Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu rô to đến đặc tính mô men của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới, động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng khá phổ biến thay thế cho động cơ không đồng bộ bởi tính ưu việt của nó như hiệu suất và cosφ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Đào Thị Thuỳ Dung

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO

ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS BÙI ĐỨC HÙNG

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình thực tiễn chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3

1.1.1 Tình hình trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình trong nước 4

1.2 Các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 5

1.2.1 Cấu tạo chung 5

1.2.2 Phân loại 5

1.3 Kết cấu rô to 7

1.3.1 Các kiểu kết cấu roto 7

1.3.2 Vật liệu chế tạo cực từ 10

1.4 Kết luận 16

CHƯƠNG 2- MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 17

2.1 Khái niệm chung 17

2.2 Gợn sóng mô men điện từ 17

2.3 Các phương pháp giảm momen gợn sóng đã nghiên cứu 18

2.3.1 Phương pháp tạo cực từ xiên 18

2.3.2 Phương pháp điều chỉnh độ rộng cực từ 19

2.3.3 Phương pháp sử dụng các cực từ có độ rộng khác nhau 20

2.3.4 Phương pháp tạo rãnh giả trên răng stator 20

2.3.5 Phương pháp dịch chuyển vị trí các nam châm vĩnh cửu 22

2.4 Giới thiệu về phương pháp tạo cực từ xiên 23

2.5 Kết luận .24

CHƯƠNG 3- XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN 25

3.1 Mô hình tổng quát động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 25

3.1.1 Các phép biến đổi hệ toạ độ trong máy điện 3 pha 25

3.1.2 Mô hình tổng quát động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .29

3.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực từ xiên 32

3.3 Kết luận 34

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG MATLAB/SIMULINK 36

4.1 Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 36

4.1.1 Các khối mô phỏng 36

4.1.2 Sơ đồ mô phỏng động cơ 39

4.2 Mô hình Simulink của động cơ với cực từ xiên 40

4.2.1 Động cơ có cực từ gồm 3 mô đun 40

4.2.2 Động cơ có cực từ gồm 5 mô đun 40

4.3 Kết luận 41

CHƯƠNG 5- KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 42

5.1 Đặc tính mô men của động cơ cực từ thẳng 42

5.2 Đặc tính mô men của động cơ cực từ xiên 43

5.2.1 Động cơ với cực từ gồm 3 mô đun 43

5.2.2 Động cơ với cực từ gồm 5 mô đun 46

5.3 Đánh giá kết quả 48

5.4 Kết luận 49

KẾT LUẬN 50

Để luận văn có thể hoàn thành như ngày hôm nay tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Tiến sĩ Bùi Đức Hùng- Bộ môn Thiết bị điện- điện tử- Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi rất nhiều

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các đồng nghiệp ở trường Cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiên về thời gian và đóng góp nhiệt tình về chuyên môn để tôi có thể hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi muốn cám ơn gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm, ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian qua

Mặc dù đã cố gắng hết sức mình, nhưng do khả năng hạn chế của bản than cho nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được các góp

ý từ các thầy cô, các đồng nghiệp quan tâm đến luận văn này để vấn đề nghiên cứu trong luận văn được sáng tỏ, hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2014

Đào Thị Thuỳ Dung

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS Bùi Đức Hùng- Bộ môn Thiết bị điện- điện tử- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2 Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và hợp lệ

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Học viên,

Đào Thị Thuỳ Dung

DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

P - số đôi cực

q- số rãnh stator trên mỗi cực và pha

N- số vòng dây

I- dòng điện

Be- từ trường khe hở không khí

Lz- chiều dài cạnh tác dụng dây

Ra- bán kính trong stato

ud, uq- điện áp pha stato theo trục d và trục q

id, iq- dòng điện stato theo trục d và trục q

m- từ thông sinh ra bởi cực từ

Te – mô men điện từ

TL- mô men tải

B- hệ số ma sát

J- mô men quán tính

m- vận tốc cơ của rô to

- góc lệch giữa 2 mô đun cực từ cạnh nhau

M- số mô đun nam châm trong một cực từ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1- Kết cấu cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 1.2- Hai kiểu động cơ từ thông hướng tâm

