Tại sao tốc độ của động cơ ngày càng cao hơn do chi phí?

lời nói đầu

 

 

Tại “Hội nghị mùa xuân thương hiệu ô tô Dongfeng 2023” vào ngày 10 tháng 4, thương hiệu năng lượng mới Mach E đã được ra mắt. E là viết tắt của điện, hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.Mach E chủ yếu bao gồm ba nền tảng sản phẩm chính: truyền động điện, pin và năng lượng bổ sung.

 

Trong số đó, bộ phận truyền động điện Mach có những đặc điểm sau:

 

  • Động cơ có công nghệ rotor phủ sợi carbon, tốc độ có thể đạt tới 30.000 vòng/phút;
  • làm mát dầu;
  • Stator dây dẹt có 1 rãnh và 8 dây;
  • Bộ điều khiển SiC tự phát triển;
  • Hiệu suất tối đa của hệ thống có thể đạt tới 94,5%.

 

So với các công nghệ khác,rôto được bọc sợi carbon và tốc độ tối đa 30.000 vòng/phút đã trở thành điểm nhấn đặc biệt nhất của mẫu xe điện này.

 

微信图片_20230419181816
Ổ điện Mach E 30000rpm

 

RPM cao và liên kết nội tại chi phí thấp

Tốc độ tối đa của động cơ năng lượng mới đã tăng từ 10.000 vòng/phút ban đầu lên mức phổ biến hiện nay là 15.000-18.000 vòng/phút.Gần đây, các công ty đã cho ra đời hệ thống truyền động điện hơn 20.000 vòng/phút, vậy tại sao tốc độ của động cơ năng lượng mới ngày càng cao?

 

Có, kết quả dựa trên chi phí!

 

Sau đây là phân tích mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chi phí của động cơ ở cấp độ lý thuyết và mô phỏng.

 

Hệ thống truyền động điện thuần năng lượng mới thường bao gồm ba phần, động cơ, bộ điều khiển động cơ và hộp số.Bộ điều khiển động cơ là đầu vào của năng lượng điện, hộp số là đầu ra của năng lượng cơ học và động cơ là đơn vị chuyển đổi năng lượng điện và năng lượng cơ học.Phương pháp làm việc của nó là bộ điều khiển đưa năng lượng điện (dòng điện * điện áp) vào động cơ.Thông qua sự tương tác giữa năng lượng điện và năng lượng từ bên trong động cơ, nó sẽ truyền năng lượng cơ học (tốc độ * mô-men xoắn) tới hộp số.Hộp số dẫn động xe bằng cách điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn đầu ra của động cơ thông qua tỷ số giảm tốc.

 

Bằng cách phân tích công thức mômen động cơ, có thể thấy mômen đầu ra T2 của động cơ có mối tương quan thuận với công suất động cơ.

 

微信图片_20230419181827
 

N là số vòng quay của stato, I là dòng điện đầu vào của stato, B là mật độ từ thông không khí, R là bán kính lõi rôto và L là chiều dài lõi động cơ.

 

Trong trường hợp đảm bảo số vòng quay của động cơ, dòng điện đầu vào của bộ điều khiển và mật độ từ thông của khe hở không khí của động cơ, nếu nhu cầu về mômen đầu ra T2 của động cơ giảm thì chiều dài hoặc đường kính của động cơ sẽ giảm. lõi sắt có thể được giảm bớt.

 

Việc thay đổi chiều dài lõi động cơ không liên quan đến việc thay đổi khuôn dập của stato và rôto, việc thay đổi tương đối đơn giản nên thao tác thông thường là xác định đường kính của lõi và giảm chiều dài của lõi. .

 

Khi chiều dài lõi sắt giảm đi thì lượng vật liệu điện từ (lõi sắt, thép từ tính, cuộn dây động cơ) của động cơ cũng giảm đi.Vật liệu điện từ chiếm tỷ trọng tương đối lớn trong giá thành động cơ, chiếm khoảng 72%.Nếu mô-men xoắn có thể giảm thì giá thành động cơ sẽ giảm đáng kể.

 

微信图片_20230419181832
 

Thành phần chi phí động cơ

 

Do các phương tiện sử dụng năng lượng mới có nhu cầu cố định về mô-men xoắn ở đầu bánh xe nên nếu muốn giảm mô-men xoắn đầu ra của động cơ thì tỷ số tốc độ của hộp số phải tăng lên để đảm bảo mô-men xoắn ở đầu bánh xe của xe.

