Các yếu tố chính trong phát triển động cơ tốc độ cao

Với sự phát triển mạnh mẽ của thị trường xe năng lượng mới toàn cầu, tốc độ của động cơ truyền động đã cho thấy sự tăng trưởng đáng kinh ngạc. Từ tốc độ 18.000 vòng/phút cách đây vài năm cho đến tốc độ vượt quá 20.000 vòng/phút ngày nay, điều này không chỉ thể hiện một bước đột phá về số lượng mà còn là những bài kiểm tra nghiêm ngặt về công nghệ thiết kế và sản xuất động cơ. Bài viết này thảo luận về một số khía cạnh của phát triển động cơ tốc độ cao.

 

01. Lựa chọn rôto Số cặp cực

Trong động cơ tốc độ cao, tổn hao sắt đã trở thành một yếu tố quan trọng không thể tránh khỏi, đặc biệt ở dải tốc độ cao. Có mối quan hệ chặt chẽ giữa số cực động cơ và tổn thất sắt vì khi tốc độ động cơ tăng, tần số từ thông thay đổi trong lõi cũng tăng lên, dẫn đến tổn thất sắt tăng đáng kể.

Ví dụ, trong động cơ hoạt động ở tốc độ 20.000 vòng/phút, động cơ 6 cực đạt tần số làm việc 1000 Hz, trong khi động cơ 8 cực tăng tần số này lên 1333 Hz. Theo công thức tính tổn thất sắt nêu trên, việc tăng tần suất hoạt động trực tiếp dẫn đến tổn thất sắt tăng.

Trong xu hướng thiết kế động cơ tốc độ cao, chúng ta có thể thấy việc sử dụng tổ hợp khe cực 8/48 giảm dần và việc sử dụng tổ hợp khe cực 6/54 ngày càng tăng.

Nguyên nhân của sự thay đổi này nằm ở những cân nhắc nêu trên về thất thoát sắt. Để giảm tổn thất sắt trong quá trình vận hành tốc độ cao, các nhà thiết kế có xu hướng lựa chọn tổ hợp khe cực 6/54 để đạt được hiệu suất điện từ tốt hơn và hiệu suất cao hơn.

02. Lựa chọn hệ thống làm mát

Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao, nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của chúng. Do điểm hoạt động của nam châm vĩnh cửu thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ quá cao thậm chí có thể gây nguy cơ khử từ cho nam châm. Hơn nữa, mật độ công suất cao của động cơ điện trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới hạn chế diện tích bề mặt làm mát, khiến việc thiết kế hệ thống làm mát trở nên quan trọng để đảm bảo hiệu suất động cơ ổn định.

Khi xem xét các phương pháp làm mát, tôi khuyên bạn nên sử dụng hệ thống làm mát bằng dầu cho động cơ có tốc độ vượt quá 18.000 vòng/phút. Điều này là do vấn đề làm nóng rôto trở nên đặc biệt nghiêm trọng khi tốc độ vượt quá 16.000 vòng/phút. Trong động cơ làm mát bằng nước, stato chủ yếu được làm mát, trong khi ở tốc độ cao, việc tản nhiệt rôto một cách hiệu quả thông qua làm mát bằng nước trở nên khó khăn.

Về giám sát nhiệt độ, các thiết kế động cơ hiện tại thường nhúng cảm biến nhiệt độ bên trong stato. Trong động cơ làm mát bằng nước, do cấu trúc kênh dòng chảy ổn định nên sự phân bố nhiệt độ của cuộn dây stato tương đối đồng đều và được kiểm soát tốt. Tuy nhiên, trong động cơ làm mát bằng dầu, tính linh hoạt cao hơn trong thiết kế của các kênh dòng chảy dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ đáng chú ý hơn giữa các cuộn dây so với động cơ làm mát bằng nước. Do đó, khi chọn vị trí cảm biến, điều quan trọng là phải xem xét các khu vực có nhiệt độ cuộn dây tăng cao hơn để giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ được theo dõi và điểm cuộn dây cao nhất, phản ánh chính xác trạng thái nhiệt thực tế của động cơ.

03. Những thách thức công nghệ của vòng bi tốc độ cao

Hệ thống đỡ rôto là thành phần cốt lõi trong quá trình phát triển động cơ tốc độ cao, trong đó việc lựa chọn công nghệ ổ trục là đặc biệt quan trọng. Hiện nay, ổ bi rãnh sâu được sử dụng phổ biến trong các loại vòng bi động cơ.

Trong môi trường tốc độ cao, vòng bi phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng như quá nhiệt và nguy cơ chạy. Điều này là do khi tốc độ tăng lên, ma sát và sinh nhiệt bên trong vòng bi cũng tăng mạnh, dẫn đến hiệu suất vòng bi giảm hoặc thậm chí bị hỏng. Vì vậy, việc bôi trơn vòng bi tốc độ cao là rất quan trọng.

Sau khi tốc độ động cơ vượt quá 18.000 vòng/phút, một lý do quan trọng khác để khuyến nghị làm mát bằng dầu là bôi trơn ổ trục. Trong động cơ làm mát bằng nước, vòng bi tự bôi trơn thường được sử dụng cho vòng bi. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành ở tốc độ cao, các vòng bi này phải đối mặt với những thách thức như rò rỉ dầu mỡ và chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vòng trong và vòng ngoài.

Ngược lại, vòng bi loại hở được sử dụng trong hệ thống làm mát bằng dầu có thể làm mát hiệu quả các vòng trong và ngoài của vòng bi, tránh vấn đề rò rỉ dầu mỡ và có hệ số ma sát lăn thấp hơn. Tuy nhiên, phải chú ý đến việc thiết kế đường dẫn dầu bôi trơn để đảm bảo làm mát ổ trục đầy đủ. Trong lỗ vai, cấu trúc nhô ra được nhúng để đảm bảo tốc độ dòng dầu làm mát tương đối đồng đều trước và sau vai.