Giải phẫu và chức năng của trục động cơ điện (trong PMSM)

Trong thế giới máy móc điện, có một người hùng thầm lặng cung cấp năng lượng cho vô số thiết bị và hệ thống công nghiệp: trục động cơ . Mặc dù thường bị lu mờ bởi các bộ phận dễ thấy hơn, trục động cơ đóng vai trò thiết yếu trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học và thúc đẩy thế giới hiện đại của chúng ta tiến lên. Trục động cơ khiêm tốn là mắt xích quan trọng giữa động cơ và tải trọng dẫn động, truyền mô-men xoắn và cho phép các cơ cấu khác nhau hoạt động trơn tru. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo của trục động cơ, chức năng của nó và các yếu tố chính cần xem xét khi lựa chọn trục phù hợp để đạt hiệu suất và hiệu quả tối ưu.

Trục động cơ là một bộ phận quan trọng trong hầu hết các cơ cấu quay. Khi xác định vật liệu lý tưởng để chế tạo trục động cơ, phải xem xét nhiều yếu tố khác nhau như chi phí và khuyết tật vật liệu. Về cơ bản, trục động cơ đóng vai trò là thành phần cốt lõi của động cơ.

Trục động cơ là một cấu trúc hình trụ kéo dài từ động cơ và vỏ của nó. Chức năng chính của nó là truyền năng lượng từ động cơ đến ứng dụng dự kiến. Trục chốt chính xác hoạt động với tốc độ và mô-men xoắn, đồng thời có rất nhiều lựa chọn có sẵn từ nhà sản xuất, nhà phân phối, nhà cung cấp và doanh nghiệp.

Hơn nữa, trục động cơ đóng vai trò là bộ phận ổ trục nằm ở trung tâm của ngăn rôto, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền mô-men xoắn được tạo ra bằng điện thông qua cấu hình dương tương ứng.

Trục động cơ là gì?

Thành phần chính trong hầu hết các thiết bị quay là trục động cơ. Trục là một bộ phận cơ khí dùng để biến đổi chuyển động quay và mô men xoắn. Kích thước trục ảnh hưởng đáng kể đến mô-men xoắn trong các thiết bị này. Do đó, việc mô hình hóa và tạo mẫu trục chính xác là điều cần thiết cho tất cả các ứng dụng.

Ngoài nhu cầu lắp rôto và các phụ kiện đi kèm khác nhau, thiết kế của trục động cơ còn phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp làm mát được chọn cho thiết bị điện. Đặc biệt, với các động cơ điện lớn hơn và trục động cơ dài hơn và lớn hơn tương ứng, trục rỗng có thể mang đến những khả năng thiết kế mới cho cả kết cấu nhẹ và hệ thống làm mát.

Nhiều cơ chế khác nhau được sử dụng để truyền mô-men xoắn từ điện sang động năng trong bộ truyền động, từ đó đẩy thiết bị. Với tốc độ quay cao vượt quá 20,000 vòng/phút và mô men xoắn đáng kể, trục động cơ phải chịu được tải trọng cực cao. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các bộ phận chịu tải nặng cũng đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về thiết kế nhẹ.

Nối đất trục là gì?

Nối đất trục ngăn chặn năng lượng gây hại cho các bộ phận động cơ mỏng manh. Các thiết bị này cung cấp đường dẫn xuống đất an toàn hơn bằng cách chuyển năng lượng điện ra khỏi các bộ phận động cơ dễ bị tổn thương có điện trở thấp, chẳng hạn như vòng bi động cơ.

Cấu tạo trục động cơ

Việc lựa chọn vật liệu phù hợp có thể cải thiện độ tin cậy. Khi xem xét vật liệu tốt nhất cho thiết bị và trục của nó, chi phí phải là yếu tố đầu tiên cần cân nhắc.

Vật liệu điển hình được sử dụng cho trục động cơ là thép nhẹ, nhưng khi cần có độ bền cao, các loại thép hợp kim như thép crom vanadi, niken và niken crom sẽ được sử dụng.

Hầu hết các nhà sản xuất động cơ đều sử dụng thép cán nóng (HRS) hoặc cán nguội (CRS) SAE 1045. C1045 là loại thép có độ bền kéo trung bình, carbon trung bình có sẵn ở dạng rèn hoặc thường hóa. Loại thép này có độ dẻo dai, độ bền và khả năng chống mài mòn phù hợp. Truy cập vào đây để xem quá trình sản xuất của nó.

Nó có thể được sử dụng trên bu lông, trục, trục khuỷu, thanh kết nối rèn, bánh răng nhẹ, thanh xoắn, thanh dẫn hướng, v.v.