Hình 1.3- Hai kiểu động cơ từ thông dọc trục

Hình 1.4- Hai kiểu động cơ từ thông ngang trục

Hình 1.5- Các kiểu kết cấu roto

Hình 1.6- ¼ mặt cắt ngang của rotor 8 cực từ động cơ cực từ lồi

Hình 1.7- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ ẩn

Hình 1.8- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ chìm

Hình 2.1- Tạo rãnh giả trên răng stator với Nn=1 và Nn=2

Hình 2.1- Đồ thị gợn sóng mô men với Nn=0 và Nn=2

Hình 2.3- Mô men gợn sóng của động cơ khi không có rãnh giả và khi có rãnh giả Hình 2.4- Vị trí các cực từ sau khi dịch chuyển trong động cơ 4,6 và 8 cực

Hình 2.5- Gợn sóng mô men của động cơ 6 cực trước và sau khi dịch chuyển

Hình 2.6- Cực từ thẳng và cực từ nghiêng góc ng

Hình 3.1- Hệ toạ độ a, b, c và d, q

Hình 3.2- Hệ toạ độ a, b, c và , 

Hình 3.3- Hệ trục toạ độ ,  và d, q

Hình 3.4- Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 3.5- Rô to với cực từ gồm 3 khối ghép chéo

Hình 3.6- Hệ trục ,  và các hệ trục di, qi

Hình 4.1- Khối nguồn 3 pha

Hình 4.2- Khối biến đổi abc sang dq0

Hình 4.3- Khối dòng điện

Hình 4.4- Sơ đồ khối dòng điện

Hình 4.5- Sơ đồ khối mô men điện từ

Hình 4.6- Khối tốc độ

Hình 4.7- Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 4.8- Mô phỏng Simulink của động cơ có cực từ gồm 3 mô đun

Hình 4.9- Mô phỏng Simulink của động cơ có cực từ gồm 5 mô đun

Hình 5.1- Mô men điện từ (Te), tốc độ động cơ (m), dòng điện dọc trục và ngang trục

Hình 5.2- Mô men gợn song mô men của động cơ đồng bộ cực từ thẳng

Hình 5.3- Mô men gợn sóng khi M =3,

Hình 5.10- Mô men gợn sóng khi M =5,

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới, động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng khá phổ biến thay thế cho động cơ không đồng bộ bởi tính ưu việt của nó như hiệu suất và cosφ cao

Trong nước, hiện chưa có cơ sở sản xuất nào chế tạo thương phẩm loại động cơ này, các nghiên cứu về loại động cơ này cũng cũng rất ít Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng trong nước 100% là nhập khẩu với giá thành cao Vì vậy việc nghiên cứu để đi đến thiết kế chế tạo trong nước, thay thế nhập ngoại là vấn đề

có tính thời sự trong giai đoạn hiện nay

Do việc gia công các vật liệu từ cứng chế tạo nam châm vĩnh cửu gặp nhiều khó khăn nên phần lớn chúng đều có kết cấu cực từ thẳng Vì vậy, trong đề tài này, tôi đặt vấn đề nghiên cứu cực từ xiên để đưa ra những kết luận khoa học hỗ trợ cho việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo loại động cơ này

II Đối tượng, mục đích, phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này, ta nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ

-Tìm hiểu về động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đặc biệt quan tâm đến kết cấu và vật liệu từ chế tạo rôto

-Xây dựng mô hình toán cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có đưa vào hệ số xét đến cấu trúc rôto ( giới hạn ở việc sắp xếp các cực nam châm vĩnh cửu tạo thành dạng cực từ xiên)

-Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, xét ảnh hưởng của cấu trúc roto tới đặc tính mômen của máy ( gợn song mô men )

- Đưa ra các kết luận cho việc thiết kế chế tạo loại động cơ này

III Phương pháp nghiên cứu

Phân tích các tài liệu liên quan đến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu để xây dựng mô hình toán

Sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink để mô phỏng đưa ra kết quả của bài toán

IV Bố cục trình bày

Luận văn gồm 5 chương

Chương 1- Tổng quan

Chương 2- Mô men của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chương 3- Xây dựng mô hình toán

Chương 4: Mô phỏng mô hình toán động cơ đồng bộ bằng Matlab/ Simulink

Chương 5: Kết quả và bàn luân

Động cơ điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài bắt đầu từ những thí nghiệm của Michael Faraday và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh tế do các kĩ sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho động

cơ nhỏ hơn, mạnh mẽ, mang tính động học và có hiệu suất hơn

Với mục đích bảo tồn năng lượng, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn

so với các động cơ điện cảm ứng ac thông thường Động cơ đồng bộ IPM mới sử dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto ( động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mật độ mômen quay tốt hơn

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong những ứng dụng có mômen quay cao, như thang máy, cần trục, trục quay hay những ứng dụng tiêu thụ năng lượng lớn, như trong quạt, bơm và máy nén công suất lớn

Trong những ứng dụng mômen quay cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đem lại rất nhiều lợi ích Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt

thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ.Đối với thang máy, động cơ này giúp tiết kiệm không gian nhờ được lắp trong trục thang máy Điều khiển tốc độ cũng được tăng cường, điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần trục

So với một động cơ không đồng bộ, kích thước vật lí của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chỉ bằng 1/3, hơn nữa lại có thể chế tạo với nhiều hình dạng Ví dụ, Yaskawa Electric đã tạo ra một động cơ “dẹt” để lắp đặt trong những ứng dụng có không gian chật hẹp như thang máy và cần trục

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu của Yaskawa Electric có công suất danh định

từ 0.4kW 200V - 160kW 400V[14]

Bên cạnh Yaskawa Electric, Omron cũng đã tung ra thị trường seri động cơ trợ động SGMBH cho những ứng dụng công suất lớn Động cơ trợ động SGMBH có công suất danh định từ 22kW - 55kW với tốc độ 1500 vòng/phút Mômen quay tối

đa có thể duy trì trong vòng 5 giây

Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn được ứng dụng trong công nghiệp ôtô

Nó có thể chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có thành năng lượng động ở chế độ trợ giúp (so với 64.6% trước đây)

Với một dải ứng dụng như vậy, hiện nay động cơ không đồng bộ đang dần được thay thế bởi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.1.2 Tình hình trong nước

Trong nước, hiện chưa có cơ sở sản xuất nào chế tạo thương phẩm loại động cơ này, các nghiên cứu về loại động cơ này cũng cũng rất ít Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng trong nước 100% là nhập khẩu với giá thành cao Vì vậy việc nghiên cứu để đi đến thiết kế chế tạo trong nước, thay thế nhập ngoại là vấn đề

có tính thời sự trong giai đoạn hiện nay

1.2 Các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.2.1 Cấu tạo chung

Theo [1], hình 1.1 cho ta thấy mặt cắt ngang cấu trúc của một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 1.1 Kết cấu cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Stato mang dây quấn 3 pha tạo ra phân bố lực từ động có dạng gần hình sin dựa trên giá trị của dòng điện stato

Các nam châm được gắn trên bề mặt lõi roto Chúng có vai trò như dây quấn kích từ trong máy điện đồng bộ, chỉ khác là từ trường của chúng là hằng số và ta không điều khiển nó

1.2.2 Phân loại

Theo [6], [9], hiện nay có 3 kiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

- Kiểu từ thông hướng tâm

- Kiểu từ thông dọc trục

- Kiểu từ thông ngang trục

Hình 1.2 Hai kiểu động cơ từ thông hướng tâm

Hình 1.3 Hai kiểu động cơ từ thông dọc trục

Hình 1.4 Hai kiểu động cơ từ thông ngang trục

1.3 Kết cấu rô to

1.3.1 Các kiểu kết cấu roto

Động cơ từ thông hướng tâm là kiểu động cơ phổ biến nhất hiện nay Do đó, trong phần này ta chỉ xem xét các kiểu kết cấu roto của động cơ từ thông hướng tâm

Hình 1.5 Các kiểu kết cấu roto

Phân loại theo vị trí các nam châm trên rotor ta có thể chia làm 3 loại : rô to nam châm nổi, rô to nam châm ẩn, rô to nam châm chìm [9],[12]

