. Omdat de magnetische luchtspleet smal is, hebben ze maar een kleine magneet nodig en daarom kunnen ze veel kracht uit een bepaalde massa en volume persen.  

Bovendien worden PCB’s gefabriceerd in een geautomatiseerd proces, wat betekent dat ze veel uniformer en betrouwbaarder zijn dan handgewonden machines. Infinitum heeft bovendien hun topologie, die te maken heeft met de fasen van de motor, vereenvoudigd. 

Dit is het eerste deel van dit artikel. Lees hier deel II.