Động cơ AC thông lượng hướng tâm mang lại một số lợi ích về hiệu suất và đóng gói nhưng cũng gây ra một số vấn đề về nhiệt và khả năng sản xuất.
Phần Câu hỏi thường gặp này tiếp tục khám phá AFM và RFM. Phần đầu tiên xem xét động cơ thông hướng trục (AFM) chi tiết hơn và so sánh nó với động cơ thông hướng tâm (RFM) được sử dụng rất rộng rãi. Phần cuối cùng của Câu hỏi thường gặp này xem xét một số vấn đề thực tế liên quan đến việc áp dụng AFM.
Hỏi: Bạn có thể giải thích ngắn gọn về hoạt động của RFM không?
A: Động cơ DC không chổi than thông lượng hướng tâm (BLDC) truyền thống bao gồm một rôto làm bằng nam châm vĩnh cửu đặt bên trong stato. Các cuộn dây đồng được quấn quanh các khe. Từ thông tổng hợp được tạo ra vuông góc với trục quay. Trong trường hợp này:
- Stator có bộ phận hỗ trợ được gọi là ách, được trang bị các “răng” chứa cuộn dây điện từ.
- Răng có chức năng như các cực từ xen kẽ.
- Các cực từ của rôto tương tác với từ thông xen kẽ của các răng stato dây quấn, tạo ra mô men quay của động cơ.
Hỏi: Còn những cân nhắc tương tự đối với AFM thì sao?
A: Từ thông được tạo ra song song với trục quay do cách quấn các cuộn dây. Điều này có ưu điểm là đơn giản hóa việc chế tạo động cơ về nguyên tắc (nhưng không phải trên thực tế). Không cần phải có một cái ách. Tuy nhiên, việc “đơn giản hóa” này mang lại những vấn đề sản xuất mới có thể lớn hơn lợi ích, như sẽ được thảo luận sâu hơn dưới đây.
Hỏi: Dòng trục có đang tiến tới một bước phát triển mới không?
A: Có và không. Động cơ đầu tiên trên thế giới, được phát minh bởi Michael Faraday vào năm 1821, là loại động cơ hướng trục. Tuy nhiên, sự phát triển và sử dụng tiếp theo của nó bị hạn chế bởi tài liệu, sự hiểu biết và thực tế khác nhau của thời kỳ đó.
Cái mà chúng ta biết là RFM được phát minh vào những năm 1830 bởi Thomas Davenport, một thợ rèn ở Vermont, người cuối cùng đã có thể cấp bằng sáng chế cho nó. Động cơ này được gọi là động cơ DC đơn giản (dòng điện xoay chiều vẫn chưa được “khám phá” vào thời điểm đó – điện được lấy từ pin thô). Điều trớ trêu là Davenport đã chết trong tình trạng tài chính suy sụp do quá trình theo đuổi không ngừng nghỉ và kiên trì để đạt được thành công về mặt thương mại của cấu trúc liên kết động cơ hiện được sử dụng rất rộng rãi này.
Hỏi: Tại sao hiện nay AFM lại nhận được nhiều sự chú ý đến vậy?
A: AFM thực tế chỉ trở nên khả thi từ góc độ hiệu suất, chi phí và sản xuất trong 40 đến 50 năm qua. Điều này là do những tiến bộ trong vật liệu và sản xuất cũng như thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để phân tích cơ điện, từ tính, cơ học và nhiệt. Thiết kế dựa trên CAD hỗ trợ tối ưu hóa hiệu suất trên nhiều biến liên quan. Nó cũng giúp đánh giá tổn thất và độ tăng nhiệt độ trong động cơ, vốn thường là những yếu tố hạn chế về hiệu suất hoặc tính thực tế.
Hỏi: Một số chi tiết của công trình AFM là gì?
A: Có ba khía cạnh chính:
- Stator và rôto hình đĩa: Động cơ từ thông hướng trục có cả stato và rôto được thiết kế dưới dạng đĩa phẳng, tròn. Thiết kế này cho phép tạo ra một động cơ nhỏ gọn và tiết kiệm không gian, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng có không gian lắp đặt hạn chế.
- Nam châm hướng tâm: Stator và rôto trong động cơ từ thông hướng trục kết hợp các nam châm được bố trí hướng tâm, cho phép tương tác trực tiếp và hiệu quả giữa các từ trường. Sự sắp xếp nam châm hướng tâm này giúp tăng cường khả năng tạo mô-men xoắn của động cơ, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp và ô tô khác nhau.
- Cuộn dây quấn: Cuộn dây đồng được quấn trên stato của động cơ từ thông hướng trục. Những cuộn dây quấn này rất quan trọng trong việc tạo ra lực điện từ điều khiển chuyển động quay của động cơ. Việc sắp xếp và điều khiển chính xác các cuộn dây này là điều cần thiết cho hoạt động của động cơ.