Các chất khác bao gồm SAE 1137 lưu hóa, SAE 1117, SAE 1144, SAE 1018 cán nguội và SAE 1035 cán nóng. Có thể sử dụng bùn nghiền của bất kỳ chất nào trên máy tiện CNC cụ thể.

Nhìn chung, thép lưu hóa và cán nguội có thể có giá thành cao hơn, lên tới 15% so với thép cán nóng, nhưng chúng mang lại hiệu quả vượt trội. Điều cần thiết là tiến hành kiểm tra gia công để kiểm soát mọi chi phí bổ sung. Vì mỗi bộ phận trục hoạt động khác nhau nên không có chất liệu hoặc phương pháp bảo trì gia công nào được thiết lập.

Khi xem xét chi phí mỗi pound, thép cacbon trơn cán nóng tiết kiệm hơn thép lưu hóa cán nguội. Tuy nhiên, một số thách thức nhất định nảy sinh khi sử dụng vật liệu cán nóng. Do thiếu giám sát đường kính ngoài (OD) trong quá trình cán, vật liệu cán nóng thường yêu cầu kích thước lớn hơn.

Các nhà sản xuất động cơ cần đánh giá xem liệu kích thước tăng lên và chi phí nguyên liệu thấp hơn của phôi thanh cán nóng có lớn hơn lợi thế của phôi thanh cán nguội hay không.

Vật liệu cán nóng thường biểu hiện ứng suất dư, các điểm cứng và mềm, lỗ rỗng và các khuyết tật vật liệu khác, có thể dẫn đến khó khăn trong quá trình xử lý. Một số loại thép cường độ cao có lớp ngoài cứng, khiến chúng kém bền hơn khi sử dụng với trục.

Việc tiến hành thử nghiệm giúp lựa chọn chất tốt nhất giữa CRS, HRS, vật liệu lưu hóa và không lưu hóa.

Dịch vụ sửa chữa cơ điện công nghiệp, hay còn gọi là Dịch vụ IER, được thành lập vào năm 2011 để cung cấp dịch vụ sửa chữa hiệu quả và nhanh chóng cho tất cả các loại thiết bị cơ điện, bao gồm động cơ DC và AC, bộ biến tần, máy bơm, cân bằng động, v.v. Họ cũng hỗ trợ các dịch vụ hiệu chuẩn trục.

Họ không chỉ cung cấp dịch vụ sửa chữa trục động cơ chất lượng cho khách hàng mà còn cung cấp trục động cơ đặc biệt cho các van, máy bơm, động cơ và hệ thống thủy lực khác.

Vật liệu sẵn có để chế tạo trục động cơ

-Thép hợp kim

-Nhôm

-Đồng berili

-Thau

-Đồng

-Thép carbon

-Đồng

-Niken

Chế tạo trục động cơ

Như đã đề cập trước đó, hầu hết các nhà sản xuất động cơ đều sử dụng SAE 1045 ở dạng thép cán nguội (CRS) hoặc thép cán nóng (HRS.) Trên cơ sở chi phí mỗi pound, vật liệu thép cacbon cán nóng rẻ hơn vật liệu cán nguội. Tuy nhiên, các yếu tố như kích thước cần được xem xét trong quá trình cán.

Các nhà sản xuất thiết bị điện cần ước tính xem các thanh cán nóng có chi phí vật liệu thấp hơn và kích thước lớn hơn thì đắt hơn hay ít hơn so với các thanh cán nguội.

Các vật liệu cán nóng gặp nhiều vấn đề hơn khi gia công do đặc điểm của chúng là các điểm mềm, điểm cứng, lỗ rỗng, ứng suất dư và các khuyết tật vật liệu khác. Nhược điểm chính của một số loại thép cường độ cao là phần cứng nhất chỉ là lớp bên ngoài. Do đó, khi trục được gia công xuống, hệ thống sẽ mất đi độ bền.

Kiểm tra máy là cần thiết để chọn ra phương án tốt nhất trong số các vật liệu khác nhau. (Một số nhà sản xuất động cơ sử dụng CRS lưu hóa do gặp khó khăn khi sử dụng HRS).

Tầm quan trọng của việc căn chỉnh trục động cơ

Căn chỉnh trục động cơ phù hợp giúp tăng tuổi thọ hoạt động của thiết bị quay. Điều này chỉ có thể được thực hiện bằng cách thiết kế chính xác các bộ phận có nhiều khả năng không hoạt động nhất trong giới hạn thiết kế có thể chấp nhận được.

