Thiết kế Stator và Rotor PMSM cho động cơ trục chính

Thiết kế Stator và Rotor PMSM cho động cơ trục chính hiệu suất cao

1. Giới thiệu về PMSM trong ứng dụng trục chính

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) thống trị các thiết kế động cơ trục chính hiện đại nhờ:

• Mật độ công suất cao (kích thước nhỏ gọn cho mô-men xoắn nhất định)

• Hiệu suất vượt trội (điển hình 90-97%)

• Kiểm soát tốc độ chính xác (đặc tính không trượt)

• Phản ứng động tuyệt vời (quan trọng đối với các ứng dụng CNC)

Hướng dẫn này bao gồm các thiết kế điện từ, nhiệt và cơ khí cân nhắc cho tối ưu hóa stato và rôto PMSM trong động cơ trục chính hoạt động ở tốc độ 10.000-60.000 vòng/phút. Là công nghệ nền tảng cho tất cả động cơ điện các loại, thiết kế stato và rôto đòi hỏi sự chú ý tối đa trong kỹ thuật.

2. Thiết kế Stator

2.1 Tối ưu hóa hình học cốt lõi

Kết hợp khe/cực

Cấu hình	Ưu điểm	Trường hợp sử dụng trục chính
9 khe/6 cực	Cogging thấp, hài hòa tốt	Phay mục đích chung
12 khe/8 cực	Mật độ mô-men xoắn cân bằng	Mài tốc độ cao
18 khe/12 cực	Giảm gợn sóng mô-men xoắn	Gia công siêu chính xác

Những cân nhắc chính:

• Số lượng khe cao hơn làm giảm gợn sóng mô-men xoắn nhưng tăng tổn thất đồng

• Cuộn dây có khe phân số (ví dụ: 9 khe cho 8 cực) giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn

Thiết kế cán
• Chất liệu: Thép silicon M19-M47 dày 0,2-0,35mm

• Chiều rộng răng: 40-60% bước rãnh để cân bằng độ bão hòa và diện tích đồng

• Bàn ủi phía sau: chiều rộng răng 1,2-1,5 lần để tránh bão hòa từ thông

2.2 Cấu hình cuộn dây

Các loại cuộn dây

Loại	Ưu điểm	Nhược điểm
phân phối	Sóng hài thấp hơn, làm mát tốt hơn	Đoạn cuối dài hơn
đậm đặc	Cuộn dây ngắn hơn, lấp đầy khe cao hơn	gợn sóng mô-men xoắn cao hơn

Kỹ thuật nâng cao:

Cuộn dây hai lớp: dịch pha 30-45° để khử sóng hài

Dây Litz: Dành cho hoạt động tần số cao (>400Hz) để giảm hiệu ứng da

Hệ số lấp đầy khe: có thể đạt được 60-75% với máy cuộn chính xác

2.3 Chiến lược làm mát

Làm mát khe trực tiếp: Các kênh dầu được tích hợp vào các khe stato

Dây dẫn rỗng: Dành cho trục chính công suất cao làm mát bằng chất lỏng (>15kW)

Vật liệu giao diện nhiệt: Nhựa có độ dẫn nhiệt cao (5-8 W/mK)

3. Thiết kế cánh quạt

3.1 Bố trí nam châm

Cấu trúc liên kết

Loại	Mật độ thông lượng	mô-men xoắn cogging	Độ phức tạp sản xuất
gắn trên bề mặt	Trung bình	Thấp	Đơn giản
PM nội thất (IPM)	Cao	Trung bình	Phức tạp
IPM hình chữ V	Rất cao	Cao	Rất phức tạp

Lựa chọn trục chính cụ thể:

10.000-30.000 vòng/phút: Bề mặt PM có vỏ bằng sợi carbon

30.000-60.000 vòng/phút: IPM rỗng để chịu lực ly tâm tốt hơn

3.2 Vật liệu nam châm

Chất liệu	Anh (T)	Hc (kA/m)	Nhiệt độ tối đa	Chi phí
Ferrite	0.4	200	150°C	$
NdFeB N42H	1.3	900	120°C	$$$
SmCo	1.1	700	300°C	$$$$$

