So với động cơ từ thông hướng tâm, động cơ từ thông trục có nhiều ưu điểm trong thiết kế xe điện. Ví dụ, động cơ từ thông trục có thể thay đổi thiết kế hệ thống truyền động bằng cách di chuyển động cơ từ trục vào bên trong bánh xe.
1.Trục quyền lực
Động cơ từ thông trụcđang ngày càng được chú ý (tăng lực kéo). 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 vào xe máy điện, khoang 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 tiến bộ đáng kể trong việc tối ưu hóa trọng lượng và chi phí. Tuy nhiên, chúng gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp tục phát triển. Từ thông hướng trục, một loại động cơ hoàn toàn khác, có thể là một giải pháp thay thế tốt.
So với động cơ hướng tâm, diện tích bề mặt từ hiệu dụng của động cơ nam châm vĩnh cửu từ thông trục là bề mặt của rôto động cơ, không phải đường kính ngoài. Do đó, trong một thể tích động cơ nhất định, động cơ nam châm vĩnh cửu từ thông trục thường có thể cung cấp mô-men xoắn lớn hơn.
Động cơ từ thông trụcnhỏ gọn hơn; So với động cơ hướng tâm, chiều dài trục của động cơ 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 tâm đảm bảo mật độ công suất và mật độ mô-men xoắn cao hơn so với động cơ hướng tâm tương tự, do đó loại bỏ nhu cầu về tốc độ vận hành cực cao.
Hiệu suất của động cơ từ thông trục cũng rất cao, thường vượt quá 96%. Điều này là nhờ đường dẫn từ thông một chiều ngắn hơn, có hiệu suất tương đương hoặc thậm chí cao hơn so với động cơ từ thông hướng tâm 2D tốt nhất trên thị trường.
Chiều dài của động cơ ngắn hơn, thường ngắn hơn từ 5 đến 8 lần, trọng lượng cũng giảm từ 2 đến 5 lần. Hai yếu tố này đã thay đổi sự lựa chọn của các nhà thiết kế nền tảng xe điện.
2. Công nghệ thông lượng trục
Có hai cấu trúc chính choĐộng cơ từ thông trục: rô-to kép stato đơn (đôi khi được gọi là máy kiểu hình xuyến) và rô-to đơn stato kép.
Hiện nay, hầu hết các động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng cấu trúc từ thông hướng tâm. Mạch từ thông bắt đầu bằng một nam châm vĩnh cửu trên rôto, đi qua răng đầu tiên trên stato, sau đó chảy theo hướng xuyên tâm dọc theo stato. Sau đó đi qua răng thứ hai để đến thép từ thứ hai trên rôto. Trong cấu trúc từ thông hướng trục 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 đi của 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 một công suất.
Động cơ hướng tâm, trong đó từ thông đi qua răng đầu tiên rồi quay trở lại răng tiếp theo qua stato, đến nam châm. Từ thông đi theo đường dẫn hai chiều.
Đường đi của từ thông của 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 đi qua hơn, do đó cải thiện hiệu suất.
Động cơ từ thông hướng tâm thường sử dụng các cuộn dây phân tán, với một nửa số đầu cuộn dây không hoạt động. Phần nhô ra của cuộn dây sẽ dẫn đến trọng lượng, chi phí, điện trở và mất nhiệt nhiều hơn, buộc các nhà thiết kế phải cải thiện thiết kế cuộn dây.
Các cuộn dây kết thúc củaĐộng cơ từ thông trụcít hơn nhiều, và một số thiết kế sử dụng các cuộn dây tập trung hoặc phân đoạn, hoàn toàn hiệu quả. Đối với các máy xuyên tâm stato phân đoạn, sự đứt gãy của đường dẫn từ thông trong stato có thể gây ra tổn thất bổ sung, nhưng đối với động cơ từ thông trục, đây không phải là vấn đề. Thiết kế của cuộn dây là chìa khóa để phân biệt cấp độ của các nhà cung cấp.