1.3.1.1 Rô to nam châm nổi

Là dạng kết cấu rotor phổ biến nhất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ( hình 1.5 a và c) Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor như hình 1.6 và được cố định bằng các băng sợi cacbon hoặc sợi thuỷ tinh Động cơ loại này có ưu điểm là dễ chế tạo nên giá thành thấp Nhưng do nam châm lộ ra ngoài nên dễ bị ảnh hưởng bởi các từ trường khử từ, đây là nhược điểm chính Một nhược điểm khác là khi động cơ hoạt động, đặc biệt ở tốc độ cao, các nam châm phải chịu một lực ly tâm khá lớn Tuy nhiên, ở dải tốc độ vừa phải, thông thường chỉ sử dụng một băng sợi thuỷ tinh là đủ để chịu lực ly tâm này

Hình 1.6- ¼ mặt cắt ngang của rotor 8 cực từ động cơ cực từ lồi

Độ từ thẩm của nam châm và không khí gần như nhau nên từ trở trục d bằng từ trở trục q Do đó, các động cơ SMPM có mô men quay sinh ra hoàn toàn là tương tác giữa dòng điện stator và các nam châm

1.3.1.2 Rô to nam châm ẩn

Với roto nam châm ẩn, các nam châm được gắn vào bề mặt roto như hình 1.7 Tuy nhiên do nam châm nằm trong lõi rotor nên sẽ được bảo vệ khỏi từ trường khử từ

tốt hơn so với động cơ nam châm gắn trên bề mặt rô to, nhưng vẫn cần được gia cố bằng các băng sợi thuỷ tinh hoặc cacbon để chống đỡ lực ly tâm

Hình 1.5 b) và 1.5 g) cho ta hình ảnh một số kiểu gắn nam châm vào roto

Do có một phần lõi sắt rotor giữa các nam châm, nên từ trở trục q nhỏ hơn từ trở trục d Điều này giống như có các cực từ lồi Do đó tạo ra một thành phần mô men

từ trở thêm vào mô men quay sinh ra bởi nam châm

Hình 1.7- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ ẩn 1.3.1.3 Rô to nam châm chìm

Một kiểu kết cấu khác là chôn các nam châm vào lõi roto như hình 1.5- d) e) f) Các nam châm được bảo vệ tốt hơn, chống lại từ trường khử từ và các ứng suất cơ học

Có rất nhiều cách chọn vị trí đặt nam châm trong roto Có thể đặt các nam châm sao cho từ thông chúng sinh ra được tập trung và qua đó làm tăng mật độ từ thông khe

hở không khí

Hình 1.8- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ chìm Động cơ IPM và BPM đều có nhược điểm chính là quy trình sản xuất phức tạp, do

Có nhiều loại nam châm vĩnh cửu

Theo thành phần cấu tạo (vật liệu), nam châm vĩnh cửu gồm có các loại sau:

-Oxit sắt: dưới dạng các đá nam châm, có ngay trong tự nhiên nhưng khi khoa học

kỹ thuật phát triển loại này không còn được sử dụng do từ tính kém

-Thép cacbon: hiện nay không còn được sử dụng, được dùng chủ yếu từ thế kỷ 18 đến đầu thế kỷ 20, có khả năng cho từ dư tới hơn 1T, nhưng lực kháng từ rất thấp nên dễ mất từ tính

-Nam châm Alnico: là hợp kim của nhôm, niken, coban và một số phụ gia khác như đồng, titan,…cho từ dư cao nhưng lực kháng từ vẫn thấp mà cũng khá đắt nên hiện nay tỉ lệ sử dụng ngày càng giảm ( chỉ còn không đầy 10% thị phần sử dụng )

-Ferrite từ cứng: là vật liệu dạng gốm (ceramic), công thức hoá học thường có dạng

MO x 6Fe2O3 với M là Ba, Sr hay Pb Loại nam châm này chiếm tới hơn 50% thị phần sử dụng

-Nam châm đất hiếm: thành phần cấu tạo là hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp Nam châm đất hiếm chủ yếu gồm có 2 loại là nam châm nhiệt độ cao SmCo ( SmCo5, Sm2Co17…) và nam châm Neodymium NdFeB (dựa trên hợp chất R2Fe14B có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với R là các nguyên tố đất hiếm như Nd, Pr…) Nam châm đất hiếm đứng sau ferrite từ cứng về thị phần

sử dụng

-Nam châm tổ hợp nano: là nam châm có cấu trúc tổ hợp của hai pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn Tính chất tổ hợp này có được là nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet Loại nam châm này được tính toán có khả năng cho năng lượng từ lớn hơn 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng thực nghiệm mới chỉ đạt được rất nhỏ so với lý thuyết và các sản phẩm mới trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm

