Vì sự phân bổ tổn thất của động cơ thay đổi theo công suất và số cực nên để giảm tổn thất, chúng ta nên tập trung thực hiện các biện pháp đối với các thành phần tổn thất chính có công suất và số cực khác nhau. Một số cách giảm tổn thất được mô tả ngắn gọn như sau:

1. Tăng cường sử dụng vật liệu hiệu quả để giảm tổn thất cuộn dây và tổn thất sắt

Theo nguyên lý tương tự của động cơ, khi tải điện từ không đổi và không xem xét tổn hao cơ học thì tổn hao của động cơ xấp xỉ tỷ lệ với lập phương kích thước tuyến tính của động cơ và công suất đầu vào của động cơ xấp xỉ tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn của kích thước tuyến tính. Từ đó, có thể ước lượng được mối quan hệ giữa hiệu quả và việc sử dụng vật liệu hiệu quả. Để có được không gian rộng hơn trong các điều kiện kích thước lắp đặt nhất định để có thể đặt các vật liệu hiệu quả hơn nhằm cải thiện hiệu suất của động cơ, kích thước đường kính ngoài của chày stator trở thành một yếu tố quan trọng. Trong cùng một phạm vi cơ sở máy, động cơ Mỹ có công suất lớn hơn động cơ châu Âu. Để tạo điều kiện tản nhiệt và giảm sự tăng nhiệt độ, động cơ Mỹ thường sử dụng chày đột stato có đường kính ngoài lớn hơn, trong khi động cơ châu Âu thường sử dụng chày đột stato có đường kính ngoài nhỏ hơn do nhu cầu về các dẫn xuất cấu trúc như động cơ chống cháy nổ và để giảm lượng đồng sử dụng ở đầu cuộn dây và chi phí sản xuất.

2. Sử dụng vật liệu từ tính tốt hơn và các biện pháp xử lý để giảm thất thoát sắt

Các đặc tính từ tính (độ thấm từ và tổn thất sắt đơn vị) của vật liệu lõi có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và hiệu suất khác của động cơ. Đồng thời, chi phí vật liệu cốt lõi là bộ phận chính tạo nên giá thành của động cơ. Vì vậy, việc lựa chọn vật liệu từ tính phù hợp là chìa khóa để thiết kế và chế tạo động cơ hiệu suất cao. Ở động cơ có công suất cao hơn, tổn hao sắt chiếm một tỷ lệ đáng kể trong tổng tổn hao. Vì vậy, việc giảm giá trị tổn hao đơn vị của vật liệu lõi sẽ giúp giảm tổn hao sắt của động cơ. Do thiết kế và chế tạo động cơ nên tổn thất sắt của động cơ vượt quá giá trị tính toán theo giá trị hao hụt sắt đơn vị do nhà máy thép cung cấp. Do đó, giá trị tổn thất sắt đơn vị thường tăng 1,5 ~ 2 lần trong quá trình thiết kế để tính đến sự gia tăng tổn thất sắt.

Nguyên nhân chính khiến tổn thất sắt tăng là do giá trị tổn thất sắt đơn vị của nhà máy thép thu được bằng cách thử nghiệm mẫu vật liệu dạng dải theo phương pháp vòng tròn vuông Epstein. Tuy nhiên, vật liệu phải chịu ứng suất lớn sau khi đục lỗ, cắt và cán màng và tổn thất sẽ tăng lên. Ngoài ra, sự tồn tại của rãnh răng gây ra các khe hở không khí, dẫn đến tổn thất không tải trên bề mặt lõi do từ trường điều hòa của răng gây ra. Những điều này sẽ dẫn đến sự gia tăng đáng kể tổn thất sắt của động cơ sau khi nó được sản xuất. Vì vậy, ngoài việc lựa chọn vật liệu từ tính có đơn vị tổn thất sắt thấp hơn, cần kiểm soát áp suất cán và thực hiện các biện pháp xử lý cần thiết để giảm tổn thất sắt. Xét về yếu tố giá cả và quy trình, tấm thép silicon cao cấp và tấm thép silicon mỏng hơn 0,5mm không được sử dụng nhiều trong sản xuất động cơ hiệu suất cao. Các tấm thép điện không chứa silic có hàm lượng cacbon thấp hoặc các tấm thép silic cán nguội có hàm lượng silic thấp thường được sử dụng. Một số nhà sản xuất động cơ nhỏ ở châu Âu đã sử dụng tấm thép cách điện không chứa silicon với giá trị tổn hao sắt đơn vị là 6,5w/kg. Những năm gần đây, các nhà máy thép đã cho ra đời tấm thép cách điện Polycor420 với tổn thất đơn vị trung bình là 4,0w/kg, thậm chí còn thấp hơn một số tấm thép có hàm lượng silic thấp. Vật liệu này cũng có độ thấm từ cao hơn.