3. Phát triển
Động cơ từ thông trục phải đối mặt với một số thách thức nghiêm trọng trong thiết kế và sản xuất, mặc dù có những lợi thế về mặt công nghệ, nhưng 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 và thiết bị cơ khí cũng có sẵn.
Một trong những thách thức chính của động cơ từ thông 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 trục rôto kép cũng có vấn đề tản nhiệt, vì cuộn dây nằm sâu bên trong stato và giữa hai đĩa rôto, khiến việc tản nhiệt trở nên rất khó khăn.
Động cơ từ thông trục cũng khó sản xuất vì nhiều lý do. Máy rô-to kép sử dụng máy rô-to kép với cấu trúc ách (tức là loại bỏ ách 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 ách lại mang đến những thách thức mới, chẳng hạn như cách sửa chữa và định vị từng răng mà không cần kết nối ách cơ học. Làm mát cũng là một thách thức lớn hơn.
Cũng khó để sản xuất rotor và duy trì khe hở không khí, vì đĩa rotor hút rotor. Ưu điểm là các đĩa rotor được kết nối trực tiếp 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 stato ở vị trí giữa hai đĩa rotor.
Động cơ rotor đơn stato đôi không phải đối mặt với những thách thức của động cơ tròn, nhưng thiết kế stato phức tạp hơn nhiều và khó đạt được tự động hóa, và chi phí liên quan cũng cao. Không giống như bất kỳ động cơ từ thông hướng tâm truyền thống nào, quy trình sản xuất động cơ trục và thiết bị cơ khí chỉ mới xuất hiện gần đây.
4. Ứng dụng của xe điện
Độ tin cậy là rất quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và việc chứng minh độ tin cậy và độ bền của các loại khác nhauĐộng cơ từ thông trụcthuyết phục các nhà sản xuất rằng những động cơ này phù hợp để sản xuất hàng loạt luôn là một thách thức. Điều này đã thúc đẩy các nhà cung cấp động cơ trục tự thực hiện các chương trình xác nhận mở rộng, với mỗi nhà cung cấp chứng minh rằng độ tin cậy của động cơ của họ không khác gì động cơ từ thông xuyên tâm truyền thống.
Thành phần duy nhất có thể bị mòn trong mộtĐộng cơ từ thông trụclà ổ trục. Chiều dài của từ thông trục tương đối ngắn và vị trí của ổ trục gần hơn, thường được thiết kế để hơi “quá kích thước”. May mắn thay, động cơ từ thông trục có khối lượng rôto nhỏ hơn và có thể chịu được tải trọng trục động của rôto thấp hơn. Do đó, lực thực tế tác dụng lên 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 trục. Chiều rộng mỏng hơn có thể bao bọc động cơ và hộp số trong trục. Trong các ứng dụng lai, chiều dài trục ngắn hơn của động cơ lần lượt làm ngắn tổng chiều dài của hệ thống truyền động.
Bước tiếp theo là lắp động cơ trục trên bánh xe. Theo cách này, công suất có thể được truyền trực tiếp từ động cơ đến bánh xe, cải thiện hiệu suất của động cơ. Do loại bỏ hộp số, bộ vi sai và trục truyền động, độ phức tạp của hệ thống cũng được giảm bớt.
Tuy nhiên, có vẻ 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 các kích thước và hình dạng khác nhau của động cơ trục có thể thay đổi thiết kế của xe điện. So với động cơ hướng tâm, động cơ trục có mật độ công suất cao hơn, nghĩa là có thể sử dụng động cơ trục nhỏ hơn. Điều này cung cấp các tùy chọn thiết kế mới cho nền tảng xe, chẳng hạn như vị trí đặt bộ pin.
4.1 Phần ứng phân đoạn
Cấu trúc động cơ YASA (Yokeless and Segmented Armature) là một ví dụ về cấu trúc động cơ rotor kép stato đơn, 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 tới 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 quản lý nhiệt với làm mát bằng dầu điện môi, phù hợp với động cơ từ thông trục cũng như động cơ từ thông cảm ứng và hướng tâm.
