Những điểm chính để lựa chọn rôto động cơ thông hướng trục trong các điều kiện vận hành khác nhau - Động cơ trung tâm, khớp robot, lực đẩy của máy bay không người lái

Giới thiệu: Chuyển đổi mô hình từ 'Xi lanh' sang 'Đĩa'

Khi mọi người nghĩ về động cơ điện, hầu hết mọi người đều hình dung ra một hình trụ dài trong đó stato bao quanh rôto và từ trường lan truyền xuyên tâm. Tuy nhiên, một động cơ thách thức hình dạng thông thường này đang thúc đẩy một cuộc cách mạng công nghệ mới – động cơ động cơ thông hướng trục . Nó nén stato và rôto thành một đĩa gần như phẳng, nhỏ gọn như một chiếc bánh sandwich.

Cốt lõi của cuộc cách mạng làm phẳng này nằm ở sự thay đổi cơ bản về hướng đường từ trường. Trong động cơ hướng tâm truyền thống, từ trường tỏa ra ngoài trục; trong động cơ từ thông hướng trục, từ trường chạy song song với trục, với stato và rôto đối diện nhau theo kiểu sắp xếp đĩa. Sự thay đổi này mang lại những lợi thế về hiệu suất đáng kinh ngạc:  với cùng cách sử dụng vật liệu, mô-men xoắn của động cơ từ thông hướng trục tỷ lệ với lập phương của đường kính rôto (trong khi đối với động cơ hướng tâm truyền thống nó chỉ bằng bình phương của đường kính), đạt được mật độ mô-men xoắn tăng 2–3 lần và hiệu suất vượt quá 96%.  Đồng thời, chiều dài trục của nó chỉ bằng 1/3 đến 1/2 so với động cơ thông thường, với khối lượng giảm hơn 50% và trọng lượng giảm khoảng 40%–50% ở cùng công suất.

Chìa khóa để đạt được mật độ công suất và mô men xoắn cao như vậy trong động cơ từ thông hướng trục nằm ở thiết kế khéo léo của cấu trúc rôto. Các kịch bản ứng dụng khác nhau đặt ra các yêu cầu về hiệu suất riêng biệt và việc lựa chọn cấu trúc mạch từ rôto, vật liệu nam châm vĩnh cửu và cấu trúc liên kết thường trực tiếp xác định liệu động cơ có thể phát huy hết các ưu điểm của nó hay không. Bài viết này bắt đầu với ba kịch bản ứng dụng điển hình – động cơ trung tâm, khớp robot và động cơ đẩy của máy bay không người lái – và phân tích một cách có hệ thống các điểm cốt lõi của việc lựa chọn rôto.

1. Động cơ trung tâm: Sự cân bằng giữa mật độ mô-men xoắn và dải tốc độ rộng

Động cơ trung tâm được lắp bên trong vành bánh xe, nơi không gian cực kỳ hạn chế – đây là hạn chế thiết kế chính. Chúng phải đồng thời cung cấp mật độ mô-men xoắn cao (để khởi động và leo dốc), phạm vi tốc độ rộng (từ bò tốc độ thấp đến bay tốc độ cao) và khả năng tản nhiệt tốt.

Về mặt lựa chọn cấu trúc rôto, động cơ trung tâm thường sử dụng  loại gắn trên bề mặt và loại nan hoa (bên trong) , mỗi loại có mức độ ưu tiên thiết kế khác nhau. Nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt được gắn trực tiếp vào bề mặt lõi rôto, mang lại cấu trúc đơn giản, mật độ từ thông khe hở không khí cao và phù hợp cho các ứng dụng theo đuổi mật độ năng lượng tối đa. Tuy nhiên, tốc độ quay cao của rôto có đường kính lớn tạo ra lực ly tâm cực lớn, cần có ống bọc giữ để cố định các nam châm gắn trên bề mặt. Điều này đòi hỏi vật liệu không từ tính có độ bền cao và bản thân ống bọc sẽ làm tăng khe hở không khí, do đó làm giảm công suất.

