SMM

Vào ngày 21 tháng 6, tại Hội nghị Hệ thống Truyền động Điện & Diễn đàn Công nghiệp Động cơ Truyền động lần thứ 4 SMM 2025 - Diễn đàn Hệ thống Truyền động Điện Ô tô, do Công ty Công nghệ & Thông tin SMM, Công ty Công nghệ Vật liệu Mới Hồng Vương Hồ Nam, Chính quyền Nhân dân Quận Lâu Tinh và Khu Phát triển Kinh tế - Kỹ thuật cấp Quốc gia Lâu Đức đồng tổ chức, Jia Yuqi, Phó Viện trưởng Viện Nghiên cứu Trung tâm Đổi mới Truyền động Điện Chiết Giang, đã chia sẻ những hiểu biết về "Đặc điểm Thiết kế Động cơ Truyền động trong Bối cảnh Điện áp Cao và Tần số Cao".

Bối cảnh và Thách thức

1.1 Bối cảnh - Chính sách/Công nghiệp

Phạm vi tốc độ của động cơ truyền động điện cho xe điện (EV) rất rộng và chúng yêu cầu tăng tốc và giảm tốc thường xuyên trong quá trình lái xe, khiến điều kiện vận hành phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống điều khiển tốc độ thông thường. Hệ thống truyền động điện rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất động lực của xe điện.

• Kế hoạch Phát triển Xe điện 2025 của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE);

• Nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng về phạm vi lái xe và hiệu suất;

• Thực tiễn tốt nhất của các thương hiệu ô tô địa phương trong việc "vượt mặt đối thủ trên đường cong" trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu;

• Một cách tiếp cận quan trọng để đạt được "bảo vệ môi trường carbon thấp, đỉnh carbon, trung hòa carbon, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải";

Điều này đòi hỏi các hệ thống truyền động điện phải nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn, hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn, với nhu cầu ngày càng tăng về mật độ công suất.

1.1 Bối cảnh - Giải pháp/Thành phần và Cuộn dây Hệ thống Truyền động Điện

Biến tần SiC cung cấp tần số chuyển mạch cao, tổn thất thấp và điện áp làm việc cao, góp phần tăng tốc độ và mật độ công suất của động cơ truyền động;

Cuộn dây dây phẳng có hệ số lấp đầy rãnh cao, điện trở DC thấp và độ dẫn nhiệt tốt, tăng cường hiệu suất và mật độ công suất của động cơ trong điều kiện vận hành tốc độ trung bình đến thấp;

1.1 Bối cảnh - Giải pháp Hệ thống Truyền động Điện

Giải pháp chính cho hệ thống truyền động điện trong xe năng lượng mới: Biến tần SiC + Động cơ đồng bộ từ vĩnh cửu cuộn dây dây phẳng;

1.2 Khó khăn và Thách thức Kỹ thuật - Điện áp Cao, Tần số Cao

Điện áp cao dẫn đến tăng tổn thất điện môi trong vật liệu cách điện và nguy cơ phóng điện cục bộ cao hơn;

Tần số cao dẫn đến tăng tổn thất AC trong cuộn dây dây phẳng và phân bố không đồng đều của tổn thất trong rãnh, có thể dễ dàng dẫn đến các điểm nóng cục bộ;

Trong điều kiện điện áp cao và tần số cao, sự phân bố không đồng đều của điện áp giữa các vòng dây trong cuộn dây được làm trầm trọng hơn bởi các thông số ký sinh tần số cao, gây ra hư hỏng và hỏng hóc cách điện;

1.2 Khó khăn và Thách thức Kỹ thuật - Biện pháp đối phó

Xem xét kỹ lưỡng sự phân bố không đồng đều của tổn thất, nhiệt và căng thẳng điện áp trong giai đoạn thiết kế ban đầu;

Sử dụng sơn cách điện, vật liệu cách điện và dây sơn cách điện chịu nhiệt độ cao, chống corona cao;

Cần có các biện pháp đối phó toàn diện từ nhiều khía cạnh, bao gồm các cấu trúc động cơ mới, cấu trúc cuộn dây mới, vật liệu mới, quy trình mới và hệ thống quản lý nhiệt hiệu quả;

