Trong các khớp nối của robot chính xác, dưới cánh quạt của máy bay không người lái và thậm chí trong các hoạt động tinh vi của thiết bị y tế, một bộ phận quan trọng được giấu kín—bộ phận động cơ mô-men xoắn không khung . Trong số đó, hệ số hồ quang của nam châm rôto là lực bí ẩn ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.
Trong công nghệ hiện đại, động cơ mô-men xoắn không khung đã trở thành thành phần cốt lõi cho khớp robot, robot y tế và hệ thống đẩy máy bay không người lái. Không giống như động cơ truyền thống, động cơ mô-men xoắn không khung áp dụng thiết kế không khung , đặc trưng bởi kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, quán tính thấp và cấu trúc nhỏ gọn.
Trong số nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ, hệ số hồ quang của nam châm rôto đóng một vai trò quan trọng trong việc phân bổ từ trường và hiệu suất tổng thể của động cơ. Bài viết này sẽ cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về thông số tưởng chừng nhỏ nhưng cực kỳ quan trọng này.
01 Giới thiệu về Động cơ mô-men xoắn không khung
Động cơ mô-men xoắn không khung là loại động cơ mới được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng đặc biệt . Nó loại bỏ cấu trúc khung của động cơ truyền thống và tích hợp trực tiếp stato và rôto vào thiết bị của khách hàng.
Thiết kế này mang lại cho động cơ mật độ công suất cao hơn và cấu trúc nhỏ gọn hơn, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng có không gian hạn chế.
02 Định nghĩa và tầm quan trọng của hệ số cung
Hệ số hồ quang (hoặc hệ số hồ quang cực) đề cập đến tỷ lệ giữa chiều dài hồ quang cực nam châm vĩnh cửu với bước cực . Đây là một tham số quan trọng mô tả phạm vi phủ sóng của các cực từ. Trong thiết kế động cơ, hệ số hồ quang ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố và dạng sóng của từ trường khe hở không khí, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất đầu ra mô-men xoắn và độ trơn tru khi vận hành của động cơ.
Hệ số hồ quang thích hợp có thể làm cho phân bố từ trường khe hở không khí gần với sóng hình sin hơn, giảm hàm lượng sóng hài , độ gợn mô-men xoắn thấp hơn và do đó cải thiện độ chính xác điều khiển và hiệu quả vận hành của động cơ.
Nghiên cứu cho thấy rằng sử dụng hệ số cung cực 0,85 có thể đạt được các đặc tính đầu ra tương đối lý tưởng.
03 Ảnh hưởng của hệ số hồ quang đến sự phân bố từ trường
Hệ số hồ quang ảnh hưởng đến sự phân bố từ trường của động cơ theo nhiều cách:
Độ lớn từ thông:
Hệ số hồ quang lớn hơn thường có nghĩa là diện tích mặt cắt ngang của nam châm lớn hơn, cho phép nó tạo ra nhiều từ thông hơn , do đó làm tăng mô-men xoắn đầu ra của động cơ.
Dạng sóng từ trường:
Hệ số hồ quang phù hợp có thể làm cho sự phân bố từ trường khe hở không khí trở nên hình sin hơn, giảm hàm lượng sóng hài và do đó làm giảm độ gợn sóng mô-men xoắn và tiếng ồn vận hành của động cơ.
Mô-men xoắn cogging:
Việc tối ưu hóa hệ số hồ quang có thể làm giảm mômen xoắn một cách hiệu quả (sự gợn sóng mômen định kỳ gây ra bởi sự tương tác giữa các khe stato và nam châm vĩnh cửu).
Độ bão hòa lõi sắt:
Hệ số hồ quang cùng với chiều rộng răng stato ảnh hưởng đến mức độ bão hòa lõi sắt trong động cơ. Độ bão hòa quá mức làm tăng tính phi tuyến tính của đường cong đặc tính mô-men xoắn của động cơ và làm tăng dao động mô-men xoắn.
04 Ảnh hưởng tương tác của hệ số hồ quang với các thông số khác
Hệ số cung không hoạt động độc lập; nó có những tương tác phức tạp với các thông số động cơ khác:
Bảng: Ảnh hưởng tương tác của hệ số hồ quang với các thông số khác
Tên thông số |
Biểu hiện tương tác |
Đề xuất tối ưu hóa |
Số cực |
Việc tăng số cực dẫn đến giảm hồ quang của từng cực từ riêng lẻ, có khả năng làm giảm từ thông. |
Tìm sự cân bằng tối ưu giữa số cực và hệ số cung. |
Chiều rộng răng Stator |
Chiều rộng răng stato là thông số chính ảnh hưởng đến độ bão hòa lõi sắt, đồng thời ảnh hưởng đến sự phân bố từ trường với hệ số hồ quang. |
Tối ưu hóa đồng thời chiều rộng răng stato và hệ số cung. |
Chiều dài khe hở không khí |
Độ dài khe hở không khí ảnh hưởng đến từ trở từ, do đó ảnh hưởng đến từ thông và phân bố từ trường. |
Hãy xem xét tác động tổng hợp của chiều dài khe hở không khí và hệ số hồ quang lên từ trường. |
Chất liệu PM |
Các vật liệu nam châm vĩnh cửu khác nhau (ví dụ N38EH, N48UH) có đặc tính từ tính khác nhau, đòi hỏi phải tối ưu hóa hệ số hồ quang khác nhau. |
Điều chỉnh hệ số hồ quang theo đặc tính vật liệu PM. |
05 Phương Pháp Tối Ưu Hóa Hệ Số Arc
Tối ưu hóa hệ số hồ quang là một phần quan trọng trong thiết kế động cơ. Các phương pháp chính bao gồm:
Phân tích phần tử hữu hạn (FEA):
Sử dụng phần mềm FEA để mô phỏng chính xác từ trường của động cơ, tìm hệ số hồ quang tối ưu thông qua quét tham số.