Nam châm vĩnh cửu dạng nan hoa (bên trong) được nhúng bên trong rôto. Thông qua việc tập trung từ thông, chúng cải thiện đáng kể mật độ mô-men xoắn và khả năng mở rộng tốc độ làm suy yếu từ thông. Ví dụ, động cơ trung tâm kiểu nan hoa STAF-PMSM do Đại học Giang Tô thiết kế sử dụng cấu trúc cánh quạt kép để tăng diện tích kích thích khe hở không khí, đạt được sự kích thích tập trung từ thông. Nó cung cấp mô-men xoắn cực đại 280 N·m và công suất tối đa 15 kW, khiến nó phù hợp với các phương tiện sử dụng năng lượng mới dẫn động bằng bánh xe phân tán. Hơn nữa, cấu trúc bên trong bảo vệ hiệu quả nam châm vĩnh cửu khỏi tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao và tác động cơ học, khắc phục nguy cơ bong nam châm mà các loại gắn trên bề mặt gặp phải ở tốc độ cao.

Quản lý nhiệt là một thách thức cốt lõi khác đối với động cơ trung tâm. Khi hoạt động ở công suất cao, tổn thất điện từ tập trung và điều kiện làm mát kém. Điều này đòi hỏi phải lập mô hình nhiệt chính xác dựa trên phân tích tổn thất để đạt được khả năng làm mát hiệu quả. Hiện tại, động cơ thông lượng hướng trục một rôto kép stato (AFIR) cải thiện mật độ công suất bằng cách tăng tải điện với hai stato, trong khi động cơ từ thông hướng trục không có ách (YASA) loại bỏ gông stato để giảm tổn thất sắt, giảm tải nhiệt đồng thời cải thiện hiệu suất và mật độ mô-men xoắn.

Nhìn chung, việc lựa chọn rôto cho động cơ trung tâm phải cân bằng giữa  mật độ mô-men xoắn, khả năng mở rộng tốc độ và độ tin cậy . Đối với các yêu cầu mô-men xoắn cao tốc độ thấp, cấu trúc gắn trên bề mặt hoặc kiểu nan hoa được ưu tiên, nhưng nếu cần phạm vi tốc độ rộng thì kiểu nan hoa phù hợp hơn vì nồng độ từ thông và khả năng làm suy yếu từ thông của nó.

2. Khớp robot: Yêu cầu kép về quán tính thấp và điều khiển chính xác

Khớp robot đòi hỏi những đặc tính khác biệt rõ rệt so với động cơ trung tâm. Ở các khớp lớn như hông, thắt lưng và chân, yêu cầu cốt lõi là công suất mô-men xoắn cao và trọng lượng cực nhẹ – so với động cơ hướng tâm truyền thống, động cơ hướng trục trong những tình huống này có thể giảm mức chiếm dụng không gian từ 30%–60% và hơn 30% trọng lượng, với một số thiết kế đạt tới 60%–70%. Ở các khớp nhỏ như cổ tay và ngón tay, độ chính xác và quán tính thấp trở thành ưu tiên cao hơn.

Tỷ lệ mô-men xoắn trên quán tính  là thông số thiết kế chính cho động cơ khớp robot. Nghiên cứu cho thấy rằng mô-men xoắn của động cơ từ thông hướng trục tỷ lệ với lập phương đường kính rô-to, nghĩa là có thể đạt được công suất mô-men xoắn cực cao ở tốc độ thấp trong không gian nhỏ gọn của khớp phẳng, trong khi cấu trúc đĩa mỏng có thể được nhúng trực tiếp vào khớp và đơn giản hóa quá trình tản nhiệt.

Để lựa chọn rôto, các khớp robot ưu tiên cho các cấu trúc gắn trên bề mặt hoặc mảng Halbach. Cấu trúc gắn trên bề mặt với tổn thất rôto thấp và mômen quán tính thấp cho phép  phản ứng động nhanh hơn  – thời gian phản hồi tăng tốc có thể giảm từ 15 mili giây xuống còn 5–8 mili giây, điều này rất quan trọng đối với các chuyển động của rô-bốt yêu cầu khởi động/dừng nhanh và định vị chính xác. Mảng Halbach, thông qua mô hình hướng từ hóa cụ thể, tăng cường từ trường ở một bên trong khi gần như triệt tiêu nó ở bên kia, cho phép loại bỏ lõi rôto và giảm hơn nữa quán tính và tổn thất rôto.