Câu hỏi: Có những biến thể nào trong thiết kế AFM cơ bản không?
A: Tất nhiên, không có gì trong lĩnh vực động cơ là đơn giản, như đã thấy trong hình “cây phả hệ”. Đối với thiết kế hướng trục, có hai cách tiếp cận cơ bản:
1) Nam châm AFM dạng quạt lệch và động cơ có rãnh: ở đây không thể tránh khỏi hiện tượng mômen “bánh răng” do tương tác giữa nam châm vĩnh cửu và răng stato dẫn đến mômen gợn sóng, rung lắc và gây ra tiếng ồn (Hình 1 bên trái). (“Cogging” là chuyển động giật không liên tục xảy ra khi trục của động cơ không chổi than thông thường quay và do từ trường không đều.)
2) Nam châm AFM loại nhiều lớp: AFM cũng gặp vấn đề với tổn thất dòng điện xoáy, làm tăng khả năng tự sinh nhiệt (hãy nghĩ đến bếp cảm ứng mặt phẳng sử dụng những tổn thất dòng điện xoáy này để tạo lợi thế!), và hiệu suất của chúng cũng sẽ cao hơn bị ảnh hưởng bởi quá trình khử từ ở nhiệt độ cao. Để khắc phục điều này, “phân đoạn nam châm” được sử dụng để giảm tổn thất dòng điện xoáy AFM (Hình 1 bên phải).
Câu hỏi: Các thuộc tính tương đối của AFM so với RFM là gì?
A: Đây là một câu hỏi không dễ để trả lời. Những người ủng hộ AFM có xu hướng “phát huy” những ưu điểm và hạ thấp những điểm yếu của chúng. Đồng thời, RFM có lịch sử lâu dài trong cả quy trình sản xuất lẫn hiệu suất tại hiện trường và đó là những lợi ích đáng kể trong hầu hết các ứng dụng động cơ. Cuối cùng, các thuộc tính tương đối có nhiều ngoại lệ dựa trên đặc điểm thiết kế và cấu trúc của chúng, cũng như chi tiết ứng dụng.
Hỏi: Phải có một số đặc điểm chung phải không?
A: Có, có một số khái quát hóa — và chúng là những khái quát hóa — trình bày chi tiết những gì AFM cung cấp so với RFM:
- Cấu trúc nhỏ gọn, đặc biệt là kích thước trục ngắn.
- Khối lượng nhỏ.
- Nhẹ cân.
- Mật độ mô-men xoắn cao (Lưu ý rằng giá trị này không giống với mô-men xoắn!)
- Mật độ năng lượng cao.
- Cuộn dây cuối nhỏ.
- Hiệu quả cao và do đó giảm yêu cầu làm mát.
Hỏi: Có vẻ như những lợi ích của AFM rất rõ ràng, nhưng phải không?
A: Không thực sự. Mặc dù có thể giảm nhu cầu làm mát nhưng chúng cũng có ít diện tích bề mặt để thoát nhiệt hơn so với động cơ hướng tâm.
Câu hỏi: Một số vấn đề liên quan đến việc sử dụng AFM thay vì RFM là gì?
A: Từ góc độ điện từ, giới học thuật và máy tính để bàn đã biết từ lâu rằng cấu trúc liên kết AFM hiệu quả hơn với mật độ mô-men xoắn cao hơn, đây là một nhân tố quan trọng đáng khen. Tuy nhiên, gần như tất cả các động cơ kéo trong xe lửa và xe điện - những ứng dụng có mật độ mô-men xoắn rất quan trọng - vẫn sử dụng RFM.
Hỏi: Bạn có thể cho biết một số chi tiết cụ thể được không?
A: Những thách thức của việc chế tạo động cơ từ thông hướng trục bao gồm từ giai đoạn thiết kế đến sản xuất quy mô lớn.
Hãy xem xét các công cụ CAD và phần mềm thiết kế. Các thiết kế điện từ của máy từ thông hướng tâm phần lớn có thể được thực hiện bằng các phép tính hai chiều (2D), trong khi từ thông của máy từ thông hướng trục chảy theo ba chiều và yêu cầu phần mềm mô phỏng 3D. Cấp độ công cụ này chỉ mới xuất hiện gần đây và yêu cầu phần cứng mạnh mẽ. Lưu ý rằng các RFM rất hiệu quả đã được thiết kế và sử dụng trước khi có bất kỳ CAD nào.
Hỏi: Nhưng sau khi thiết kế xong, điều gì cản trở việc sử dụng AFM?
A: Trong stato đơn - cấu trúc liên kết rôto kép của một thực tế không có ách AFM, sẽ nói thêm về điều đó ở phần sau), có hai khe hở không khí: một khe hở giữa đĩa rôto thứ nhất và stato và một khe hở khác giữa đĩa rôto thứ hai và stato. Một khe hở không khí đồng đều là điều cần thiết giữa rôto và stato để giảm thiểu tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt (chạy mạnh). Vì RFM chỉ có một khe hở không khí nên tính đồng nhất này dễ thiết lập và duy trì hơn so với thực hiện trong AFM, cả trong giai đoạn sản xuất cũng như triển khai và sử dụng tại hiện trường.
