Thiết kế động cơ mang điện: Hướng dẫn toàn diện

1. Giới thiệu về Động cơ điện

Động cơ mang điện là động lực trung tâm của thiết bị xử lý vật liệu, xe điện và phương tiện vận chuyển được dẫn hướng tự động. Những động cơ này phải cung cấp mô-men xoắn đáng tin cậy, kiểm soát tốc độ chính xác và tiết kiệm năng lượng trong khi vẫn chịu được các điều kiện vận hành khắt khe.

2. Yêu cầu thiết kế chính

Thông số hiệu suất

tham số	Phạm vi điển hình	Các yếu tố quan trọng
quyền lực	1-50 kW	Khả năng chịu tải, khả năng tăng tốc
mô-men xoắn	50-500 Nm	Khả năng phân loại, tải trọng
Tốc độ	0-3000 vòng/phút	Yêu cầu vận hành
Hiệu quả	>90%	Tuổi thọ pin, quản lý nhiệt

Cân nhắc về môi trường

• Xếp hạng IP: tối thiểu IP65 cho khả năng chống bụi/nước

• Phạm vi nhiệt độ: Hoạt động từ -20°C đến +60°C

• Độ rung: Tuân thủ MIL-STD-810G dùng trong công nghiệp

3. Lựa chọn loại động cơ

So sánh công nghệ động cơ

Loại	Ưu điểm	Hạn chế	Tốt nhất cho
BLDC	Hiệu quả cao, nhỏ gọn	Chi phí, kiểm soát độ phức tạp	AGV, xe nâng pallet
PMSM	Kiểm soát vượt trội, yên tĩnh	Nam châm đất hiếm	Vật mang chính xác
Cảm ứng AC	Mạnh mẽ, bảo trì thấp	Hiệu quả thấp hơn	Tàu sân bay hạng nặng
SRM	Chịu lỗi, đơn giản	Tiếng ồn, gợn sóng mô-men xoắn	Môi trường khắc nghiệt

Xu hướng ngành: 85% thiết kế mới sử dụng BLDC/PMSM vì mật độ năng lượng vượt trội và khả năng kiểm soát (như Động cơ pmsm PMS132 đối với phương tiện du lịch)

4. Các thành phần thiết kế quan trọng

A. Thiết kế điện từ

Kết hợp cực khe: 12S10P hoặc 9S8P để giảm hiện tượng tắc nghẽn

Sắp xếp nam châm: Hình chữ V hoặc dạng nan hoa để có thông lượng tối ưu

Quanh co: Tập trung và phân tán (sự cân bằng giữa mật độ mô-men xoắn và EMF ngược)

B. Quản lý nhiệt

Làm mát bằng chất lỏng: Cho >Động cơ pmsm 15kW hoạt động liên tục

Tối ưu hóa đường dẫn nhiệt: Vật liệu giao diện nhiệt có độ dẫn >5 W/mK

Giám sát nhiệt độ: Cảm biến PT100 nhúng trong cuộn dây

C. Tích hợp cơ học

Nhà ở: Hợp kim nhôm (A356-T6) để giảm trọng lượng

trục: Thép 4140 có độ cứng nitrit

Vòng bi: Được bảo vệ kép (6205-2RS) cho tuổi thọ hơn 20.000 giờ

5. Kiến trúc hệ thống điều khiển

Yếu tố cần thiết

► Bộ điều khiển: ARM Cortex-M7 32 bit (300 MHz)

► Giai đoạn điện: Biến tần IGBT 3 pha (1200V, 300A)

► Cảm biến:

♦ Bộ mã hóa tuyệt đối (độ phân giải 17 bit)

♦ Cảm biến hiện tại (độ chính xác ± 0,5%)

► Bảo vệ:

♦ Phát hiện độ bão hòa

♦ Bảo vệ ngắn mạch chủ động

Thuật toán điều khiển: Điều khiển theo định hướng hiện trường (FOC) với chiến lược MTPA

6. Xác thực hiệu suất

Giao thức thử nghiệm

(1). Kiểm tra lực kế:

♦ Đường cong tốc độ mô-men xoắn lên tới 150% tải định mức

♦ Lập bản đồ hiệu quả (ISO 18749-2)

(2). Kiểm tra môi trường:

♦ Xịt muối 500 giờ (ASTM B117)

♦ Thử nghiệm sốc 1000g

(3). Kiểm tra độ bền:

♦ 10.000 chu kỳ khởi động-dừng

♦ Thử nghiệm tăng tốc tuổi thọ 5.000 giờ

7. Chiến lược tối ưu hóa chi phí

Sự cân bằng trong thiết kế:

• Lựa chọn vật liệu: Vỏ bằng sợi carbon và nhôm

• Quy trình sản xuất: Đúc khuôn và gia công CNC

• Tiêu chuẩn hóa: Thiết kế mô-đun theo các mức công suất

Phân tích chi phí BOM:

• Nam châm: 25-35%

• Cuộn dây đồng: 20-25%

• Điện tử: 15-20%

• Cơ khí: 20-30%

8. Công nghệ mới nổi

Những đổi mới trong phát triển

⇒ PMSM rôto vết thương: Kết hợp PM và mômen từ trở

⇒ Cuộn dây được sản xuất bằng phụ gia: giảm 15% trọng lượng

⇒ Bộ truyền động động cơ tích hợp: Giảm cáp và đầu nối

⇒ Bảo trì dự đoán dựa trên AI: Phân tích dấu hiệu rung

9. Nghiên cứu điển hình: Động cơ AGV kho

Yêu cầu:

Hệ thống 48V

Công suất cực đại 5kW

Mô-men xoắn liên tục 120Nm

Giải pháp:

Thiết kế PMSM cánh quạt ngoài

Cấu hình 18S16P

Stator làm mát bằng dầu

Giao diện truyền thông CANopen

Kết quả:

Hiệu suất cao nhất 93%

Giảm trọng lượng 30% so với đối thủ cạnh tranh

MTBF > 50.000 giờ

10. Danh sách kiểm tra thiết kế

Điểm xác minh cần thiết

(1). Back-EMF phù hợp với điện áp pin ở tốc độ tối đa

(2). Phân tích nhiệt cho thấy

(3). gợn sóng mô-men xoắn

(4). Mức độ rung

(5). Tuân thủ EMI với EN 61000-6-4

Kết luận

hiện đạiđộng cơ mang điện thiết kế đòi hỏi phải tối ưu hóa đa ngành các hệ thống điện từ, nhiệt, cơ khí và điều khiển. Ngành công nghiệp đang chuyển động hướng tới các giải pháp PMSM tích hợp cao với tính năng làm mát tiên tiến và điều khiển thông minh. Các thiết kế thành công cân bằng được các yêu cầu về hiệu suất với mục tiêu chi phí thông qua việc lựa chọn vật liệu cẩn thận và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Bạn có muốn tính toán chi tiết cho một ứng dụng vận chuyển cụ thể hoặc hỗ trợ về kích thước động cơ không? Hãy cho chúng tôi biết yêu cầu của bạn.