Thiết kế mạch từ và lựa chọn vật liệu nam châm vĩnh cửu cũng đòi hỏi sự điều khiển chính xác. Động cơ từ thông hướng trục sử dụng cách bố trí nam châm hình khuyên, giúp rút ngắn chiều dài đường dẫn từ và tăng mật độ mô-men xoắn so với cách bố trí xuyên tâm của động cơ từ thông hướng tâm truyền thống. Ngoài ra, do các khớp nối của robot thường bao gồm các bộ giảm tốc hoặc thậm chí là các sơ đồ truyền động gần như trực tiếp (QDD), nên cần có độ kháng từ và độ ổn định nhiệt cao hơn. Khi chi phí cho phép, các cấp độ kháng từ cao với đất hiếm nặng như dysprosium và terbium có thể ngăn chặn hiệu quả quá trình khử từ từ từ trường ngược trong quá trình vận hành.

Đối với các khớp nối nhỏ trong phạm vi 16–18 mm, động cơ từ thông hướng trục loại PCB đang cho thấy những ưu điểm độc đáo. Sử dụng phương pháp khắc thay vì cuộn dây đồng truyền thống, chúng mang lại tính nhất quán trong sản xuất cao, tổn thất sắt thấp và cực kỳ nhẹ.

3. Động cơ đẩy của máy bay không người lái: Những thách thức cực độ về mật độ năng lượng và khả năng chống khử từ nhiệt

Hệ thống động cơ đẩy của máy bay không người lái phải đối mặt với một mâu thuẫn cơ bản:  mỗi gram trọng lượng tăng thêm sẽ làm giảm thời gian bay và mỗi mức tăng nhiệt độ sẽ làm giảm công suất . Dữ liệu cho thấy rằng đối với động cơ từ thông hướng trục có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng vượt quá 25:1, việc giảm khối lượng đi 1 kg có thể tăng phạm vi hoạt động thêm khoảng 10 km. Do đó, trọng lượng nhẹ và mật độ công suất cao là tiêu chí thiết kế chính cho động cơ đẩy máy bay không người lái.

Về mật độ công suất, động cơ từ thông hướng trục cho thấy những ưu điểm vượt trội trong động cơ đẩy của máy bay không người lái. Mật độ công suất thể tích của chúng có thể đạt tới  14,9 kW/kg , vượt xa so với động cơ hướng tâm truyền thống. Mật độ công suất đo được nằm trong khoảng từ  5,8 đến 21 kW/kg , với mật độ mô-men xoắn từ  15 đến 25 Nm/kg . Hệ thống động cơ đẩy thông lượng hướng trục T-series 'Yufeng' mới nhất đạt được mật độ công suất liên tục là 10 Nm/kg và mật độ mô-men xoắn cực đại là 20 Nm/kg, khiến nó rất phù hợp cho động cơ đẩy dẫn động trực tiếp trên các máy bay tiên tiến như eVTOL có người lái và máy bay không người lái cánh kép.

Ngoài mật độ năng lượng, động cơ đẩy của máy bay không người lái còn phải đối mặt với nguy cơ mất từ ​​tính trong môi trường nhiệt độ cao. Trong suốt chuyến bay, động cơ hoạt động ở công suất cao trong thời gian dài, khiến nhiệt độ cuộn dây và nam châm vĩnh cửu tăng nhanh. Nếu các nhiệm vụ được thực hiện ở những vùng có nhiệt độ mùa hè hoặc sa mạc, sự kết hợp giữa nhiệt độ môi trường xung quanh và khả năng tự sưởi ấm sẽ tạo ra những thách thức khử từ nghiêm trọng đối với nam châm vĩnh cửu.

