So với động cơ từ thông hướng tâm, động cơ từ thông hướng trục có nhiều ưu điểm hơn trong thiết kế xe điện. Ví dụ, động cơ từ thông dọc trục có thể thay đổi thiết kế của hệ truyền động bằng cách di chuyển động cơ từ trục vào bên trong bánh xe.
1.Trục quyền lực
Động cơ hướng trụcđang nhận được sự chú ý ngày càng tăng (đạt được lực kéo). Trong nhiều năm, loại động cơ này đã được sử dụng trong các ứng dụng cố định như thang máy và máy 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 sân bay, xe chở hàng, xe điện xe cộ 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, họ gặp rất nhiều khó khăn trong việc tiếp tục phát triển. Thông lượng hướng trục, một loại động cơ hoàn toàn khác, có thể là một lựa chọn thay thế tốt.
So với động cơ hướng tâm, diện tích bề mặt từ tính hiệu quả của động cơ nam châm vĩnh cửu từ thông hướng trục là bề mặt của rôto động cơ chứ không phải đường kính ngoài. Do đó, trong một khối lượng 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 hướng 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 một 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 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 hướng 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 các 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 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 thông lượng dọc trục
Có hai cấu trúc liên kết chính chođộng cơ thông hướng trục: stator đơn rôto kép (đôi khi được gọi là máy kiểu hình xuyến) và stato kép rôto đơn.
Hiện nay, hầu hết các động cơ nam châm vĩnh cửu đều sử dụng cấu trúc liên kết từ thông hướng tâm. Mạch từ thông bắt đầu bằng một nam châm vĩnh cửu trên rôto, đi qua răng đầu tiên trên stato và sau đó chảy xuyên tâm dọc theo stato. Sau đó đi qua răng thứ hai để tới thép từ tính thứ hai trên rôto. Trong cấu trúc liên kết từ thông dọc trục rôto kép, vòng từ thông bắt đầu từ nam châm thứ nhất, đi dọc trục qua các răng stato và ngay lập tức đến nam châm thứ hai.
Điều này có nghĩa là đường từ thông ngắn hơn nhiều so với đường từ thông của động cơ từ thông hướng tâm, dẫn đến thể tích động cơ nhỏ hơn, mật độ công suất cao hơn và hiệu suất ở cùng công suất.
Một động cơ hướng tâm, trong đó từ thông đi qua răng đầu tiên và sau đó quay trở lại răng tiếp theo qua stato, tới nam châm. Từ thông đi theo một đường hai chiều.
Đường từ thông của máy từ thông hướng trục là một chiều nên có thể sử dụng thép điện định hướng hạt. Loại thép này giúp từ thông đi qua dễ dàng hơn, từ đó nâng cao hiệu quả.
Động cơ từ thông xuyên tâm truyền thống sử dụng các cuộn dây phân tán, có tới một nửa số đầu cuộn dây không hoạt động. Phần nhô ra của cuộn dây sẽ làm tăng thêm trọng lượng, chi phí, điện trở và tổn thất nhiệt nhiều hơn, buộc các nhà thiết kế phải cải tiến thiết kế cuộn dây.
Các đầu cuộn dây củađộng cơ thông hướng trụcít hơn nhiều, và một số thiết kế sử dụng cuộn dây tập trung hoặc phân đoạn, hoàn toàn có hiệu quả. Đối với các máy điện hướng tâm stato phân đoạn, việc đứt đường từ thông trong stato có thể gây thêm tổn thất, nhưng đối với động cơ từ thông hướng trục thì đây không phải là vấn đề. Thiết kế của cuộn dây là chìa khóa để phân biệt đẳng cấp của nhà cung cấp.
3. Phát triển
Động cơ hướng trục phải đối mặt với một số thách thức nghiêm trọng trong thiết kế và sản xuất, mặc dù có lợi thế về công nghệ nhưng giá thành của chúng lại cao hơn nhiều so với động cơ hướng tâm. Mọi người có hiểu biết rất sâu sắc về động cơ hướng tâm, đồng thời có sẵn các phương pháp sản xuất và thiết bị cơ khí.
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 rôto kép cũng có vấn đề về tản nhiệt, do cuộn dây nằm sâu bên trong stato và giữa hai đĩa rôto nên việc tản nhiệt rất khó khăn.
Động cơ hướng trục cũng khó chế tạo vì nhiều lý do. Máy rôto kép sử dụng máy rôto kép có cấu trúc liên kết ách (tức là tháo ách sắt ra khỏi stato nhưng vẫn giữ lại các 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 ách mang lại những thách thức mới, chẳng hạn như làm thế nào để cố định và định vị từng răng mà không cần kết nối ách cơ học. Làm mát cũng là một thách thức lớn hơn.
Việc sản xuất rôto và duy trì khe hở không khí cũng khó khăn vì đĩa rôto thu hút rôto. Ưu điểm là các đĩa rôto được nối trực tiếp qua vòng trục nên 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 chính giữa hai đĩa rôto.
Động cơ rôto đơn stato đôi không gặp phải những thách thức của động cơ tròn, nhưng thiết kế của stato phức tạp hơn nhiều và khó đạt được tự động hóa, đồng thời chi phí liên quan cũng cao. Không giống như bất kỳ động cơ hướng tâm truyền thống nào, quy trình sản xuất động cơ hướng 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 chứng minh độ tin cậy và độ bền của các loạiđộng cơ thông hướng 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 hướng trục tự mình thực hiện các chương trình xác nhận rộng rãi, trong đó mỗi nhà cung cấp đều chứng minh rằng độ tin cậy của động cơ của họ không khác gì so với động cơ hướng tâm truyền thống.
