So với động cơ từ thông hướng tâm, động cơ từ thông hướng trục có nhiều ưu điểm trong thiết kế xe điện. Ví dụ, động cơ từ thông hướng trục có thể thay đổi thiết kế hệ thống truyền động bằng cách di chuyển động cơ từ trục bánh xe vào bên trong bánh xe.
1. Trục quyền lực
Động cơ từ thông trụcLoại động cơ này đang nhận được sự chú ý ngày càng tăng (thu hút sự quan tâm). Trong nhiều năm, loại động cơ này đã được sử dụng trong các ứng dụng cố định như thang máy và máy móc nông nghiệp, nhưng trong thập kỷ qua, nhiều nhà phát triển đã nỗ lực cải tiến công nghệ này và áp dụng nó vào xe máy điện, tàu điện tự hành tại sân bay, xe tải chở hàng, xe điện và thậm chí cả máy bay.
Động cơ từ thông hướng tâm truyền thống sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ cảm ứng, đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc tối ưu hóa trọng lượng và chi phí. Tuy nhiên, chúng vẫn gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp tục phát triển. Động cơ từ thông hướng trục, một loại động cơ hoàn toàn khác, có thể là một lựa chọn thay thế tốt.
So với động cơ ly tâm, diện tích bề mặt từ tính hiệu dụng của động cơ nam châm vĩnh cửu từ thông hướng trục là diện tích bề mặt rôto động cơ, chứ không phải đường kính ngoài. Do đó, trong một thể tích động cơ nhất định, động cơ nam châm vĩnh cửu từ thông hướng trục thường có thể cung cấp mô-men xoắn lớn hơn.
Động cơ từ thông trụcSo với động cơ ly tâm, động cơ hướng trục có cấu trúc nhỏ gọn hơn; chiều dài trục của động cơ hướng trục ngắn hơn nhiều. Đối với động cơ bánh xe bên trong, đây thường là yếu tố quan trọng. Cấu trúc nhỏ gọn của động cơ hướng trục đảm bảo mật độ công suất và mật độ mô-men xoắn cao hơn so với các động cơ hướng tâm tương tự, do đó loại bỏ nhu cầu về tốc độ hoạt động cực cao.
Hiệu suất của động cơ từ thông hướng trục cũng rất cao, thường vượt quá 96%. Điều này là nhờ đường dẫn từ thông ngắn hơn, một chiều, có hiệu suất tương đương hoặc thậm chí cao hơn so với các động cơ từ thông hướng tâm 2D tốt nhất trên thị trường.
Chiều dài động cơ ngắn hơn, thường ngắn hơn từ 5 đến 8 lần, và trọng lượng cũng giảm từ 2 đến 5 lần. Hai yếu tố này đã làm thay đổi sự lựa chọn của các nhà thiết kế nền tảng xe điện.
2. Công nghệ từ thông trục
Có hai cấu trúc liên kết chính chođộng cơ từ thông trục: máy hai rôto một stato (đôi khi được gọi là máy kiểu hình xuyến) và máy một rôto hai stato.
Hiện nay, hầu hết các động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng cấu trúc từ thông xuyên tâm. Mạch từ thông bắt đầu từ nam châm vĩnh cửu trên rôto, đi qua răng đầu tiên trên stato, sau đó chảy theo hướng xuyên tâm dọc theo stato. Tiếp theo, nó đi qua răng thứ hai để đến thanh thép từ thứ hai trên rôto. Trong cấu trúc từ thông hướng trục của rôto kép, vòng từ thông bắt đầu từ nam châm đầu tiên, đi theo hướng trục qua các răng stato, và ngay lập tức đến nam châm thứ hai.
Điều này có nghĩa là đường dẫn từ thông ngắn hơn nhiều so với động cơ từ thông hướng tâm, dẫn đến thể tích động cơ nhỏ hơn, mật độ công suất và hiệu suất cao hơn ở cùng công suất.
Động cơ hướng tâm, trong đó từ thông đi qua răng đầu tiên rồi quay trở lại răng tiếp theo thông qua stato, đến nam châm. Từ thông di chuyển theo đường dẫn hai chiều.
Đường đi của từ thông trong máy từ thông trục là một chiều, do đó có thể sử dụng thép điện định hướng hạt. Loại thép này giúp từ thông dễ dàng đi qua hơn, nhờ đó nâng cao hiệu suất.
