Làm mát động cơ Motor điện với công nghệ CFD dựa trên hạt

Trong bối cảnh xe điện (EV) bùng nổ, bài toán làm mát động cơ motor điện công suất lớn trở thành thách thức nhiệt học nan giải. Thay vì các phương pháp CFD truyền thống đầy hạn chế, công nghệ Particle-based CFD từ Particleworks nổi lên như một giải pháp đột phá, giúp mô phỏng chính xác các dòng chảy đa pha phức tạp để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ động cơ.

1. Vượt qua giới hạn của phương pháp truyền thống

Đối với các hệ thống làm mát động cơ Motor điện sử dụng dầu (oil-cooled), cơ chế hoạt động thường liên quan đến việc trục trung tâm dẫn dầu và phun ra ngoài qua các lỗ phun được bố trí chiến lược nhằm vào cuộn dây stator và các vùng biên. Đây là một môi trường vật lý cực kỳ phức tạp với sự tương tác hỗn loạn giữa dầu lỏng, không khí và các chi tiết cơ khí chuyển động nhanh.

Các công cụ CFD truyền thống thường tốn rất nhiều thời gian để tạo lưới (meshing) và xử lý bề mặt, đồng thời tiêu tốn tài nguyên tính toán khổng lồ khi mô phỏng sự văng của chất lỏng. Ngược lại, phương pháp MPS (Moving Particle Semi-implicit) của Particleworks không cần tạo lưới, cho phép mô phỏng các tương tác đa pha này hiệu quả hơn nhiều, giúp giảm thiểu chi phí tính toán và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm.

2. Quy trình mô phỏng và phân tích dòng chảy

Để tối ưu hóa hiệu quả làm mát động cơ Motor điện, các kỹ sư đã áp dụng một quy trình làm việc sáng tạo, khai thác tối đa sức mạnh của Particleworks qua từng giai đoạn cụ thể.

2.1 Định lượng tỷ lệ phân phối dòng chảy

Bước đầu tiên trong quy trình là xác định chính xác lượng dầu đi đến từng khu vực cần làm mát. Một mô phỏng dòng chảy nội bộ đã được thực hiện để lập bản đồ phân chia dòng chảy giữa ba nhóm lỗ phun. Kết quả cho thấy tỷ lệ phân phối lần lượt là 47%, 34% và 19%. Việc nắm rõ thông số đầu vào này là tiền đề quan trọng để đánh giá xem thiết kế hiện tại có đảm bảo cung cấp đủ lưu lượng dầu cho các điểm nóng (hotspots) hay không.

2.2 Mô phỏng chi tiết sự tương tác đa pha

Dựa trên dữ liệu dòng chảy đã thu thập, các kỹ sư tiến hành mô phỏng luồng khí động học với kích thước hạt lớn (0.5mm) để tiết kiệm tài nguyên. Sau khi đã có bản đồ khí động học, một mô phỏng độ phân giải cao với kích thước hạt siêu nhỏ (0.2mm) được thực hiện để nắm bắt chi tiết cách các tia dầu va đập và làm mát các thành phần động cơ.

Kết quả mô phỏng cho phép hình ảnh hóa các tia dầu tốc độ cao tác động trực tiếp lên cuộn dây stator. Quan trọng hơn, phần mềm giúp trích xuất dữ liệu về hệ số truyền nhiệt (Heat Transfer Coefficient – HTC) trên toàn bộ bề mặt động cơ. Đây là dữ liệu vàng giúp các kỹ sư hiểu rõ hiệu quả làm mát động cơ motor điện tại từng vị trí cục bộ.

Tất cả quy trình phức tạp này, dù mô phỏng hàng triệu hạt, chỉ mất khoảng 6 ngày tính toán trên một GPU duy nhất nhờ khả năng tăng tốc phần cứng vượt trội của Particleworks.

3. Kiểm chứng độ chính xác qua quy trình kết hợp CFD-FEA

Mô phỏng chỉ thực sự có giá trị khi nó phản ánh đúng thực tế. Để dự đoán nhiệt độ vận hành thực của động cơ, dữ liệu HTC từ Particleworks đã được kết hợp với phân tích truyền nhiệt phần tử hữu hạn (FEA) trong một bộ giải chuyên dụng.

Dữ liệu dòng chảy dầu được ánh xạ (mapped) lên mô hình FE, có tính đến các đặc tính cách điện của cuộn dây. Kết quả cuối cùng thực sự ấn tượng: Khi so sánh với các phép đo thực nghiệm tại sáu vị trí khác nhau trên cuộn dây, sai số nhiệt độ giữa mô phỏng và thực tế chỉ nằm trong khoảng ±2.8°C.

Sự tương quan chặt chẽ này khẳng định quy trình kết hợp CFD-FEA là một công cụ ảo đáng tin cậy. Nó cho phép các nhà sản xuất thiết kế và tinh chỉnh hệ thống làm mát động cơ tối ưu về nhiệt ngay từ giai đoạn đầu của chu kỳ phát triển, thay vì phải tốn kém chi phí thử nghiệm và sửa lỗi trên các mẫu vật lý (prototype).

4. Câu hỏi thường gặp

Dưới đây là những thắc mắc phổ biến của các kỹ sư và nhà quản lý khi tiếp cận giải pháp mô phỏng làm mát động cơ motor điện này:

4.1 Tại sao nên dùng CFD dựa trên hạt (MPS) thay vì CFD truyền thống cho động cơ điện?

Phương pháp MPS không cần tạo lưới (mesh-free), giúp tiết kiệm thời gian thiết lập mô hình. Đặc biệt, nó xử lý cực tốt các bài toán dòng chảy bề mặt tự do (free surface flow) như dầu văng, phun tia trong hộp số hoặc động cơ quay, nơi mà lưới truyền thống thường bị biến dạng hoặc sai số lớn.

4.2 Giải pháp này có thể áp dụng cho các loại động cơ nào khác ngoài xe điện?

Công nghệ này áp dụng hiệu quả cho mọi hệ thống bôi trơn và làm mát, bao gồm hộp số (transmission), trục dẫn động (axle), động cơ đốt trong và cả các máy móc công nghiệp cần tối ưu hóa hệ thống làm mát động cơ motor điện công suất lớn.

4.3. Độ chính xác của mô phỏng so với thực tế là bao nhiêu?

Như trong trường hợp nghiên cứu điển hình được đề cập trong bài, sai số nhiệt độ chỉ khoảng ±2.8°C. Tuy nhiên, độ chính xác còn phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu đầu vào (tính chất vật liệu, biên dạng hình học) và kinh nghiệm thiết lập bài toán của kỹ sư.

Particleworks không chỉ tối ưu hóa làm mát động cơ motor điện mà còn mở ra tiêu chuẩn mới cho xe điện thế hệ tiếp theo. Để làm chủ công nghệ mô phỏng tiên tiến và tối ưu nhiệt cho sản phẩm của bạn, hãy kết nối với SDE Tech – đối tác giải pháp công nghiệp uy tín hàng đầu tại Việt Nam.

*Biên soạn nội dung từ particleworks-europe.com

• Email: sales@sde.vn
• Hotline/Zalo: 085 256 2615 – 0909 107 719