Nghiêng (Khe hoặc Cực):
Sử dụng kỹ thuật xiên có thể làm suy yếu mô-men xoắn bánh răng một cách hiệu quả. Kết hợp với việc tối ưu hóa hệ số hồ quang, nó có thể cải thiện hơn nữa hiệu suất của động cơ.
Thiết kế khe phụ trợ:
Việc bổ sung thêm các khe phụ trên đầu răng stato có thể làm thay đổi sự phân bố từ trường và giảm gợn sóng mô-men xoắn. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc thêm các khe phụ 0,5mm có thể giảm độ gợn mô-men xoắn xuống 0,25 điểm phần trăm.
Tối ưu hóa đa mục tiêu:
Xem xét toàn diện tác động của hệ số hồ quang đến công suất mô-men xoắn, gợn sóng mô-men xoắn, tổn thất sắt và tổn thất đồng để tìm ra giải pháp tốt nhất đáp ứng nhiều yêu cầu về hiệu suất.
06 Ứng dụng thực tế và nghiên cứu điển hình
Trong các ứng dụng thực tế, việc tối ưu hóa hệ số hồ quang đã mang lại những cải tiến hiệu suất đáng kể:
Động cơ mô-men xoắn robot:
Nghiên cứu chỉ ra rằng các biện pháp như tối ưu hóa hệ số hồ quang cực có thể làm giảm tác động của độ bão hòa lõi sắt đến đặc tính mô-men xoắn, cải thiện tính tuyến tính của đường cong đặc tính mô-men xoắn của động cơ và giảm dao động mô-men xoắn.
Thiết kế động cơ không khung:
Một động cơ không khung dành cho robot cộng tác, sử dụng thiết kế 24 khe 28 cực và tối ưu hóa thông số (bao gồm cả hệ số hồ quang), đã đạt được mô-men xoắn định mức 0,52Nm, mô-men xoắn cực đại 1,2Nm, trong khi mô-men xoắn bánh răng chỉ 0,0047Nm, giữ tỷ lệ gợn mô-men xoắn dưới 1%.
Ứng dụng mảng Halbach:
Sử dụng cấu trúc rôto với dãy Halbach so với nam châm gắn trên bề mặt truyền thống có thể tăng hằng số mô-men xoắn lên 7,6% trong điều kiện định mức và 21,6% trong điều kiện quá tải.
07 Xu hướng phát triển trong tương lai
Với những tiến bộ công nghệ, việc tối ưu hóa hệ số hồ quang nam châm rôto trong động cơ mô-men xoắn không khung tiếp tục tiến triển:
Phân tích khớp nối đa vật lý:
Tối ưu hóa trong tương lai sẽ không chỉ xem xét hiệu suất điện từ mà còn tích hợp tác động của nhiều trường vật lý như hiệu suất nhiệt và ứng suất cơ học.
Ứng dụng vật liệu mới:
Việc phát triển và ứng dụng các vật liệu nam châm vĩnh cửu mới sẽ mang lại nhiều khả năng hơn cho việc thiết kế hệ số hồ quang, chẳng hạn như vật liệu nam châm có hiệu suất chống khử từ tốt hơn ở nhiệt độ cao.
Thiết kế thông minh:
Sử dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo để đẩy nhanh quá trình tối ưu hóa hệ số hồ quang, đạt được sự tự động hóa và tối ưu hóa thiết kế động cơ.
Giải pháp tùy chỉnh:
Phát triển các giải pháp tối ưu hóa hệ số hồ quang tùy chỉnh phù hợp với đặc điểm của các tình huống ứng dụng khác nhau (ví dụ: khớp robot, thiết bị y tế, máy bay không người lái).
Việc tối ưu hóa hệ số hồ quang chỉ là một phần của thiết kế động cơ mô-men xoắn không khung, nhưng tác dụng hiệp đồng của nó với các thông số như số cực, chiều rộng răng stato và chiều dài khe hở không khí có thể tạo ra nguồn điện mạnh hơn và chính xác hơn.
Trong tương lai, với việc ứng dụng các vật liệu mới và công nghệ thiết kế thông minh, việc tối ưu hóa hệ số hồ quang sẽ trở nên chính xác hơn, mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng động cơ có độ chính xác cao.