Động cơ từ thông hướng tâm truyền thống sử dụng cuộn dây phân bố không đều, với tối đa một nửa số đầu cuộn dây không hoạt động. Phần cuộn dây thừa sẽ làm tăng trọng lượng, chi phí, điện trở và tổn thất nhiệt, buộc các nhà thiết kế phải cải thiện thiết kế cuộn dây.
Các đầu cuộn dây củađộng cơ từ thông trụcSố lượng linh kiện ít hơn nhiều, và một số thiết kế sử dụng cuộn dây tập trung hoặc phân đoạn, hoàn toàn hiệu quả. Đối với máy điện từ xuyên tâm có stato phân đoạn, sự đứt gãy đường dẫn từ thông trong stato có thể gây ra tổn thất thêm, nhưng đối với động cơ từ thông hướng trục, điều này không phải là vấn đề. Thiết kế cuộn dây là chìa khóa để phân biệt trình độ của nhà cung cấp.
3. Phát triển
Động cơ từ thông hướng trục phải đối mặt với một số thách thức nghiêm trọng trong thiết kế và sản xuất, mặc dù có những ưu điểm về công nghệ, chi phí của chúng cao hơn nhiều so với động cơ hướng tâm. Mọi người có hiểu biết rất sâu sắc về động cơ hướng tâm, và các phương pháp sản xuất cũng như thiết bị cơ khí cũng dễ dàng tìm hiểu.
Một trong những thách thức chính của động cơ từ thông hướng trục là duy trì khe hở không khí đồng đều giữa rôto và stato, vì lực từ lớn hơn nhiều so với động cơ hướng tâm, khiến việc duy trì khe hở không khí đồng đều trở nên khó khăn. Động cơ từ thông hướng trục hai rôto cũng gặp vấn đề về tản nhiệt, vì cuộn dây nằm sâu bên trong stato và giữa hai đĩa rôto, khiến việc tản nhiệt rất khó khăn.
Động cơ từ thông hướng trục cũng khó chế tạo vì nhiều lý do. Máy hai rôto sử dụng cấu trúc gông (tức là loại bỏ gông sắt khỏi stato nhưng vẫn giữ lại răng sắt) khắc phục được một số vấn đề này mà không cần mở rộng đường kính động cơ và nam châm.
Tuy nhiên, việc tháo bỏ càng nối mang đến những thách thức mới, chẳng hạn như làm thế nào để cố định và định vị từng răng riêng lẻ mà không có kết nối càng nối cơ khí. Làm mát cũng là một thách thức lớn hơn.
Việc chế tạo rôto và duy trì khe hở không khí cũng rất khó khăn, vì đĩa rôto hút rôto. Ưu điểm là các đĩa rôto được nối trực tiếp với nhau thông qua một vòng trục, do đó các lực triệt tiêu lẫn nhau. Điều này có nghĩa là ổ trục bên trong không chịu được các lực này, và chức năng duy nhất của nó là giữ cho stato ở vị trí giữa hai đĩa rôto.
Động cơ rôto đơn stato kép không gặp phải những thách thức của động cơ rôto tròn, nhưng thiết kế stato phức tạp hơn nhiều và khó tự động hóa hơn, chi phí liên quan cũng cao. Không giống như bất kỳ động cơ từ thông xuyên tâm truyền thống nào, quy trình sản xuất và thiết bị cơ khí của động cơ hướng trục chỉ mới xuất hiện gần đây.
4. Ứng dụng của xe điện
Độ tin cậy là yếu tố then chốt trong ngành công nghiệp ô tô, và việc chứng minh độ tin cậy và độ bền của các bộ phận khác nhau là vô cùng quan trọng.động cơ từ thông trụcViệc thuyết phục các nhà sản xuất rằng những động cơ này phù hợp cho sản xuất hàng loạt luôn là một thách thức. Điều này đã thúc đẩy các nhà cung cấp động cơ hướng trục thực hiện các chương trình kiểm định chuyên sâu, trong đó mỗi nhà cung cấp đều chứng minh rằng độ tin cậy của động cơ họ sản xuất không khác gì so với động cơ từ thông hướng tâm truyền thống.