Tiêu chí lựa chọn:

Giảm nhiệt độ (trục xoay đạt nhiệt độ bên trong 80-150°C)

Chống ăn mòn (mạ niken cho môi trường ẩm ướt)

Nam châm phân đoạn để giảm dòng điện xoáy

3.3 Thiết kế kết cấu rôto

Tay áo giữ:

• Sợi carbon: Cho >40.000 vòng/phút (σ > 800 MPa)

• Inconel: Dành cho ứng dụng nhiệt độ cao

Cân bằng động:

•

• Định hình cực không đối xứng để cân bằng hài hòa

4. Tối ưu hóa hiệu suất điện từ

4.1 Sự đánh đổi tham số

tham số	Tăng theo	Hiệu ứng
khe hở không khí	Khoảng cách lớn hơn	↓ Mật độ mô-men xoắn, ↑ độ tin cậy
Độ dày nam châm	Thêm tài liệu	↑ Mật độ thông lượng, ↑ chi phí
Mật độ hiện tại	J cao hơn	↑ Mô-men xoắn, ↑ ứng suất nhiệt

4.2 Kỹ thuật nâng cao

• Nghiêng: 1-2 bước rãnh để giảm hiện tượng co ngót

• Định hình cột: Các cột có khía cho EMF phía sau hình sin

• Tối ưu hóa đa mục tiêu:

# Ví dụ tối ưu hóa Pareto cho mô-men xoắn và tổn thất
mục tiêu = [tối đa hóa(Mô-men xoắn), giảm thiểu(Iron_Loss)]
ràng buộc = [Temp_rise

5. Tích hợp cơ học

5.1 Các cân nhắc về ổ trục
Vòng bi tiếp xúc góc: Tải trước 150-400N cho độ cứng của trục chính

Gốm lai: Dành cho phạm vi 20.000-40.000 vòng/phút

Vòng bi từ tính chủ động: Cho độ chính xác cực cao >50.000 vòng/phút

5.2 Thiết kế trục

Yêu cầu về độ cứng: >100 N/µm ở bề mặt tiếp xúc dụng cụ

Trục rỗng: Dành cho đường dẫn chất làm mát (tỷ lệ ID/OD

Bù tăng trưởng nhiệt: Ống bọc bằng sợi carbon có khớp nối CTE

6. Dung sai sản xuất

thành phần	Dung sai tới hạn	Phương pháp đo
khe hở không khí	± 0,05mm	micromet laser
Vị trí nam châm	±0,1° góc	Hệ thống tầm nhìn
đối xứng cuộn dây		Máy đo LCR

7. Nghiên cứu điển hình: Trục chính 30kW 40.000 vòng/phút

Stator: Cuộn dây phân tán 18 khe, 3 pha

Cánh quạt: V-IPM 6 cực với nam châm SmCo

làm mát: Khe làm mát bằng dầu trực tiếp

Hiệu suất:

• Mật độ điện năng: 6,5KW/kg

• Hiệu suất: 96% @ tải định mức

• Hết:

8. Xu hướng tương lai

Sản xuất phụ gia: Các kênh làm mát in 3D

Vật liệu được tăng cường graphene: Để có độ dẫn nhiệt cao hơn

Digital Twins: Mô phỏng hiệu suất theo thời gian thực

Kết luận

Thiết kế Stator và rôto PMSM đối với động cơ trục chính yêu cầu cân bằng:

1. Hiệu suất điện từ (mật độ mô-men xoắn, hiệu suất)

2. Quản lý nhiệt (chiến lược làm mát)

3. Tính toàn vẹn cơ học (động lực học rôto, tuổi thọ ổ trục)

Đối với bạn ứng dụng trục chính cụ thể, hãy xem xét:

• Cấu hình tốc độ/mô-men xoắn mục tiêu

• Hạn chế của hệ thống làm mát

• Ngân sách dành cho vật liệu cao cấp (SmCo, sợi carbon)

Bạn có muốn các thông số mô phỏng FEA chi tiết hoặc sơ đồ quy trình sản xuất không? Hãy liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ!