Động cơ điện đã song hành cùng sự phát triển của xe điện trong gần 200 năm, với nhiều thiết kế đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường. Mục tiêu chung là nâng cao hiệu suất, công suất và hiệu quả kinh tế, tuy nhiên, mỗi thiết kế cần phù hợp với ứng dụng cụ thể. Trước áp lực tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, các ngành công nghiệp đang đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và phát triển, đặc biệt trong lĩnh vực điện khí hóa hàng không vũ trụ và hàng hải.
Nhu cầu điện khí hóa ngày càng tăng khiến việc thiết kế động cơ điện trở nên phức tạp hơn để đáp ứng các yêu cầu cao về hiệu suất và độ tin cậy. Để tối ưu hóa thiết kế, mô hình hóa được sử dụng nhằm phân tích hiệu suất trước khi chế tạo nguyên mẫu đắt đỏ.
Mô hình hóa trở thành cầu nối quan trọng giữa thiết kế lý thuyết và chế tạo thực tế, đảm bảo độ chính xác trong khi giảm thời gian phát triển. Phương pháp mô hình hóa 3D đã nổi lên như một công cụ thiết yếu, hỗ trợ các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế và tăng tốc quá trình thương mại hóa sản phẩm.
Hiện có ba kiểu mô hình hóa động cơ 3D phổ biến:
– Mô hình 2D kéo dài (Extruded 2D): Đây là mô hình 3D đơn giản nhất, được tạo bằng cách kéo dài hình dạng 2D của một mặt cắt động cơ dọc theo chiều dài trục. Yêu cầu ít năng lực tính toán hơn so với các mô hình 3D phức tạp. Độ chính xác thường không cao khi áp dụng cho các kết cấu xiên hoặc các hiệu ứng phức tạp khác.
– Mô hình 3D đối xứng (Symmetric 3D): Mô hình này tận dụng tính đối xứng của động cơ (thường quanh một trục hoặc mặt phẳng) để giảm khối lượng tính toán so với mô hình 3D toàn diện. Tập trung phân tích các hiệu ứng phức tạp xảy ra tại các vị trí cụ thể, như hai đầu cuộn dây hoặc bề mặt xiên của rotor/stator.
– Mô hình 3D toàn chiều dài (Full-Length 3D): Là mô hình phức tạp và chi tiết nhất, bao gồm toàn bộ kết cấu động cơ trong không gian ba chiều. Yêu cầu sức mạnh tính toán lớn do phải mô phỏng đầy đủ các hiện tượng vật lý trong toàn bộ thiết kế. Có thể kết hợp nhiều hiện tượng vật lý liên quan (coupled multiphysics), chẳng hạn từ trường, nhiệt độ, dòng điện, và cơ học.
Trước đây, mô hình hóa động cơ 2D chiếm ưu thế do mang lại độ chính xác đủ cao với chi phí tính toán thấp. Các mô hình động cơ 2D và 2.5D, khi được kiểm tra và hiệu chỉnh đúng cách, rất hữu ích trong tối ưu hóa cấu trúc (topology optimization) hoặc phân tích tham số (parameters sweep). Nhiều hiệu ứng 3D có thể được tái hiện hoặc xấp xỉ bằng mô hình 2D. Tuy nhiên, mô hình 2D có những hạn chế như cần được hiệu chỉnh bằng việc chế tạo thử nghiệm đắt đỏ. Sự tiến bộ trong phần cứng và phần mềm gần đây đã tạo ra giải pháp cho vấn đề này, giúp giảm chi phí và tăng tốc phát triển sản phẩm bằng cách sử dụng các mô hình 3D. Bước đầu tiên là thử nghiệm với các trường hợp đơn giản, trong đó kết quả 2D đã được biết chính xác. Những thử nghiệm này có thể dùng để tinh chỉnh lưới 3D và cài đặt bộ giải để cân bằng giữa tốc độ và độ chính xác. Ngoài ra, mô hình 3D cũng hữu ích trong việc xác định các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất động cơ và có thể tối ưu hóa chi phí. Hơn nữa, nhu cầu giải quyết đầy đủ các hiện tượng 3D ngày càng tăng, cùng với sự phát triển của phần mềm và phần cứng mạnh mẽ, đã mở ra một thị trường mới. Một số hiện tượng sử dụng mô hình 3D để tính toán có thể kể đến:
– Suy giảm từ thông khe hở không khí (fringing effects)
– Mômen đập mạch (torque ripple) do kết cấu xiên của rotor và stator
– Hiệu ứng bề mặt (skin effects) và tương tác giữa các vòng dây
Dù mô hình 3D ngày càng trở nên quan trọng, không nên coi đây là giải pháp duy nhất. Cách tiếp cận hiệu quả nhất là kết hợp mô hình 2D, 3D và chế tạo nguyên mẫu. Các nghiên cứu phức tạp thường khởi đầu từ mô hình 2D tinh chỉnh trước khi chuyển sang 3D. Mô hình 3D đóng vai trò như cầu nối, giúp hiệu chỉnh mô hình 2D và hỗ trợ đưa ra quyết định thiết kế tối ưu.
Link bài viết: https://www.electricmotorengineering.com/motor-modeling-for-vehicle-electrification/
#News #VPEC #MotorDesign #3DModeling #Electrification