Theo phương pháp chế tạo, nam châm vĩnh cửu được chia thành các loại sau:

-Nam châm đẳng hướng: là nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng cách ép đẳng tĩnh mà không sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu ( ví dụ như từ trường định hướng…)

-Nam châm dị hướng: là nam châm được định hướng trong quá trình ép đẳng tĩnh bằng từ trường Khi đó các miền momen từ hoá trong vật liệu sẽ bị định hướng theo chiều từ trường, tạo nên khả năng dễ dàng từ hoá theo hướng đã xác định

-Nam châm kết dính: là các nam châm được chế tạo bằng cách nghiền thành bột mịn, sau đó trộn với keo kết dính và ép trong từ trường định hướng Các keo vừa có tác dụng kết dính lại vừa có tác dụng đông cứng sự định hướng của các miền từ hoá

-Nam châm thiêu kết: là nam châm được chế tạo bằng cách thiêu kết các bột kim loại đã nghiền mịn và ép khuôn Việc thiêu kết nhằm tạo ra hợp chất có thành phần hợp phức xác định với tính chất từ của hợp chất đó

Dưới đây là bảng phân loại nam châm vĩnh cửu:

Nam châm tổ hợp nano

Theo phương pháp chế tạo

Đẳng hướng

Dị hướng

Kết dính

Thiêu kết

Bảng 1-1 Phân loại nam châm vĩnh cửu

Một nam châm vĩnh cửu sẽ nằm trong các loại của cả hai cách nêu trên Ngoài ra, người ta còn phân loại nam châm vĩnh cửu theo hình dạng: nam châm thẳng, nam châm móng ngựa, nam châm hình xuyến…

Hiện nay, trên thị trường còn dùng chủ yếu là 3 loại nam châm: Alnico (< 10%), Ferrite từ ( 50%) và nam châm đất hiếm (40%)

nam châm vĩnh cửu không đáng kể Đôi khi Alnico được bảo vệ khỏi từ thông phần

ứng, và do đó tránh được sự khử từ, bằng cách sử dụng thêm các má cực bằng sắt non Alnico thống trị thị trường động cơ nam châm vĩnh cửu ở dải công suất từ vài

W đến 150kW trong khoảng từ giữa những năm 1940 đến cuối những năm 1960 - khi mà ferrite trở thành vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất

b-Ferrite từ cứng

Barium và strontium ferrite được phát minh vào những năm 1950 Ferrite có từ kháng cao hơn Alnico, nhưng đồng thời có mật độ từ dư thấp hơn Hệ số nhiệt tương đối cao, cụ thể hệ số nhiệt của Br là -0.2%/oC, của Hc là -0.27%/oC.Nhiệt độ

làm việc lớn nhất là 400oC Ưu điểm chính của ferrite là có giá thành rẻ và điện trở rất cao Điều đó có nghĩa là không có tổn hao dòng xoáy trong thể tích khối nam châm Nam châm ferrite là lựa chọn kinh tế nhất đối với các động cơ công suất nhỏ

và nó vẫn có lợi thế về kinh tế so với nam châm Alnico ở mức công suất đến khoảng 7.5kW Nam châm barium ferrite thường được sử dụng trong các động một chiều vành góp loại nhỏ dùng cho ô tô (quạt, gạt nước kính chắn gió, bơm…) và các

đồ chơi điện

Ferrite được sản xuất từ các bột luyện kim Công thức hóa học của nó thường có dạng MO x 6Fe2O3 với M là Ba, Sr hay Pb Strontium ferrite có từ kháng cao hơn Barium ferrite Ferrite chì có một nhược điểm về phương diện sản xuất đó là gây ảnh hưởng đến môi trường Nam châm ferrite có cả loại đẳng hướng và dị hướng

c-Nam châm đất hiếm

Trong ba thập kỷ qua, nhờ sự phát triển của các nam châm vĩnh cửu đất hiếm, tích năng lượng cực đại (BH)Max đã được cải thiện rất nhiều Các nguyên tố đất hiếm, nói chung không phải tất cả đều hiếm, nhưng các quặng tự nhiên của chúng thường

