Thiết kế động cơ ECM cho các ứng dụng máy nén

1. Giới thiệu

Động cơ chuyển mạch điện tử (ECM) đang ngày càng được áp dụng trong các hệ thống máy nén do hiệu suất cao, kiểm soát tốc độ chính xác và độ tin cậy. Tổng quan về thiết kế này tập trung vào những cân nhắc chính để thực hiện Công nghệ ECM trong máy nén cho HVAC, điện lạnh và các ứng dụng công nghiệp.

2. Yêu cầu thiết kế chính

• Mật độ mô-men xoắn cao cho điều kiện khởi động và tải thay đổi

• Hoạt động ở phạm vi tốc độ rộng (thường là 1.000-5.000 vòng/phút)

• Quản lý nhiệt cho hoạt động nhiệm vụ liên tục

• Niêm phong kín để tương thích với chất làm lạnh (trong máy nén kín)

• Độ rung và tiếng ồn thấp đặc điểm

3. Lựa chọn cấu trúc liên kết động cơ

3.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

• Được ưa chuộng nhất động cơ máy nén ứng dụng

• Ưu điểm:

► Hiệu suất cao (điển hình 92-96%)

► Tỷ lệ mô-men xoắn trên dòng điện tuyệt vời

► Sản xuất mô-men xoắn trơn tru

3.2 Tùy chọn DC không chổi than (BLDC)

• Đôi khi được sử dụng cho các ứng dụng nhạy cảm với chi phí

• Thuật toán điều khiển đơn giản hơn PMSM

• Hiệu suất thấp hơn một chút so với PMSM

4. Các thành phần thiết kế quan trọng

4.1 Thiết kế Stator

• Vật liệu cán: Thép silic không định hướng (độ dày 0,35-0,5mm)

• Cấu hình cuộn dây:

► Cuộn dây phân tán giúp vận hành trơn tru

► Cuộn dây tập trung cho thiết kế nhỏ gọn

• Kết hợp khe/cực:

► Cấu hình thông dụng: 12slot/10pole hoặc 9slot/6pole

► Tối ưu hóa để giảm thiểu mô men xoắn

4.2 Thiết kế rôto

• Bố trí nam châm vĩnh cửu:

► Nam châm gắn trên bề mặt (dễ sản xuất hơn)

► Nam châm vĩnh cửu bên trong (IPM) cho mật độ mô-men xoắn cao hơn

• Vật liệu nam châm:

► Nam châm NdFeB cao cấp cho hiệu suất tốt nhất

► Nam châm Ferrite cho các ứng dụng nhạy cảm với chi phí

4.3 Bộ điều khiển tích hợp

• Điện tử công suất:

► Biến tần 3 pha có IGBT hoặc MOSFET

► Xếp hạng hiện tại phù hợp với yêu cầu của máy nén

• Tính năng điều khiển:

► Thuật toán điều khiển hướng trường (FOC)

► Ước tính vị trí không cần cảm biến (hoặc cảm biến Hall)

► Bảo vệ quá dòng và quá nhiệt

5. Hệ thống quản lý nhiệt

5.1 Chiến lược làm mát

• Làm mát bằng không khí: Đối với máy nén kiểu hở

• làm mát bằng chất làm lạnh: Đối với máy nén kín

• làm mát bằng chất lỏng: Dành cho các đơn vị công nghiệp công suất lớn

5.2 Giám sát nhiệt độ

• Nhiệt điện trở nhúng trong cuộn dây

• Thuật toán ước tính nhiệt độ rotor

• Bảo vệ giảm nhiệt

6. Tích hợp cơ học

6.1 Hệ thống trục và ổ trục

• Thiết kế ổ trục chuyên dụng cho:

► Tải trọng trục (máy nén cuộn)

► Tải trọng xuyên tâm (máy nén pittông)