Bộ phận duy nhất có thể bị hao mòn trong mộtđộng cơ từ thông trụcĐó là các ổ trục. Chiều dài của từ thông hướng trục tương đối ngắn, và vị trí của các ổ trục gần nhau hơn, thường được thiết kế hơi "lớn hơn kích thước tiêu chuẩn". May mắn thay, động cơ từ thông hướng trục có khối lượng rôto nhỏ hơn và có thể chịu được tải trọng trục động rôto thấp hơn. Do đó, lực thực tế tác dụng lên các ổ trục nhỏ hơn nhiều so với động cơ từ thông hướng tâm.
Trục điện tử là một trong những ứng dụng đầu tiên của động cơ hướng trục. Chiều rộng nhỏ hơn cho phép bao bọc động cơ và hộp số bên trong trục. Trong các ứng dụng lai, chiều dài hướng trục ngắn hơn của động cơ sẽ làm giảm tổng chiều dài của hệ thống truyền động.
Bước tiếp theo là lắp đặt động cơ hướng trục lên bánh xe. Bằng cách này, công suất có thể được truyền trực tiếp từ động cơ đến bánh xe, giúp cải thiện hiệu suất của động cơ. Do loại bỏ được hộp số, bộ vi sai và trục truyền động, độ phức tạp của hệ thống cũng được giảm bớt.
Tuy nhiên, dường như các cấu hình tiêu chuẩn vẫn chưa xuất hiện. Mỗi nhà sản xuất thiết bị gốc đang nghiên cứu các cấu hình cụ thể, vì kích thước và hình dạng khác nhau của động cơ hướng trục có thể làm thay đổi thiết kế của xe điện. So với động cơ hướng tâm, động cơ hướng trục có mật độ công suất cao hơn, điều này có nghĩa là có thể sử dụng các động cơ hướng trục nhỏ hơn. Điều này mang lại các lựa chọn thiết kế mới cho nền tảng xe, chẳng hạn như vị trí đặt bộ pin.
4.1 Cấu trúc phần ứng phân đoạn
Cấu trúc động cơ YASA (không có gọng và phần ứng phân đoạn) là một ví dụ về cấu trúc động cơ hai rôto một stato, giúp giảm độ phức tạp trong sản xuất và phù hợp với sản xuất hàng loạt tự động. Các động cơ này có mật độ công suất lên đến 10 kW/kg ở tốc độ từ 2000 đến 9000 vòng/phút.
Sử dụng bộ điều khiển chuyên dụng, nó có thể cung cấp dòng điện 200 kVA cho động cơ. Bộ điều khiển có thể tích khoảng 5 lít và nặng 5,8 kg, bao gồm hệ thống quản lý nhiệt với làm mát bằng dầu điện môi, phù hợp cho cả động cơ từ thông hướng trục cũng như động cơ cảm ứng và động cơ từ thông hướng tâm.
Điều này cho phép các nhà sản xuất thiết bị gốc và các nhà phát triển hàng đầu của xe điện linh hoạt lựa chọn động cơ phù hợp dựa trên ứng dụng và không gian có sẵn. Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn giúp xe nhẹ hơn và có thể chứa nhiều pin hơn, từ đó tăng thêm phạm vi hoạt động.
5. Ứng dụng của xe máy điện
Đối với xe máy điện và xe địa hình ATV, một số công ty đã phát triển động cơ từ thông trục AC. Thiết kế thường được sử dụng cho loại xe này là thiết kế từ thông trục DC có chổi than, trong khi sản phẩm mới là thiết kế AC không chổi than kín hoàn toàn.
Cả cuộn dây của động cơ DC và AC đều giữ nguyên vị trí, nhưng rôto kép sử dụng nam châm vĩnh cửu thay vì phần ứng quay. Ưu điểm của phương pháp này là không cần đảo chiều cơ học.
Thiết kế trục AC cũng có thể sử dụng bộ điều khiển động cơ AC ba pha tiêu chuẩn cho động cơ hướng tâm. Điều này giúp giảm chi phí, vì bộ điều khiển điều chỉnh dòng điện mô-men xoắn, chứ không phải tốc độ. Bộ điều khiển yêu cầu tần số 12 kHz trở lên, đây là tần số phổ biến của các thiết bị loại này.
Tần số cao hơn đến từ độ tự cảm cuộn dây thấp hơn, chỉ 20 µH. Tần số này có thể điều khiển dòng điện để giảm thiểu gợn sóng dòng điện và đảm bảo tín hiệu hình sin mượt mà nhất có thể. Về mặt động lực học, đây là một cách tuyệt vời để đạt được khả năng điều khiển động cơ mượt mà hơn bằng cách cho phép thay đổi mô-men xoắn nhanh chóng.