ở dạng các hợp chất hỗn hợp nằm rải rác Để sản xuất được một kim loại đất hiếm thì một vài loại khác không có tác dụng thương mại phải được tinh chế Điều này làm hạn chế tính khả dụng của các kim loại này Thế hệ đầu tiên của các hợp kim mới này dựa trên thành phần SmCo5 được phát minh vào những năm 1960 và được sản xuất thương mại đầu những năm 1970 Và hiện nay nó đứng vững ở vai trò một loại vật liệu từ cứng SmCo5 có ưu điểm là có mật độ từ dư cao, từ kháng cao, năng lượng sinh ra lớn, đường cong khử từ tuyến tính và hệ số nhiệt thấp (Bảng 2.1) Hệ

số nhiệt của Br là 0.03 đến 0.045%/oC, của Hc là 0.14 đến 0.4%/oC Nhiệt độ làm

việc lớn nhất từ 300 đến 350°C Nó rất thích hợp để thiết kế các động cơ có khối

lượng nhỏ, mật độ công suất cao và có cấp cách điện F hay H Giá thành là nhược điểm duy nhất Cả Sm và Co đều tương đối đắt do nguồn cung cấp hạn chế

Những năm gần đây, với việc phát hiện ra thế hệ thứ 2 của các nam châm đất hiếm dựa trên gốc Neodymium (Nd) rẻ tiền, chúng ta đã đạt được những tiến bộ vượt trội trong việc giảm chi phí nguyên liệu thô Thế hệ các nam châm đất hiếm mới này được công bố bởi Sumitomo Special Metals, Nhật Bản, vào năm 1983 tại hội nghị thường niên về từ học và các vật liệu từ lần thứ 29 ở Pittsburgh Nguyên tố đất hiếm

Nd phong phú hơn rất nhiều so với Sm Nam châm NdFeB - loại nam châm được sản xuất với số lượng ngày càng nhiều, có các đặc tính từ tính tốt hơn so với SmCo, tiếc rằng điều đó chỉ đúng khi ở nhiệt độ phòng Chúng có các đường cong khử từ,

đến -0.15%/oC, và hệ số nhiệt của Hc là -0.4 đến -0.8%/oC Nhiệt độ làm việc lớn nhất là 250°C và nhiệt độ Curie là 350oC Loại nam châm NdFeB này cũng dễ bị ăn

mòn Tuy vậy chúng vẫn có tiềm năng to lớn trong việc cải thiện đáng kể tỉ suất hiệu năng-phí tổn cho rất nhiều ứng dụng Vì lí do này, chúng sẽ có tác động to lớn đến sự phát triển và ứng dụng của các thiết bị nam châm vĩnh cửu trong tương lai

Các loại NdFeB mới nhất có mật độ từ dư cao hơn và độ ổn định nhiệt độ tốt hơn Người ta có thể sử dụng lớp phủ kim loại hay nhựa để cải thiện khả năng chống ăn mòn Ngày nay, để sản xuất công nghiệp các nam châm đất hiếm, thường sử dụng

bột hơp kim tinh chế Bỏ qua các chỉ số vật liệu cụ thể, công nghệ tinh chế này, nói

chung là giống nhau cho tất cả các nguyên liệu nam châm đất hiếm Sau đó hợp kim được sản xuất bằng cách nấu chảy các nguyên liệu này trong chân không, hoặc

dùng phương pháp canxi nhiệt (calciothermic) để khử các ôxit Các nguyên liệu sau

đó được đập vỡ để làm giảm kích thước và nghiền nhỏ thành bột tinh thể với kích thước nhỏ hơn 10 µm Để thu được các nam châm vĩnh cửu dị hướng với giá trị (BH)max cao nhất có thể, bột nguyên liệu được được định hướng với một từ trường

ngoài, ép và đạt tới sát mật độ lí thuyết bằng biện pháp nung kết Phương pháp kinh

tế nhất để sản xuất đại trà các bộ phận có hình dạng đơn giản như hình khối, hình tròn, hình vành khuyên từ vài gram đến khoảng 100 gram là ép cứng bột nguyên liệu vào các khuân có hình dạng tương ứng Những phần lớn hơn hoặc với số lượng nhỏ có thể được tạo ra bằng cách cắt và bóc lớp từ những khối lớn được ép đẳng tĩnh