Cân nhắc Chính trong Thiết kế Động cơ Truyền động trong Điều kiện Điện áp Cao

2 Cân nhắc Chính trong Thiết kế Động cơ Truyền động trong Điều kiện Điện áp Cao

2.1 Thiết kế Hệ thống Cách điện - Vật liệu

Dưới sự kích thích tần số cao và dv/dt cao, cách điện cuộn dây sẽ phải chịu ảnh hưởng kép của căng thẳng điện và nhiệt đáng kể. Do yêu cầu về mật độ công suất cao và độ tin cậy cao, biên độ an toàn cách điện của động cơ dần dần tiếp cận với giới hạn cho phép của các thông số vật liệu. Do đó, cần phải tiến hành phân tích và đánh giá an toàn cách điện giữa các cuộn dây trong động cơ trong giai đoạn thiết kế ban đầu. Để đảm bảo biên độ an toàn cách điện và tránh hư hỏng cũng như hỏng hóc sớm, có thể áp dụng các biện pháp như tăng độ dày cách điện, sử dụng vật liệu cách điện có chỉ số chịu nhiệt độ cao hơn và vật liệu cách điện chống corona để đảm bảo an toàn cách điện. Ví dụ, dây PEEK chống corona do Furukawa Electric (Nhật Bản) phát triển và được sử dụng trong động cơ truyền động iMMD của Honda có thể đạt được điện áp bắt đầu xuyên điện phân (PDIV) cao hơn và độ dẫn nhiệt tốt hơn.

2.1 Thiết kế hệ thống cách điện - Làm mát

Khi mật độ công suất của động cơ tăng lên, mật độ tổn thất cũng tăng lên không thể tránh khỏi. Kết hợp với ảnh hưởng của hiệu ứng gần và hiệu ứng da trong điều kiện tần số cao, điều này có thể dễ dàng dẫn đến sự phân bố không đồng đều của nguồn nhiệt trong khe động cơ, dẫn đến tình trạng quá nhiệt cục bộ.

Tuổi thọ của vật liệu cách điện động cơ có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ. Do đó, cần chú ý đến kế hoạch quản lý nhiệt của động cơ và tăng cường phát triển các cấu trúc làm mát hiệu quả, chẳng hạn như làm mát cuộn dây trong khe và làm mát cuộn dây trực tiếp.

2.2 Xung điện áp quá mức - Nguyên nhân và mô hình tính toán

Do sự không khớp về trở kháng đặc trưng giữa bộ biến tần, cáp truyền tải và động cơ, theo nguyên lý phản xạ sóng, sóng xung PWM sẽ được phản xạ nhiều lần giữa bộ biến tần và cuộn dây động cơ. Sự chồng chập của điện áp phản xạ và điện áp tới sẽ tạo ra điện áp dao động xung ở đầu cuộn dây động cơ cao hơn hoặc thấp hơn điện áp bus, từ đó tạo ra điện áp xung. Điện áp đỉnh là yếu tố nguy hiểm nhất gây ra xuyên điện phân cục bộ trong cách điện động cơ.

2.2 Xung điện áp quá mức - Phương pháp ngăn chặn

Khi tần số chuyển mạch thấp hơn giá trị này, hiện tượng chồng chập kép xung sẽ không xảy ra. Do đó, cần thiết kế khớp trở kháng để đảm bảo tần số chuyển mạch thấp hơn tần số này.

2.3 Bản đồ hiệu suất của động cơ ở các mức điện áp khác nhau

Người ta đã so sánh sự phân bố hiệu suất của động cơ truyền động ở các điện áp bus là 400V, 600V và 800V. Khi điện áp bus tăng lên, diện tích vùng có hiệu suất cao của động cơ truyền động mở rộng đáng kể. Ngoài ra, khi tốc độ góc tăng lên, vùng có hiệu suất cao cho thấy xu hướng rõ ràng là dịch chuyển về vùng tốc độ cao, phù hợp với nhu cầu thiết kế động cơ tốc độ cao. Do đó, việc phát triển các hệ thống truyền động điện cao áp cho xe năng lượng mới không chỉ đáp ứng yêu cầu sạc nhanh của pin mà còn mang lại cơ hội mới cho việc thiết kế động cơ truyền động có hiệu suất cao và mật độ cao.