Hỏi: Còn nữa không?
A: Tuyệt đối. Nhớ lại quan điểm về hiệu suất nhiệt của hai loại động cơ. Các chi tiết cụ thể rất tinh tế: Trong trường hợp RFM, stato thường được làm mát gián tiếp từ bên ngoài; trong những trường hợp cực đoan, việc này được thực hiện thông qua áo nước trong vỏ. Các RFM gần đây hơn được làm mát thông qua làm mát dầu trực tiếp, hiệu quả hơn so với làm mát gián tiếp vì nó loại bỏ nhiệt trực tiếp từ nơi nó được tạo ra.
Đối với AFM, đường dẫn dòng nhiệt làm mát phức tạp hơn, do đó việc thoát nhiệt ra khỏi động cơ sẽ khó khăn hơn, ngay cả khi lượng nhiệt cần loại bỏ ít hơn. Các cuộn dây của AFM nằm sâu bên trong stato và giữa hai đĩa rôto nên khó tản nhiệt.
Hỏi: Còn vấn đề sản xuất thì sao?
A: Việc sản xuất RFM là một quá trình rất hoàn thiện và có tính tự động hóa cao. Có nhiều bước, chẳng hạn như tìm nguồn cung ứng và chuẩn bị vật liệu, đục lỗ các bộ phận, hàn, cuộn dây và thử nghiệm cuối cùng, được mô tả và tối ưu hóa. Ngược lại, hiện tại, việc sản xuất AFM với số lượng lớn thực tế gặp nhiều thách thức hơn và ít được tiêu chuẩn hóa hơn.
Phần cuối cùng của Câu hỏi thường gặp này xem xét một số vấn đề thực tế liên quan đến việc áp dụng AFM.
Nội dung liên quan đến EE World
Động cơ không chổi than và bảng tên động cơ
Chẩn đoán dựa trên phạm vi của bộ truyền động động cơ ba pha
Tại sao bạn không cần ổ đĩa có tốc độ thay đổi để thay đổi tốc độ của quạt
Hỏi đáp về động cơ máy kéo phần 1
Hỏi đáp về động cơ máy kéo phần 2
Hỏi đáp về động cơ máy kéo phần 3
Bộ truyền động đơn cực và lưỡng cực cho động cơ bước, Phần 1: nguyên tắc
Bộ truyền động đơn cực và lưỡng cực cho động cơ bước, Phần 2: Sự cân bằng
Ổ đĩa đơn cực và lưỡng cực cho động cơ bước, Phần 3: IC điều khiển
Câu hỏi thường gặp về động cơ servo: phần 1
Câu hỏi thường gặp về động cơ servo: phần 2
Tài liệu tham khảo bên ngoài
Đại học Bang Iowa, “Đặc điểm của động cơ”
YASA, “Thông lượng hướng trục: Tương lai của động cơ đẩy xe điện hiệu suất”
Kỹ thuật di động điện tử, “Động cơ hướng trục”
Nam châm Stanford, “Tổng quan về Động cơ từ thông hướng trục & Nam châm động cơ từ thông hướng trục”
Học viện Magnet, Phòng thí nghiệm Mag Quốc gia, “Davenport Motor - 1834”
Eaton, “Tại sao mật độ mô-men xoắn lại quan trọng đối với thiết kế máy”
chân trời Công nghệ, “Thiết kế động cơ điện: Thông lượng xuyên tâm so với thông lượng hướng trục và ngang”
BV ba trục, “Động cơ từ thông hướng trục và Động cơ từ thông hướng tâm: Tập trung vào định hướng từ trường”
BV ba trục, “Tại sao không phải tất cả các động cơ xe điện đều có thông lượng dọc trục (Tuy nhiên)?”
Đổi mới từ tính, “Động cơ nam châm vĩnh cửu có dòng hướng tâm là gì?”
Storables, “Tesla sử dụng động cơ điện nào?”
Tesla, “Các hệ thống con: Loại động cơ và thông số kỹ thuật”
Tạp chí Kỹ thuật Điện Châu Âu, tháng 2014 năm XNUMX, “Mô hình hóa từ tính của động cơ nam châm vĩnh cửu xuyên tâm và hướng trục-thông lượng cho ô tô truyền động trực tiếp. Thông số kỹ thuật và so sánh”
Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, “So sánh các máy thông lượng hướng trục và hướng trục rôto bên ngoài để ứng dụng trong xe điện”
Lớp học Kilowatt LLC, “Các nguyên tắc cơ bản về truyền động tần số thay đổi”
VFDS.org, “Ổ đĩa tần số thay đổi”