Quá trình nung kết hay xử lí nhiệt sau đó được thực hiện trong môi trường chân không hoặc khí trơ Nhiệt độ nung kết nằm trong dải 1000 – 1200oC phụ thuộc vào vật liệu nam châm, và thời gian nung kết trong khoảng 30-60 phút Trong quá trình

ủ sau khi nung kết, cấu trúc vật liệu được tối ưu hóa, điều đó làm tăng đáng kể nội kháng của nam châm Sau khi gia công để có được các kích thước với dung sai cho phép, bước cuối cùng trong quá trình sản xuất là từ hóa nam châm Từ trường từ hóa để nam châm đạt độ bão hòa hoàn toàn nằm trong khoảng 1000 – 4000 kA/m,

phụ thuộc vào thành phần vật liệu Các nhà nghiên cứu tại General Motors, Mỹ phát triển một phương pháp sản xuất mới dựa trên hệ thống đúc li tâm – nóng chảy để sản xuất các hợp kim vô định hình Trong công nghệ này, dòng nguyên liệu NdFeCoB đầu tiên được định dạng thành các dải mỏng dày cỡ 30 – 50 µm bằng cách tôi nhanh , sau đó được ép lạnh, dập và ép nóng thành các khối lớn Ép nóng

và gia công nóng được thực hiện khi vẫn duy trì ở trạng thái các hạt mịn tạo nên

mật độ cao gần tới 100% và loại trừ khả năng ăn mòn bên trong Lớp mạ điện hay lớp phủ epoxy tiêu chuẩn tạo nên khả năng chống ăn mòn tuyệt vời Những loại vật liệu này thích hợp cho việc chế tạo các nam châm hình xuyến định hướng toả tròn

có đường kính lớn (hơn 200mm) Ngày nay, khi sản xuất với quy mô lớn, giá thành của nam châm NdFeB phụ thuộc vào chủng loại, và dưới 80$/1kg Nó bằng khoảng 60-70% giá thành của nam châm SmCo Giả sử giá thành của nguyên liệu thô không đổi, người ta dự đoán rằng, với việc sản xuất ngày càng nhiều và rõ ràng chi phí sản xuất giảm, thì giá thành cũng sẽ giảm theo Mảng ứng dụng quan trọng nhất của nam châm đất hiếm, chiếm khoảng 40% doanh số bán ra, là trong máy điện

Động cơ nam châm vĩnh cửu được sử dụng ở dải công suất rất rộng, từ vài mW đến hơn 1MW, gồm 1 loạt ứng dụng, từ động cơ bước cho đồng hồ đeo tay, bộ truyền động cho các thiết bị công nghiệp (tới 15kW) cho đến các động cơ đồng bộ cỡ lớn Nhờ năng suất cao, nam chất đất hiếm đã thay thế thành công cho nam châm Alnico

và nam châm ferrite trong tất cả các ứng dụng, nơi mà mật độ năng lượng lớn, cải thiện đặc tính động lực và hiệu suất cao là những vấn đề được quan tâm chính

1.4 Kết luận

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất phong phú và đa dạng về chủng loại Sự khác biệt giữa chúng là do hình dạng, cấu tạo, cách sắp xếp cực từ của rô to Vì vậy luận văn tập trung vào nghiên cứu kết cấu rô to mà không quan tâm tới stato của động cơ

CHƯƠNG 2- MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

2.1 Khái niệm chung

Theo [10], xét một trụ tròn bán kính R bao quanh rotor, mô men trên đó được tính theo biểu thức :

Be : từ trường khe hở không khí

Lz : chiều dài cạnh tác dụng dây

Ra : bán kính trong stator

2.2 Gợn sóng mô men điện từ

Một nhược điểm lớn không tránh khỏi của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là

Tgon (gợn sóng mô men) Tgon sinh ra do tương tác giữa các nam châm vĩnh cửu và rãnh sắt stator Trong điều kiện hoạt động, Tgon có thể truyền qua rotor tới tải, gây khó khăn cho việc điều khiển vị trí, tốc độ và truyền qua khung sắt stator gây rung,