Những cân nhắc quan trọng trong thiết kế động cơ truyền động trong điều kiện tần số cao

3.1 Tổn thất do sóng hài điện áp - Nguyên nhân và tác hại

Động cơ truyền động cho xe năng lượng mới thường được điều khiển bởi các bộ biến tần nguồn điện áp sử dụng công nghệ Điều chế độ rộng xung không gian (SVPWM). Trong quá trình bật/tắt liên tục của từng thiết bị trong chu kỳ chuyển mạch, các sóng hài điện áp tần số cao được tạo ra. Đồng thời, thời gian chết và thời gian bật/tắt của các thiết bị có thể gây ra biến dạng trong dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra của bộ biến tần, do đó tạo ra các sóng hài tần số cao. Những sóng hài điện áp và dòng điện này thường nằm gần tần số mang và các bội số của nó, làm tăng tổn thất và giảm hiệu suất.

3.1 Tổn thất do sóng hài điện áp - Phương pháp ngăn chặn

Khi tần số chuyển mạch tăng lên, độ hình sin của dạng sóng dòng điện được cải thiện và tần số của các sóng hài phụ chính tăng lên, nhưng biên độ của các dòng điện sóng hài giảm đáng kể.

Do đó, phương pháp ngăn chặn tổn thất do sóng hài điện áp là tăng cường độ hình sin của dạng sóng dòng điện, giảm hàm lượng sóng hài của từng cấp và do đó giảm tổn thất do sóng hài điện áp. Các biện pháp chính bao gồm tăng tần số chuyển mạch của bộ biến tần, làm lệch rãnh/cực, tối ưu hóa cấu trúc cực từ, lựa chọn hình thức cuộn dây và lựa chọn sự kết hợp rãnh-cực, v.v.

3.2 Tổn thất AC tần số cao trong cuộn dây - Nguyên nhân và tác hại

Khi dòng điện xoay chiều chảy qua một dây dẫn hoặc khi nó được đặt trong một từ trường xoay chiều, các hiệu ứng dòng eddy, cụ thể là hiệu ứng da và hiệu ứng gần, được tạo ra. Hiệu ứng da khiến dòng điện có xu hướng chảy về bề mặt dây dẫn khi dòng điện xoay chiều chạy qua, trong khi hiệu ứng gần khiến dòng điện trong hai dây dẫn liền kề có xu hướng chảy về các mặt do ảnh hưởng của từ trường của nhau. Cả hai hiệu ứng này đều làm giảm diện tích dẫn điện thực tế của dây dẫn và tăng tổn thất.

Tần số hoạt động của động cơ truyền động càng cao thì tổn thất AC trong các cuộn dây dây phẳng càng nghiêm trọng. Hơn nữa, động cơ truyền động cho xe năng lượng mới hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau và tại một số điểm hoạt động nhất định, tỷ lệ tổn thất AC trong các cuộn dây dây phẳng rất cao. Tác động bất lợi chủ yếu ở ba khía cạnh: giảm hiệu suất động cơ, không có lợi cho việc nâng cao mật độ công suất của hệ thống truyền động điện; tăng yêu cầu tản nhiệt, đặt ra yêu cầu cao hơn đối với cấu trúc làm mát và quản lý nhiệt của động cơ; và phân bố không đồng đều của tổn thất trong rãnh, dẫn đến các điểm nóng cục bộ và đe dọa an toàn cách điện của động cơ.

Do đó, cần phải chú ý đầy đủ trong giai đoạn phát triển động cơ.

3.2 Tổn thất AC Tần số Cao trong Cuộn dây - Phương pháp Ngăn chặn

Các phương pháp ngăn chặn tổn thất AC trong các cuộn dây dây phẳng ở tần số cao chủ yếu bao gồm:

Tăng kích thước miệng rãnh stator (để giảm tổn thất dây dẫn do từ trường phần ứng);

Tăng khoảng cách giữa dây dẫn và miệng rãnh stator (để giảm tổn thất dây dẫn do từ trường rò rỉ trong rãnh dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu);

Giảm kích thước dây dẫn (để làm suy yếu tác động của hiệu ứng da và hiệu ứng gần);

Tăng kích thước cầu cách ly từ một cách thích hợp;

Chuyển vị dây dẫn giữa các rãnh và các lớp (để giảm tổn thất dòng tuần hoàn khi số nhánh song song lớn hơn một);

Sử dụng dây Litz cho các cuộn dây (chuyển vị giữa các sợi).