Lựa chọn vật liệu nam châm vĩnh cửu ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy ở nhiệt độ cao của động cơ máy bay không người lái.  Trong số các vật liệu nam châm vĩnh cửu phổ biến, neodymium-iron-boron (NdFeB) mang lại hiệu suất từ ​​tính cao nhất, nhưng loại tiêu chuẩn (dòng N) có nhiệt độ hoạt động tối đa chỉ 80–100°C và sự mất từ ​​tính không thể phục hồi có thể xảy ra trên 200°C. Các loại NdFeB có độ kháng từ cao (dòng SH, UH, EH, AH) có thể hoạt động ở nhiệt độ lên tới 150–240°C, nhưng độ ổn định ở nhiệt độ cao của chúng vẫn kém hơn so với samarium-coban (SmCo). Nam châm SmCo có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ trên  300°C , với nhiệt độ Curie vượt quá 720°C và tính chất từ ​​của chúng chỉ thay đổi 1/4–1/3 bằng NdFeB theo nhiệt độ. Nhược điểm là sản phẩm có năng lượng từ tính thấp hơn một chút và giá thành cao hơn. Đối với máy bay không người lái dành cho người tiêu dùng, NdFeB hiệu suất cao là đủ cho hầu hết các nhu cầu; nhưng đối với máy bay không người lái công nghiệp và eVTOL có người lái trong điều kiện nhiệt độ cao, công suất cao, SmCo – bất chấp giá thành – là sự lựa chọn cần thiết để đảm bảo độ tin cậy.

4. Tổng quan nhanh về các loại rôto: So sánh gắn trên bề mặt và bên trong

Dựa trên phân tích trên, các loại cấu trúc rôto chính cho động cơ từ thông hướng trục được tóm tắt trong bảng sau:

5. SDM: Trình điều khiển chính cho rôto động cơ thông lượng hướng trục gắn trên bề mặt

Sau khi phân tích các điểm lựa chọn rôto chính cho ba kịch bản chính, chúng tôi đi đến yếu tố cốt lõi –  khả năng kỹ thuật cho nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao và cấu trúc rôto gắn trên bề mặt . Đây chính xác là lợi thế kỹ thuật của SDM.

SDM là doanh nghiệp công nghệ cao quốc gia tập trung vào nam châm và giải pháp từ tính, với 16 năm kinh nghiệm trong sản xuất nam châm chuyên nghiệp. Công ty có quan hệ hợp tác chiến lược với China Aluminium, doanh nghiệp khai thác đất hiếm lớn nhất Trung Quốc, đảm bảo nguồn cung cấp nguyên liệu đất hiếm ổn định và an toàn. Đồng thời, SDM tiến hành nghiên cứu hợp tác chuyên sâu với Viện  Hàn lâm Khoa học Trung Quốc  và làm việc với khách hàng về phân tích phần tử hữu hạn (FEA), cung cấp hỗ trợ mô phỏng chính xác ngay từ khi bắt đầu thiết kế mạch từ, từ đó rút ngắn chu kỳ phát triển và giảm chi phí thử và sai.

Trong lĩnh vực rôto động cơ từ thông hướng trục gắn trên bề mặt, SDM mang lại những lợi thế về thiết kế và sản xuất có hệ thống:

Đầu tiên, một hệ thống sản xuất hoàn chỉnh với các chứng nhận cấp cao.  Công ty đạt IATF 16949 (hệ thống quản lý chất lượng ô tô), đã duy trì kỷ lục không có khuyết tật (0 PPM) với tư cách là nhà cung cấp Cấp 2 cho General Motors kể từ năm 2010 và cũng sở hữu các chứng chỉ ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, lượng khí thải carbon và BSCI. Sản phẩm của hãng tuân thủ các yêu cầu thử nghiệm RoHS, REACH và SGS. Điều này có nghĩa là mỗi lô nam châm vĩnh cửu đều phải trải qua quá trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, từ truy xuất nguồn gốc nguyên liệu thô đến vận chuyển thành phẩm.

Thứ hai, công nghệ xử lý tích hợp hoàn thiện cho các cấu trúc cánh quạt gắn trên bề mặt.  Trong động cơ từ thông hướng trục, đĩa rôto nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt phải đồng thời giải quyết ba khó khăn kỹ thuật chính:  cố định nam châm cường độ cao, ổn định khi vận hành tốc độ cao và khả năng sản xuất/lắp ráp . SDM cung cấp nhiều tùy chọn vật liệu từ tính khác nhau, bao gồm các loại NdFeB có độ kháng từ cao và dòng SmCo. Nó sử dụng sự kết hợp của các tấm ép/khung cố định bằng polyme có độ bền cao, tổn thất thấp, bàn là phía sau rô-to và ống bọc bằng sợi carbon để đảm bảo định vị nam châm đáng tin cậy khi vận hành tốc độ cao, đồng thời giảm thiểu tổn thất dòng điện xoáy của rô-to. Giải pháp này đã chứng minh được ưu điểm toàn diện về tổn thất rôto thấp, độ bền kết cấu cao và khả năng xử lý lắp ráp tốt.