Thành phần duy nhất có thể bị hao mòn trongđộng cơ thông hướng trụclà vòng bi. Chiều dài của từ thông dọc trục tương đối ngắn và vị trí của các vòng bi gần hơn, thường được thiết kế hơi “quá kích thước”. May mắn thay, động cơ từ thông hướng trục có khối lượng rôto nhỏ hơn và có thể chịu được tải trọng động của rôto thấp hơn. Do đó, lực thực tế tác dụng lên ổ trục nhỏ hơn nhiều so với lực của động cơ từ thông hướng tâm.
Trục điện tử là một trong những ứng dụng đầu tiên của động cơ hướng trục. Chiều rộng mỏng hơn có thể gói gọn động cơ và hộp số trong trục. Trong các ứng dụng hybrid, chiều dài trục của động cơ ngắn hơn sẽ rút ngắn tổng chiều dài của hệ thống truyền động.
Bước tiếp theo là lắp động cơ hướng trục vào bánh xe. Bằng cách này, công suất có thể được truyền trực tiếp từ động cơ đến các bánh xe, nâng cao hiệu suất của động cơ. Do việc loại bỏ hộp số, bộ vi sai và trục truyền động nên độ phức tạp của hệ thống cũng giảm đi.
Tuy nhiên, có vẻ như 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, nghĩa là có thể sử dụng động cơ hướng 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 liên kết động cơ YASA (Yokeless và Segmented Armature) là một ví dụ về cấu trúc liên kết stato rôto kép, giúp giảm độ phức tạp trong sản xuất và phù hợp cho sản xuất hàng loạt tự động. Những động cơ này có mật độ công suất lên tới 10 kW/kg ở tốc độ 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 bằng làm mát dầu điện môi, thích hợp cho động cơ từ thông hướng trục cũng như động cơ từ thông hướng tâm và cảm ứng.
Điều này cho phép các nhà sản xuất thiết bị gốc xe điện và nhà phát triển cấp một linh hoạt lựa chọn động cơ phù hợp dựa trên ứng dụng và không gian sẵn có. Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn giúp xe nhẹ hơn và có nhiều pin hơn, từ đó tăng phạm vi di chuyển.
5. Ứng dụng của xe máy điện
Đối với xe máy điện và ATV, một số công ty đã phát triển động cơ thông lượng hướng trục AC. Thiết kế thường được sử dụng cho loại xe này là thiết kế từ thông dọc trục dựa trên chổi than DC, trong khi sản phẩm mới là thiết kế không chổi than AC, kín hoàn toàn.
Cuộn dây của cả động cơ DC và AC vẫn 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 chiều cơ học.
Thiết kế hướng trục AC cũng có thể sử dụng bộ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha tiêu chuẩn cho động cơ hướng tâm. Điều này giúp giảm chi phí vì bộ điều khiển điều khiển dòng điện mô-men xoắn chứ không phải tốc độ. Bộ điều khiển yêu cầu tần số từ 12 kHz trở lên, đây là tần số chính của các thiết bị đó.
Tần số cao hơn đến từ độ tự cảm cuộn dây thấp hơn 20 µH. Tần số có thể điều khiển dòng điện để giảm thiểu độ gợn sóng của dòng điện và đảm bảo tín hiệu hình sin mượt mà nhất có thể. Từ góc độ động, 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 tán, do đó từ thông truyền từ rôto này sang rôto khác 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 hệ thống điện áp cao hơn. Vì vậy, nó có thể được sử dụng cho xe máy điện và xe bốn bánh hạng 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.
Thông số kỹ thuật của xe mô tô bốn bánh L7e trong Quy định khung Châu Âu 2002/24/EC quy định trọng lượng của phương tiện dùng để vận chuyển hàng hóa không vượt quá 600 kg, không bao gồm trọng lượng của pin. Những phương tiện 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 cuộn dây phân tán có thể cung cấp mô-men xoắn 75-100 Nm, với công suất đầu ra cực đại là 20-25 kW và công suất liên tục là 15 kW.
Thách thức của từ thông hướng trục nằm ở cách các cuộn dây đồng tản nhiệt, điều này rất khó khăn vì nhiệt phải truyền qua rôto. Cuộn dây phân tán là chìa khóa để giải quyết vấn đề này vì nó có số lượng lớn các khe cực. Bằng cách này, diện tích bề mặt giữa đồng và vỏ sẽ lớn hơn, đồng thời 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. Những sóng hài này được biểu hiện bằng sự nóng lên 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 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 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 ép 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 cuộn dây để duy trì hình dạng lắp ráp chính xác.
Điểm mấu chốt là cuộn dây được làm bằng dây tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường, trong khi lõi sắt được dát bằng thép biến áp tiêu chuẩn, chỉ cần cắt thành hình. Các thiết kế động cơ khác yêu cầu sử dụng vật liệu từ mềm trong cán màng lõi, có thể đắt hơn.
Việc sử dụng cuộn dây phân tán có nghĩa là thép từ tính 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 dễ sản xuất có tác động đáng kể đến việc giảm chi phí.
Thiết kế của động cơ thông hướng 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 sớm kiểm chứng sản xuất, có thể 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 hướng trục mà còn phụ thuộc vào chất lượng của kết cấu xe, bộ pin và BMS.
Thời gian đăng: 28-09-2023