Thiết kế này sử dụng cuộn dây hai lớp phân bố đều, do đó từ thông chảy từ rôto này sang rôto khác thông qua stato, với đường dẫn rất ngắn và hiệu suất cao hơn.
Điểm mấu chốt của thiết kế này là nó có thể hoạt động ở điện áp tối đa 60 V và không phù hợp với các hệ thống điện áp cao hơn. Do đó, nó có thể được sử dụng cho xe máy điện và các phương tiện bốn bánh loại L7e như Renault Twizy.
Điện áp tối đa 60 V cho phép động cơ được tích hợp vào các hệ thống điện 48 V thông dụng và đơn giản hóa công tác bảo trì.
Quy định khung châu Âu 2002/24/EC về thông số kỹ thuật xe máy bốn bánh L7e quy định trọng lượng của xe dùng để vận chuyển hàng hóa không được vượt quá 600 kg, không bao gồm trọng lượng ắc quy. Các xe này được phép chở không quá 200 kg hành khách, không quá 1000 kg hàng hóa và công suất động cơ không quá 15 kilowatt. Phương pháp cuộn dây phân bổ có thể cung cấp mô-men xoắn 75-100 Nm, với công suất cực đại 20-25 kW và công suất liên tục 15 kW.
Thách thức của từ thông hướng trục nằm ở cách các cuộn dây đồng tản nhiệt, điều này rất khó vì nhiệt phải truyền qua rôto. Cuộn dây phân bố là chìa khóa để giải quyết vấn đề này, vì nó có rất nhiều rãnh cực. Bằng cách này, diện tích bề mặt tiếp xúc giữa đồng và vỏ lớn hơn, và nhiệt có thể được truyền ra bên ngoài và thải ra bằng hệ thống làm mát bằng chất lỏng tiêu chuẩn.
Nhiều cực từ là yếu tố then chốt để sử dụng dạng sóng hình sin, giúp giảm thiểu sóng hài. Các sóng hài này biểu hiện dưới dạng sự nóng lên của nam châm và lõi, trong khi các bộ phận bằng đồng không thể dẫn nhiệt đi. Khi nhiệt tích tụ trong nam châm và lõi sắt, hiệu suất sẽ giảm, đó là lý do tại sao việc tối ưu hóa dạng sóng và đường dẫn nhiệt là rất quan trọng đối với hiệu suất động cơ.
Thiết kế của động cơ đã được tối ưu hóa để giảm chi phí và đạt được sản xuất hàng loạt tự động. Vòng vỏ được ép đùn không yêu cầu gia công cơ khí phức tạp và có thể giảm chi phí vật liệu. Cuộn dây có thể được quấn trực tiếp và quy trình liên kết được sử dụng trong quá trình quấn để duy trì hình dạng lắp ráp chính xác.
Điểm mấu chốt là cuộn dây được làm từ dây dẫn tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường, trong khi lõi sắt được ghép từ các lớp thép biến áp tiêu chuẩn có sẵn, chỉ cần cắt thành hình dạng mong muốn. Các thiết kế động cơ khác yêu cầu sử dụng vật liệu từ mềm trong lõi ghép, có thể đắt hơn.
Việc sử dụng các cuộn dây phân bố đều giúp loại bỏ nhu cầu chia nhỏ thép từ; chúng có thể có hình dạng đơn giản hơn và dễ sản xuất hơn. Việc giảm kích thước thép từ và đảm bảo tính dễ sản xuất có tác động đáng kể đến việc giảm chi phí.
Thiết kế của động cơ từ thông hướng trục này cũng có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng. Khách hàng có thể đặt hàng các phiên bản tùy chỉnh được phát triển dựa trên thiết kế cơ bản. Sau đó, chúng được sản xuất trên dây chuyền sản xuất thử nghiệm để kiểm chứng sản xuất ban đầu, và có thể được nhân rộng ở các nhà máy khác.
Việc tùy chỉnh chủ yếu là do hiệu suất của xe không chỉ phụ thuộc vào thiết kế của động cơ từ thông trục mà còn phụ thuộc vào chất lượng cấu trúc xe, bộ pin và hệ thống quản lý pin (BMS).
Thời gian đăng bài: 28/09/2023