Thứ ba, đội ngũ kỹ thuật hàng đầu hỗ trợ tùy chỉnh cao cấp.  Đội ngũ kỹ thuật được xây dựng bởi  các chuyên gia về vật liệu từ tính của Viện Khoa học Trung Quốc , bao gồm 2 tiến sĩ, 5 người có bằng thạc sĩ, 8 kỹ sư cao cấp và hơn 80 nhân viên kỹ thuật và kỹ thuật. Công ty đã thành lập một trung tâm R&D của thành phố và một trạm làm việc sau tiến sĩ. Do đó, SDM không chỉ có thể sản xuất nam châm thông thường mà còn cung cấp các giải pháp kỹ thuật toàn diện cho các yêu cầu mạch từ thực tế trong các điều kiện làm việc khác nhau (động cơ trung tâm, khớp robot, lực đẩy của máy bay không người lái), bao gồm lựa chọn cấp nam châm (cấp NdFeB N/M/UH có độ kháng từ cực cao, dòng SmCo5 / Sm-Co-₇), tính toán biên nhiệt độ khử từ và mô phỏng phần tử hữu hạn.

Thứ tư, hợp tác nghiên cứu giữa ngành và trường đại học và danh mục sản phẩm đa dạng.  SDM duy trì mối quan hệ hợp tác với Viện Công nghệ và Kỹ thuật Vật liệu (CAS) Ninh Ba và Đại học Giao thông Tây Nam, liên tục theo dõi những tiến bộ trong vật liệu từ tính. Dòng sản phẩm của công ty bao gồm stato và rôto động cơ vi mô, động cơ đệm từ, cảm biến, bộ phân giải, bộ cách ly quang, nam châm vĩnh cửu và các bộ phận từ mềm, cung cấp hỗ trợ vật liệu từ tính toàn diện cho các thiết kế động cơ trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Phần kết luận

Với cấu trúc dẹt và mật độ năng lượng biến đổi, động cơ từ thông hướng trục đang xác định lại cấu trúc năng lượng của xe điện, robot hình người và máy bay tầm thấp. Trong cuộc đua công nghệ tập trung vào 'mật độ mô-men xoắn' và 'trọng lượng nhẹ', thiết kế cấu trúc cánh quạt và chất lượng của vật liệu nam châm vĩnh cửu đặt giới hạn dưới, trong khi cấu trúc gắn trên bề mặt – với  thiết kế đơn giản, phản hồi động nhanh và mật độ mô-men xoắn cao  – chiếm vị trí không thể thay thế trong các khớp robot, ổ trục mô-men xoắn cao tốc độ thấp và các ứng dụng khác đòi hỏi hiệu suất cao và quán tính thấp.

Từ việc tối ưu hóa chính xác cấu trúc liên kết mạch từ đến thiết kế ổn định nhiệt độ cao của vật liệu nam châm vĩnh cửu, chỉ bằng cách nắm vững chuỗi công nghệ vật liệu cốt lõi và quy trình sản xuất rôto hoàn chỉnh thì mới có thể tạo ra một con hào thực sự trong cuộc cạnh tranh khốc liệt trên thị trường. SDM, với uy tín là doanh nghiệp công nghệ cao quốc gia, 16 năm kinh nghiệm tích lũy trong lĩnh vực nam châm vĩnh cửu, hỗ trợ kỹ thuật từ nhóm chuyên gia do CAS xây dựng và hệ thống quản lý chất lượng có hệ thống, cung cấp nền tảng vững chắc cho độ tin cậy cao và hiệu suất cao của rôto động cơ từ thông hướng trục gắn trên bề mặt. Cho dù đó là thách thức về phạm vi tốc độ rộng của động cơ trung tâm, nhu cầu điều khiển độ chính xác quán tính thấp của các khớp robot hay các yêu cầu khắc nghiệt về mật độ công suất và khả năng chống khử từ trong động cơ đẩy của máy bay không người lái, SDM cung cấp các giải pháp kỹ thuật toàn diện từ vật liệu đến mô phỏng – chính xác là động lực không thể thiếu để di chuyển động cơ thông hướng trục từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng quy mô lớn.