3.3 Hiệu suất Động cơ ở các Tần số Chuyển mạch Khác nhau

Một so sánh đã được thực hiện về tổn thất trong các động cơ truyền động ở các tần số chuyển mạch 10 kHz, 20 kHz và 50 kHz. Khi tần số chuyển mạch tăng lên, tổn thất ở từng phần của động cơ có xu hướng giảm. Tuy nhiên, khi tần số chuyển mạch tăng lên đến một giá trị nhất định, tổn thất động cơ sẽ không còn thay đổi đáng kể. Do đó, trong một phạm vi nhất định, tần số chuyển mạch cao hơn có lợi cho việc giảm tổn thất động cơ tổng thể, điều này cũng tạo điều kiện cho việc thiết kế động cơ tốc độ cao.

Tuy nhiên, khi tần số chuyển mạch tăng lên, tổn thất biến tần cũng sẽ tăng lên tương ứng. Do đó, việc lựa chọn tần số chuyển mạch cần cân bằng tổn thất động cơ và biến tần để đạt được tổn thất tổng thể thấp nhất trong toàn bộ hệ thống truyền động điện.

Tóm tắt

4.1 Yêu cầu

Yêu cầu thiết kế cốt lõi đối với động cơ truyền động trong điều kiện điện áp cao và tần số cao:

Ø Cách điện đáng tin cậy: Xung PWM tần số cao phản xạ nhiều lần giữa biến tần và cuộn dây động cơ, gây ra sự chồng chất điện áp ở đầu cuộn dây và đặt ra mối đe dọa đối với an toàn cách điện cuộn dây;

Ø Hiệu suất điện từ: Hoạt động tần số cao làm trầm trọng thêm hiệu ứng da và tổn thất sóng hài, đòi hỏi phải mô hình hóa điện từ chính xác để tối ưu hóa cấu trúc cuộn dây dây đồng phẳng, cấu trúc mở rãnh và thiết kế rào cản từ, sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao toàn diện hiệu suất chuyển đổi điện từ;

Ø Làm mát hiệu quả: Mật độ công suất cao dẫn đến tổn thất tập trung và mật độ năng lượng nhiệt tăng lên. Các công nghệ như kênh làm mát in 3D và làm mát nước trong rãnh có thể được kết hợp để thiết lập một hệ thống làm mát đa kênh, sử dụng mô phỏng kết hợp trường chất lỏng và nhiệt để tối ưu hóa đường dẫn làm mát và duy trì nhiệt độ các bộ phận động cơ trong phạm vi hợp lý.

4.2 Mâu thuẫn

• Tăng điện áp cung cấp mở rộng đáng kể vùng hiệu suất cao của động cơ truyền động, nhưng điện áp xung dv/dt cao do SiC tạo ra đồng thời làm tăng áp lực điện áp cách điện trên cuộn dây động cơ, đặt ra mối đe dọa đối với an toàn cách điện cuộn dây;

• Tần số hoạt động cao hơn tạo điều kiện cho tốc độ quay và số cực tăng lên, cũng như mật độ công suất động cơ truyền động được cải thiện, đáp ứng nhu cầu thu nhỏ và thiết kế trọng lượng nhẹ của hệ thống. Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến tổn thất cuộn dây AC và tổn thất cơ học tăng lên, với tổn thất cuộn dây AC làm trầm trọng thêm sự phân bố nhiệt không đồng đều trong rãnh.

4.3 Cân bằng

• Là một hệ thống phi tuyến, có liên kết mạnh và nhiều biến số, việc giải quyết một vấn đề kỹ thuật trong thiết kế động cơ không thể tránh khỏi sẽ tạo ra một vấn đề khác. Thiết kế động cơ là một quá trình tìm kiếm sự cân bằng giữa các mâu thuẫn, đòi hỏi phải cân bằng giữa việc nâng cao hiệu suất, giảm tổn thất, cấu trúc làm mát, quản lý nhiệt và an toàn cách điện;

• Vượt ra khỏi sự cố định trong tư duy sản phẩm đơn lẻ để xem xét các vấn đề một cách toàn diện hơn, từ việc cải thiện toàn bộ hệ thống truyền động điện đến việc nâng cao hiệu quả tổng thể và mật độ công suất của xe.

Ngoài ra, bài viết còn giới thiệu tổng quan, định vị, mục tiêu xây dựng, kế hoạch chiến lược, robot nhân tạo và nền kinh tế tầm thấp của Trung tâm Đổi mới Truyền động Điện Chiết Giang.

》Nhấp để xem Báo cáo Đặc biệt Hội nghị Hệ thống Truyền động Điện & Diễn đàn Công nghiệp Động cơ Truyền động SMM (lần thứ 4) năm 2025