 

n1=n2/r

T1=T2×r

n1 là tốc độ của đầu bánh xe, n2 là tốc độ của động cơ, T1 là mô men xoắn của đầu bánh xe, T2 là mô men xoắn của động cơ và r là tỷ số truyền.

 

Và do xe sử dụng năng lượng mới vẫn yêu cầu tốc độ tối đa nên tốc độ tối đa của xe cũng sẽ giảm sau khi tăng tỷ số tốc độ của hộp số, điều này là không thể chấp nhận được nên điều này đòi hỏi tốc độ động cơ phải tăng lên.

 

Tóm lại,sau khi động cơ giảm mô men xoắn và tăng tốc, với tỷ số tốc độ hợp lý có thể giảm giá thành động cơ mà vẫn đảm bảo nhu cầu công suất cho xe.

Ảnh hưởng của việc tăng tốc độ khử xoắn lên các đặc tính khác01Sau khi giảm mô men xoắn và tăng tốc độ dài lõi động cơ giảm đi, liệu có ảnh hưởng đến công suất không? Chúng ta hãy nhìn vào công thức sức mạnh.

 

微信图片_20230419181837
U là điện áp pha, I là dòng điện đầu vào stato, cos∅ là hệ số công suất và η là hiệu suất.

 

Có thể thấy từ công thức không có thông số nào liên quan đến kích thước của động cơ trong công thức công suất ra của động cơ nên việc thay đổi chiều dài lõi động cơ ít ảnh hưởng đến công suất.

 

Sau đây là kết quả mô phỏng các đặc tính bên ngoài của một động cơ nhất định. So với đường cong đặc tính bên ngoài, chiều dài lõi sắt giảm đi, mômen đầu ra của động cơ nhỏ hơn nhưng công suất ra cực đại không thay đổi nhiều, điều này cũng khẳng định đạo hàm lý thuyết trên.

微信图片_20230419181842

So sánh đường đặc tính bên ngoài của công suất và mô men xoắn của động cơ với các chiều dài lõi sắt khác nhau

 

02Tốc độ động cơ tăng lên đặt ra yêu cầu cao hơn cho việc lựa chọn vòng bi và cần có vòng bi tốc độ cao để đảm bảo tuổi thọ hoạt động của vòng bi.

03Động cơ tốc độ cao phù hợp hơn cho việc làm mát bằng dầu, có thể loại bỏ sự cố khi lựa chọn phớt dầu trong khi vẫn đảm bảo tản nhiệt.

04Do tốc độ của động cơ cao nên có thể cân nhắc sử dụng động cơ dây tròn thay vì động cơ dây dẹt để giảm tổn thất AC của cuộn dây ở tốc độ cao.

05Khi số cực động cơ cố định, tần số hoạt động của động cơ tăng do tốc độ tăng. Để giảm sóng hài hiện tại, cần tăng tần số chuyển mạch của mô-đun nguồn. Do đó, bộ điều khiển SiC có điện trở tần số chuyển mạch cao là đối tác tốt cho động cơ tốc độ cao.

06Để giảm tổn thất sắt ở tốc độ cao, cần xem xét lựa chọn vật liệu sắt từ có tổn thất thấp và cường độ cao.

07Đảm bảo rằng rôto không thể bị hỏng do tốc độ vượt quá 1,2 lần tốc độ tối đa, chẳng hạn như tối ưu hóa cầu cách ly từ, lớp phủ sợi carbon, v.v.

 

微信图片_20230419181847
Hình ảnh dệt sợi carbon

 

Tóm tắt

 

 

Việc tăng tốc độ động cơ có thể tiết kiệm chi phí cho động cơ, nhưng việc tăng chi phí của các bộ phận khác cũng cần được xem xét một cách cân bằng.Động cơ tốc độ cao sẽ là hướng phát triển của hệ thống truyền động điện. Đây không chỉ là cách tiết kiệm chi phí mà còn thể hiện trình độ kỹ thuật của doanh nghiệp.Việc phát triển và sản xuất động cơ tốc độ cao vẫn còn vô cùng khó khăn. Ngoài việc ứng dụng vật liệu mới, quy trình mới còn đòi hỏi tinh thần xuất sắc của các kỹ sư điện.


Thời gian đăng: 19-04-2023