Khi thiết bị điện nông nghiệp phát triển theo hướng điện khí hóa và trí thông minh, Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đã trở thành lý tưởng giải pháp truyền động cho máy kéo điện do họ hiệu quả cao, mật độ năng lượng cao và điều khiển chính xác. Dưới đây là những cân nhắc thiết kế chính cho PMSM trong máy kéo.
|
tính năng |
PMSM |
Động cơ cảm ứng (IM) |
Động cơ DC |
|
Hiệu quả |
92%–96% |
85%–90% |
75%–85% |
|
Mật độ điện năng |
Cao (nhỏ gọn và nhẹ) |
Trung bình |
Thấp (yêu cầu bộ chuyển mạch) |
|
Kiểm soát tốc độ |
Xuất sắc (điều khiển vector) |
Kém (phụ thuộc vào VFD) |
Tốt (nhưng cần bàn chải) |
|
Bảo trì |
Không cần bảo trì |
Bảo trì thấp |
Cao (mòn bàn chải) |
|
Chi phí |
Cao hơn (nam châm đất hiếm) |
Thấp |
Trung bình |
Ứng dụng:
• Truyền động chính cho máy kéo điện (thay thế động cơ diesel).
• Điện khí hóa PTO (Cắt nguồn).
• Dẫn động bơm thủy lực/hệ thống phụ trợ.
Máy kéo hoạt động trong điều kiện phức tạp, đòi hỏi cả mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp (cày) và vận tải tốc độ cao hiệu quả:
• Máy kéo nhỏ (25-50 HP): Động cơ pmsm 20–40 kW, mô-men xoắn định mức 150–300 Nm.
• Máy kéo cỡ vừa (50-100 HP): Động cơ 40–75 kW pmsm, mô men xoắn định mức 300–600 Nm.
• Máy kéo cỡ lớn (100+ HP): Động cơ 75–200 kW pmsm, mô-men xoắn định mức 600–1500 Nm.
Nhu cầu mô-men xoắn cực đại (Quá tải ngắn hạn):
• Cần mô-men xoắn định mức 2–3× khi cày hoặc leo dốc.
• Cần phải kiểm soát trường suy yếu để mở rộng hoạt động tốc độ cao.
• Chế độ cày: 500–1500 RPM (công suất mô-men xoắn cao).
• Phương thức vận chuyển: 1500–3000 RPM (được tối ưu hóa để đạt hiệu quả).
• Tốc độ tiêu chuẩn PTO: 540/1000 RPM (phải khớp chính xác).
|
Giải pháp làm mát |
ứng dụng |
Ưu và nhược điểm |
|
Làm mát tự nhiên |
Công suất thấp ( |
Đơn giản, chi phí thấp nhưng khả năng tản nhiệt hạn chế. |
|
Làm mát không khí cưỡng bức |
Máy kéo cỡ trung (20–50 kW) |
Yêu cầu quạt, tăng mức tiêu thụ điện năng. |
|
Làm mát bằng chất lỏng |
Công suất cao (>50 kW) |
Làm mát hiệu quả, thích hợp cho tải nặng liên tục. |
Khuyến nghị:
• Làm mát kép bằng chất lỏng + dầu (dành cho máy kéo công suất cao, ví dụ: 200+ kW).
|
Loại |
Đặc điểm |
ứng dụng |
|
Gắn trên bề mặt (SPM) |
Đơn giản, gợn sóng mô-men xoắn thấp nhưng dễ bị khử từ ở tốc độ cao. |
Máy kéo nhỏ/trung bình. |
|
Nội thất (IPM) |
Khả năng chống khử từ cao, phạm vi tốc độ rộng, mạnh mẽ. |
Máy kéo lớn/tốc độ cao. |
Khuyến nghị:
• Nội thất PM (IPM) (cân bằng yêu cầu tốc độ cao và quá tải).
• Cặp cực: Thông thường 4–8 cực (cân bằng tốc độ và mô-men xoắn).