Điều này cho phép các nhà sản xuất thiết bị gốc của xe điện và các nhà phát triển cấp một linh hoạt lựa chọn động cơ phù hợp dựa trên ứng dụng và không gian có sẵn. Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn làm cho xe nhẹ hơn và có nhiều pin hơn, do đó tăng phạm vi hoạt động.
5. Ứng dụng của xe máy điện
Đối với xe máy điện và xe địa hình, 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 dựa trên chổi than, trong khi sản phẩm mới là thiết kế không chổi than AC, hoàn toàn kín.
Các cuộn dây của cả động cơ DC và AC đều đứng yên, nhưng rôto kép sử dụng nam châm vĩnh cửu thay vì phần ứng quay. Ưu điểm của phương pháp này là không cần đảo ngược 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 kiểm soát 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 chính của các thiết bị như vậy.
Tần số cao hơn đến từ độ tự cảm cuộn dây thấp hơn là 20 µ H. Tần số có thể kiểm soát dòng điện để giảm thiểu gợn sóng dòng điện và đảm bảo tín hiệu hình sin mượt mà nhất có thể. Theo quan điểm động, đây là một cách tuyệt vời để đạt được khả năng kiểm soát 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 tán, do đó từ thông chảy từ rotor sang rotor khác thông qua stato, với đường đi 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 xe bốn bánh loại L7e như Renault Twizy.
Điện áp tối đa 60 V cho phép động cơ được tích hợp vào hệ thống điện 48 V chính thống và đơn giản hóa công việc bảo trì.
Tiêu chuẩn xe máy bốn bánh L7e trong Quy định khung châu Âu 2002/24/EC quy định rằng trọng lượng của xe dùng để vận chuyển hàng hóa không vượt quá 600 kg, không bao gồm trọng lượng của pin. Những xe này được phép chở không quá 200 kg hành khách, không quá 1000 kg hàng hóa và không quá 15 kilowatt công suất động cơ. Phương pháp quấn phân tán có thể cung cấp mô-men xoắn 75-100 Nm, với công suất đầu ra cực đại 20-25 kW và công suất liên tục 15 kW.
Thách thức của từ thông trục nằm ở cách các cuộn dây đồng tản nhiệt, điều này rất khó vì nhiệt phải đi qua rôto. Cuộn dây phân tán là chìa khóa để giải quyết vấn đề này, vì nó có nhiều khe cực. Theo cách này, có diện tích bề mặt lớn hơn giữa đồng và vỏ, 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 chìa khóa để sử dụng dạng sóng hình sin, giúp giảm sóng hài. Các sóng hài này biểu hiện dưới dạng nhiệt của nam châm và lõi, trong khi các thành phần đồng không thể mang nhiệt đi. Khi nhiệt tích tụ trong nam châm và lõi sắt, hiệu suất 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 của 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 đùn không yêu cầu xử lý cơ học 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 bằng dây điện thương mại tiêu chuẩn, trong khi lõi sắt được cán mỏng bằng thép máy biến áp tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường, chỉ cần cắt thành hình dạng. Các thiết kế động cơ khác yêu cầu sử dụng vật liệu từ mềm trong cán mỏng lõi, có thể tốn kém hơn.
Việc sử dụng các cuộn dây phân tán có nghĩa là thép từ không cần phải phân đoạn; Chúng có thể có hình dạng đơn giản hơn và dễ sản xuất hơn. Việc giảm kích thước của 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 trục này cũng có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng. Khách hàng có các phiên bản tùy chỉnh được phát triển xung quanh thiết kế cơ bản. Sau đó được sản xuất trên dây chuyền sản xuất thử nghiệm để xác minh sản xuất sớm, có thể được sao chép 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 BMS.
Thời gian đăng: 28-09-2023