Văn phòng Sản xuất Tiên tiến thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đưa ra các hướng dẫn và khuyến nghị về các yếu tố quan trọng liên quan đến sự liên kết và sai lệch. Sau đây là bản tóm tắt các mẹo quan trọng cần xem xét về việc căn chỉnh trục động cơ:

Mặc dù độ lệch trục không có tác động đáng kể đến hiệu suất, nhưng việc đảm bảo căn chỉnh trục thích hợp có thể nâng cao hiệu quả và độ trơn tru của quá trình truyền năng lượng từ động cơ đến thiết bị được dẫn động. Độ lệch xảy ra khi đường tâm của trục động cơ và thiết bị được dẫn động không trùng nhau. Điều này có thể dẫn đến thêm tiếng ồn, độ rung, vòng bi, khớp nối hoặc trục bị hỏng sớm và nhiệt độ của vòng bi và khớp nối tăng lên.

Các loại lệch trục động cơ

Độ lệch góc xảy ra khi động cơ được lắp ở một góc với thiết bị được dẫn động. Nếu tâm của thiết bị dẫn động và trục động cơ được kéo dài ra, chúng sẽ thực sự giao nhau thay vì chạy dọc hoặc chồng lên đường tâm tiêu chuẩn. Ngược lại với độ lệch của trục máy cố định, “khoảng trống” (sự chênh lệch về không gian giữa các bề mặt khớp nối) hoặc độ lệch lệch của trục động cơ có thể xảy ra theo phương thẳng đứng, phương ngang hoặc theo cả hai hướng. Đặc biệt, độ lệch góc có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị và động cơ được dẫn động.

Độ lệch song song xảy ra ngay khi đường tâm của hai trục có cấu hình song song nhưng không nằm trên cùng một đường thẳng. Độ lệch song song có thể có hai dạng; các trục có thể được dịch chuyển theo chiều dọc (nằm ở các độ cao khác nhau), theo chiều ngang (dịch chuyển sang trái hoặc phải) hoặc cả hai.

Độ lệch kết hợp xảy ra khi trục động cơ vừa song song vừa lệch góc. Đây là sai lệch phổ biến nhất trong hệ thống.

Các biện pháp đề xuất cho độ lệch trục động cơ

Ở đây, một số biện pháp được khuyến nghị cho độ lệch trục động cơ sẽ được trình bày:

-Kiểm tra độ thẳng trục của tất cả các thiết bị quan trọng trong sản xuất hàng năm.

- Kiểm tra độ lệch của các thiết bị mới lắp đặt do độ lún nền móng từ 3 đến 6 tháng sau khi đưa vào sử dụng.

-Kiểm soát độ rung và xu hướng tăng độ rung, đây là dấu hiệu chính của sai lệch. Độ lệch có thể do bu-lông siết không đủ, độ lún của móng hoặc trục đầu ra bị hỏng.

-Sử dụng các phương pháp bảo trì dự đoán, bao gồm phân tích quang phổ và kiểm tra độ rung, để phân biệt giữa độ lệch trục, độ mòn ổ trục hoặc độ rung do điện gây ra.

Đặc điểm của trục động cơ

Theo yêu cầu của người sử dụng, trục động cơ có thể được chế tạo thành trục rỗng hoặc trục đặc.

-Thiết kế gọn nhẹ có sẵn dạng ống và phiên bản tích hợp.

- Có thể kết hợp nhiều vật liệu khác nhau.

-Trục động cơ đã sẵn sàng để lắp đặt hoặc là một bộ phận bán thành phẩm gần với đường viền cuối cùng của nó.

-Trọng lượng nhẹ (tiết kiệm tài nguyên) và khả năng truyền tải cao

-Splines có thể thay đổi theo yêu cầu của khách hàng

Trục động cơ trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy. Thiết kế của nó, bao gồm các yếu tố như lắp đặt, phụ kiện, làm mát và khả năng chịu tải, là rất cần thiết để tối ưu hóa chức năng của động cơ. Bằng cách hiểu tầm quan trọng của việc căn chỉnh trục đúng cách và khắc phục mọi vấn đề sai lệch, các nhà sản xuất động cơ có thể giảm thiểu các vấn đề như tăng tiếng ồn, rung động và hỏng hóc linh kiện sớm. Cuối cùng, một trục động cơ được thiết kế tốt và căn chỉnh đúng cách góp phần vào hiệu suất tổng thể và tuổi thọ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, mở đường cho những tiến bộ trong nhiều ngành công nghiệp dựa vào hệ thống truyền động điện.