• Khả năng tương thích bôi trơn với hỗn hợp chất làm lạnh/dầu

6.2 Kiểm soát độ rung

• Cân bằng động rotor

• Hệ thống lắp đặt linh hoạt

• Thuật toán điều khiển chống cộng hưởng

7. Tối ưu hóa hiệu suất

7.1 Cải tiến hiệu quả

• Vật liệu từ tính tổn thất thấp

• Tối ưu hóa tần số chuyển đổi xung điện xung quanh

• Thông lượng thích ứng suy yếu ở tốc độ cao

7.2 Giảm tiếng ồn âm thanh

• Thiết kế rôto hoặc stato bị lệch

• Các mẫu tần số có thể thay đổi

• Giá đỡ cách ly rung

7.3 Trường hợp ví dụ cho khách hàng

Khách hàng muốn phát triển một sản phẩm mới máy nén di động và thông minh. Họ yêu cầu sử dụng Thiết kế rôto và stato PMSM.
Phải đáp ứng chặt chẽ các yêu cầu của quy trình để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả sử dụng năng lượng, phù hợp với lưu lượng và áp suất khí thải.
Động cơ ECM dữ liệu giá trị được thiết kế như sau:

tham số	Giá trị mục tiêu
Đánh giá sức mạnh
Phạm vi tốc độ
Tỷ lệ mô-men xoắn	21Nm
Tỷ lệ hiện tại	5A
Tăng nhiệt độ Stator	50K
Cân bằng động	0,1g/cm
Tấm thép silicon	8 cực với 48 khe
Hiệu quả	93,4%
Bảo vệ nhiệt	Tự động reset trước 145±5oC

8. Thiết kế dành riêng cho ứng dụng

8.1 Máy nén HVAC

• Tập trung vào hiệu quả theo mùa (SEER)

• Dải tốc độ hoạt động rộng (20-100%)

• Vận hành ít tiếng ồn cho dân dụng

8.2 Máy nén lạnh

• Mômen khởi động cao cho chu kỳ bơm xuống

• Quản lý hồi dầu ở tốc độ thấp

• Đồng bộ hóa quạt ngưng tụ

8.3 Máy nén quy trình công nghiệp

• Mật độ công suất cao (50kW+)

• Thiết kế chống cháy nổ khi cần thiết

• Giao diện truyền thông mạng

9. Cân nhắc về độ tin cậy

• Hệ thống niêm phong:

► Thiết kế thiết bị đầu cuối kín

► Vật liệu chống ẩm

• Thử nghiệm cuộc sống:

► Chu kỳ nhiệt tăng tốc

► Kiểm tra độ bền rung

► Khả năng tương thích dầu bôi trơn lâu dài

10. Xu hướng tương lai

• Động cơ-máy nén tích hợp đơn vị có nhà ở chung

• Chất bán dẫn có dải thông rộng (SiC/GaN) cho hiệu suất cao hơn

• Thuật toán điều khiển được tối ưu hóa bằng AI để bảo trì dự đoán

• Tích hợp ổ trục từ để vận hành không cần dầu

11. Quy trình xác minh thiết kế

(1). Phân tích FEA điện từ (phân phối từ thông, gợn sóng mô-men xoắn)

(2). Mô hình nhiệt (trạng thái ổn định và nhất thời)

(3). Thử nghiệm nguyên mẫu:

► Lập bản đồ hiệu suất (hiệu suất so với tốc độ/mô-men xoắn)

► Đo tiếng ồn âm thanh

► Tăng tốc kiểm tra tuổi thọ

12. Kết luận

Thiết kế động cơ ECM cho máy nén đòi hỏi phải cân bằng cẩn thận các cân nhắc về điện từ, nhiệt và cơ học. Thiết kế tối ưu thay đổi đáng kể dựa trên loại máy nén (cuộn, qua lại, vít) và ứng dụng (HVAC, điện lạnh, công nghiệp). hiện đại Máy nén ECM có thể tiết kiệm năng lượng 30-50% so với các giải pháp thông thường đồng thời mang lại khả năng kiểm soát và độ tin cậy vượt trội.

Để được hỗ trợ thiết kế cụ thể, nhà sản xuất động cơ thường hợp tác chặt chẽ với OEM máy nén để phát triển các giải pháp tùy chỉnh phù hợp với yêu cầu ứng dụng chính xác.