♦ Ví dụ: 1000 RPM → 4 cực (33 Hz), 8 cực (66 Hz).
• Khe Stator: 36 hoặc 48 khe (giảm mô-men xoắn và tiếng ồn).
|
Chất liệu |
Sự còn sót lại (Br) |
Lực cưỡng chế (Hc) |
Chi phí |
Sự phù hợp |
|
NdFeB |
1,0–1,4 T |
800–2000 kA/m |
Cao |
Máy kéo hiệu suất cao. |
|
Ferrite |
0,4–0,5 tấn |
200–400 kA/m |
Thấp |
Máy kéo nhẹ giá rẻ. |
Khuyến nghị:
• Nam châm NdFeB (mật độ năng lượng cao, lý tưởng cho máy kéo hiệu suất cao).
Điều khiển hướng trường (FOC):
• Tách rời điều khiển mô-men xoắn/tốc độ để đáp ứng động nhanh.
• Lý tưởng cho nhu cầu mô-men xoắn cao ngay lập tức trong quá trình cày.
Kiểm soát mô-men xoắn trực tiếp (DTC):
• Vận hành không cảm biến, mạnh mẽ nhưng có độ gợn sóng mô-men xoắn cao hơn.
Bộ mã hóa (độ chính xác cao, ví dụ: bộ mã hóa tuyệt đối 17 bit).
Điều khiển không cảm biến (giảm chi phí nhưng làm giảm hiệu suất ở tốc độ thấp).
Cấp điện áp: 400V (nhỏ/trung bình), 600V (máy kéo điện lớn).
MOSFET SiC: Chuyển đổi tần số cao để giảm tổn thất.
• Ổ đĩa trực tiếp: Động cơ kết nối trực tiếp với hệ thống truyền động (bỏ hộp số nhưng yêu cầu động cơ mô-men xoắn cao).
• Lai song song: PMSM + động cơ diesel (giải pháp chuyển tiếp).
• Dung lượng pin:
♦ Điện thuần: 100–300 kWh (4–8 giờ hoạt động).
♦ Hỗn hợp: 20–50 kWh (điện phụ).
• Phanh tái sinh: Phục hồi năng lượng trong quá trình giảm tốc.
• Xếp hạng bảo vệ: IP67 (chống bụi/chống nước cho điều kiện trang trại khắc nghiệt).
• Chống rung: Vòng bi và kết cấu được gia cố (đối với địa hình gồ ghề).
John Deere SESAM (máy kéo điện thuần túy):
• Bộ dẫn động PMSM kép (tổng cộng 300 kW), làm mát bằng chất lỏng.
Máy kéo điện YTO (Trung Quốc):
• Động cơ IPM 120 kW, điều khiển FOC, thời gian chạy 5 giờ.
► Bệ cao áp (800V+): Giảm trọng lượng cáp và nâng cao hiệu quả.
► Động cơ PM không chứa đất hiếm: Giảm sự phụ thuộc vào NdFeB (ví dụ: thiết kế ferrite được tối ưu hóa).
► Phân phối mô-men xoắn thông minh: Truyền động đa động cơ + vi sai điện tử (cải thiện khả năng di chuyển tại hiện trường).
|
Khía cạnh chính |
Giải pháp được đề xuất |
|
Loại động cơ |
PMSM nội thất (IPM) |
|
Phương pháp làm mát |
Làm mát bằng chất lỏng (>50 kW) |
|
Chiến lược kiểm soát |
FOC + bộ mã hóa có độ chính xác cao |
|
Chất liệu nam châm |
NdFeB |
|
Điện áp hệ thống |
400V–600V |
PMSM trong máy kéo phải cân bằng mô-men xoắn cao, phạm vi tốc độ rộng và độ bền trong môi trường khắc nghiệt. Tối ưu hóa các thuật toán thiết kế, làm mát và điều khiển điện từ có thể nâng cao đáng kể hiệu quả và độ tin cậy của máy kéo điện.