ồn Đặc biệt, trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, Tgon phải được triệt tiêu bằng mọi giá Phép toán giải tích của Tgon được xây dựng bằng cách sử dụng hàm mật độ từ thông và hàm từ dẫn khe hở không khí

Theo [10], Tgon được biểu diễn dưới hình thức cơ bản nhất như sau:

2 1 2

dR T

kỳ, do đó gợn sóng mô men sinh ra cũng có tính tuần hoàn

Vì vậy, gợn sóng mô men có thể được biểu diễn như một chuỗi Fourier:

2.3 Các phương pháp giảm momen gợn sóng đã nghiên cứu

Việc làm giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn gợn sóng mô men là bài toán quan trọng trong thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Có nhiều phương pháp đã được

đề xuất và ứng dụng [7,8,10], sau đây là một số phương pháp chính

2.3.1 Phương pháp tạo cực từ xiên

Một biện pháp hữu hiệu làm giảm gợn sóng mô men là làm nghiêng rãnh stator (tạo rãnh xiên) Để khử hoàn toàn gợn sóng mô men thì góc xiên θs đúng bằng góc cơ của 1 chu kỳ gợn sóng mô men :

2

s p

UCLN p Q



Để giảm gợn sóng mô men ta cũng chọn khoảng cách giữa các NCVC gần đúng bằng n lần bước rãnh (n là số nguyên) Do thực tế gợn sóng mô men có biên độ lớn nhất ở vị trí sát cạnh nam châm, bằng cách này mô men dương ở cạnh nam châm này sẽ được bù bởi mô men âm của cạnh nam châm khác

Các trở ngại gặp phải:

Khi thiết kế rất khó xác định chính xác giá trị độ rộng cực từ cần thiết Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kiểu từ tính (tỏa tròn hay sóng sóng), chiều rộng khe hở không khí, độ hở của rãnh… Một thay đổi nhỏ của độ rộng cực từ có thể gây ảnh hưởng lớn đến các điều hòa trong gợn sóng mô men

Vấn đề sức phản điện :

Độ rộng cực từ cũng ảnh hưởng đến sức phản điện Với góc cực bằng 2αm , mỗi sóng hài bậc k bị giảm theo hệ số kpm = sin (kpαm) Với các động cơ nuôi bằng nguồn sin, góc cực được chọn trong khoảng (2/3 – 4.5)π/2p, như vậy sẽ ảnh hưởng không đáng kể đến sóng cơ bản nhưng làm giảm nhiều sóng hài khác, đặc biệt là hài bậc 5 và 7

2.3.3 Phương pháp sử dụng các cực từ có độ rộng khác nhau

Một động cơ đa cực có thể được thiết kế với các cực từ có độ rộng khác nhau Bằng cách này, điều hòa cơ bản của gợn sóng mô men được phân bố dọc theo bước rãnh, làm giảm mô men tổng

Các trở ngại gặp phải :

Phương pháp này đòi hỏi mỗi động cơ phải sử dụng các nam châm có hình dạng khác nhau, do đó cần nhiều loại khuôn Đây là phương pháp tốn kém, yêu cầu vốn đầu tư lớn và gây khó khăn trong quá trình lắp ráp động cơ

Vấn đề sức phản điện :

Do độ rộng các nam châm khác nhau nên mật độ từ thông khe hở không khí cũng khác nhau trên mỗi cực Những nam châm ngắn hơn sẽ có mật độ cao hơn Do đó sức điện động cảm ứng trong cuộn dây mỗi cực cũng khác nhau Đối với các sóng hài của sức phản điện, phương pháp này có tác dụng tương tự phương pháp ghép cực từ xiên

2.3.4 Phương pháp tạo rãnh giả trên răng stator

Một phương pháp làm giảm gợn sóng mô men khác là tạo các rãnh giả trên bề mặt răng stator (số lượng rãnh là Nn) Chúng có chiều rộng đúng bằng khoảng hở của rãnh thật và cách đều nhau Kết quả là làm tăng lượng tương tác giữa NCVC với rãnh stator, qua đó giảm biên độ gợn sóng mô men

Hình 2.1- Tạo rãnh giả trên răng stator với Nn=1 và Nn=2