Trong những năm gần đây, Nhật Bản đã phát triển thép tấm cán nguội hàm lượng silicon thấp với cấp độ 50RMA350, trong đó có một lượng nhỏ nhôm và kim loại đất hiếm được thêm vào thành phần, nhờ đó duy trì được độ thấm từ cao đồng thời giảm tổn thất và giá trị tổn hao sắt đơn vị là 3,12w/kg. Những điều này có khả năng cung cấp cơ sở vật chất tốt cho việc sản xuất và thúc đẩy động cơ hiệu suất cao.

3. Giảm kích thước quạt để giảm thất thoát thông gió

Đối với động cơ 2 cực và 4 cực công suất lớn hơn, ma sát gió chiếm tỷ lệ đáng kể. Ví dụ, ma sát gió của động cơ 2 cực 90kW có thể đạt tới khoảng 30% tổng tổn thất. Ma sát của gió chủ yếu bao gồm năng lượng mà quạt tiêu thụ. Do sự mất nhiệt của động cơ hiệu suất cao thường thấp nên lượng không khí làm mát có thể giảm và do đó công suất thông gió cũng có thể giảm. Công suất thông gió xấp xỉ tỷ lệ với lũy thừa thứ 4 đến thứ 5 của đường kính quạt. Do đó, nếu nhiệt độ tăng cho phép, việc giảm kích thước quạt có thể làm giảm ma sát gió một cách hiệu quả. Ngoài ra, việc thiết kế hợp lý cấu trúc thông gió cũng rất quan trọng để nâng cao hiệu quả thông gió và giảm ma sát gió. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng ma sát gió của bộ phận 2 cực công suất cao của động cơ hiệu suất cao có thể giảm khoảng 30% so với động cơ thông thường. Do tổn thất thông gió giảm đáng kể và không cần thêm nhiều chi phí nên việc thay đổi thiết kế quạt thường là một trong những biện pháp chính được thực hiện đối với bộ phận này của động cơ hiệu suất cao.

4. Giảm tổn thất thất lạc thông qua các biện pháp thiết kế và xử lý

Tổn thất lạc của động cơ không đồng bộ chủ yếu là do tổn thất tần số cao trong lõi stato và rôto và cuộn dây gây ra bởi sóng hài bậc cao của từ trường. Để giảm tổn thất tiêu tán tải, có thể giảm biên độ của từng sóng hài pha bằng cách sử dụng cuộn dây hình sin nối tiếp Y-Δ hoặc các cuộn dây hài thấp khác, nhờ đó làm giảm tổn thất tiêu tán. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc sử dụng cuộn dây hình sin có thể giảm tổn thất tản nhiệt trung bình hơn 30%.

5. Cải thiện quy trình đúc khuôn để giảm tổn thất rôto

Bằng cách kiểm soát áp suất, nhiệt độ và đường xả khí trong quá trình đúc nhôm rôto, có thể giảm khí trong các thanh rôto, từ đó cải thiện độ dẫn điện và giảm mức tiêu thụ nhôm của rôto. Trong những năm gần đây, Hoa Kỳ đã phát triển thành công thiết bị đúc rôto đồng và các quy trình tương ứng, đồng thời hiện đang tiến hành sản xuất thử nghiệm quy mô nhỏ. Tính toán cho thấy nếu rôto đồng thay thế rôto nhôm thì tổn hao rôto có thể giảm khoảng 38%.

6. Áp dụng thiết kế tối ưu hóa máy tính để giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả

Ngoài việc tăng vật liệu, cải thiện hiệu suất vật liệu và cải tiến quy trình, thiết kế tối ưu hóa máy tính được sử dụng để xác định hợp lý các thông số khác nhau trong các ràng buộc về chi phí, hiệu suất, v.v., nhằm đạt được sự cải thiện hiệu quả tối đa có thể. Việc sử dụng thiết kế tối ưu hóa có thể rút ngắn đáng kể thời gian thiết kế động cơ và nâng cao chất lượng thiết kế động cơ.

---

Thời gian đăng: 12-08-2024