Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu động cơ đồng bộ khởi động trực tiếp công suất 11kw 1500rpm

Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu động cơ đồng bộ khởi động trực tiếp công suất 11kw 1500rpm Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu động cơ đồng bộ khởi động trực tiếp công suất 11kw 1500rpm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

bộ khởi động trực tiếp công suất 11kW -1500rpm.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN HIỂU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : NGUYỄN VĂN HIỂU

Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu động cơ đồng bộ khởi động trực tiếp công suất 11kW -1500rpm

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện hướng Thiết bị điện

Mã số SV: CB170160

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25/10/2018 với các nội dung sau:

- Trình bày lại bố cục luận văn chia làm 3 chương chính

- Rà soát lại các hình vẽ và việt hóa các hình vẽ

- Chỉnh sửa lại một số lỗi chính tả

- Phân tích và tính toán lại thông số tụ xả ( trang 60 )

Ngày tháng năm

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

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

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 thân 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 tháng năm 2018

Nguyễn Văn Hiểu

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 Minh Định- 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

Nguyễn Văn Hiểu

khởi động trực tiếp công suất 11kW -1500rpm

Tác giả luận văn: Nguyễn Văn Hiểu

Khóa: 2017B

Người hướng dẫn: TS Bùi Minh Định

LSPMSM: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp

Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, động cơ điện không đồng bộ (KĐB) roto lồng sóc là nhóm động cơ phổ biến nhất trong số các loại động cơ điện Ưu điểm chính của động cơ KĐB là kết cấu đơn giản, bảo dưỡng và vận hành dễ dàng, giá thành thấp và độ tin cậy tương đối cao Tuy nhiên loại động cơ này cũng có một số nhược điểm, đó là khe hở không khí nhỏ, hiệu suất

và hệ số công suất thấp so với động cơ điện đồng bộ

Trước tình hình thay đổi nhanh chóng của khí hậu, vấn đề hiệu suất năng lượng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang là chủ đề chính trong mọi lĩnh vực và trong các sản phẩm ứng dụng và đặc biệt là điều chỉnh tốc độ trong truyền động điện Một trong những giải pháp hiệu quả hiện nay là sử dụng hệ truyền động sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu (NCVC)

Trong những năm gần đây, vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm chất lượng cao đã phát triển rất tốt nên giá thành giảm dần, tạo môi trường thuận lợi cho động cơ LSPMSM phát

Trên thế giới, động cơ LSPMSM đạt hiệu suất IE2 và IE3 đã được nghiên cứu và chế tạo thành công với rất nhiều sản phẩm với dải công suất từ vài W đến hàng trăm kW Nhờ đó

mà nó có được những ưu điểm vượt trội như: tổn hao thấp, mật độ công suất cao, kích thước nhỏ gọn, hệ số công suất xấp xỉ bằng 1 và đặc biệt là có khả năng tự khởi động LSPMSM rất phù hợp với những ứng dụng yêu cầu tốc độ không đổi và công suất nhỏ Nam châm vĩnh cửu trong động cơ PMSM đóng vai tr như một nguồn từ thông iệu suất và mô men động cơ LSPMSM phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của nam châm Chính vì vậy, khâu từ hóa nam châm vĩnh cửu đóng vai tr rất quan trọng

Với tính cấp thiết như vậy nên em đã lựa chọn đăng ký thực hiện đề tài: ” Nghiên

cứu thiết kế, chế tạo bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu động cơ đồng bộ khởi động trực tiếp công suất 11kW -1500rpm.”

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Mục đích của đề tài là xây dựng được phương pháp nạp từ cho nam châm sử dụng vật liệu từ có đặc tính tối ưu đảm bảo mật độ từ dư lớn nhất, duy trì mật độ từ dư lâu dài phải tạo ra bộ nạp từ mà có thể điều chỉnh được điện áp, d ng điện nạp và thời gian nạp

từ Ngoài ra, bài viết cũng có thể dùng tham khảo trong các nghiên cứu sau này để mở rộng và phát triển hơn nữa các hệ thống sản xuất động cơ ở nước ta

Đối tượng nghiên cứu của luận văn thời điểm hiện tại là các động cơ đồng bộ NCVC công suất vừa và nhỏ sử dụng trong các hệ thống quạt gió, bơm…

c) Nội dung chính của luận văn được trình bày thành các chương như sau:

Chương 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN P ƯƠNG ÁN, T IẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ NẠP TỪ BỘ NẠP TỪ NAM C ÂM VĨN CỬU

Chương 3: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ NẠP TỪ NAM C ÂM VĨN CỬU CHO ĐỘNG CƠ LSPMSM 11 kW – 1500rpm

d) Phương pháp nghiên cứu:

- Tìm hiểu về động cơ điện đồng bộ NCVC, đặc biệt quan tâm đến vật liệu từ chế tạo rôto

và phương pháp nạp từ cho động cơ

- Xây dựng thiết kế máy nạp từ cho nam châm vĩnh cửu sử dụng vật liệu đất hiếm NdFeB

- Đưa ra các kết luận cho việc thiết kế chế tạo máy nạp từ chuyên dụng ứng dụng vào việc chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

e) Kết luận:

Sau một năm thực hiện đề tài, em đã hoàn thành bản luận văn này với sự giúp đỡ

và ủng hộ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè, gia đình và sự nỗ lực của bản thân Bản luận văn này mới chỉ dừng lại ở các kết quả nghiên cứu – thiết kế, có chế tạo thử, hy vọng đây cũng là một tài liệu tích cực cho quá trình nghiên cứu, thiết kế phục vụ cho việc nghiên cứu đưa vào sản xuất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp ở Việt Nam Do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ nên không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn của em được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn Em xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Bảng 3.1 Kết quả đánh giá hiệu suất của động cơ LSPMSM 11kW –

1500 rpm với nam châm đƣợc từ hóa, đo trên bộ test bench tiêu chuẩn

IEC

84

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.4 Quá trình sản xuất nam châm NdFeB đ ng hướng được nung

Hình 1.7 Đường cong từ hóa của nam châm từ cứng - Từ cảm dư

Hình 1.11 Bộ nạp từ cho nam châm gắn trên rôto máy điện đồng bộ 150

Hình 1.14 Mô hình máy nạp từ kiểu xung dùng trong phân tích của

Hình 1.16 Dạng sóng điện áp, dòng điện và từ cảm tạo ra bởi thiết bị

Hình 1.20 Phân bố mật độ từ thông trong lõi không khí của máy nạp từ 25 Hình 1.21 Đặt phôi nam châm lên khối thép sắt từ sẽ cải thiện phân bố 25

từ trường bên trong lõi thép đồng đều hơn, cao hơn

Hình 1.23 Sự tương đồng về mặt kết quả giữa hai phương pháp phân

tích

áp dụng cho máy nạp từ

26

Hình 1.29 Sự phụ thuộc của mức độ từ hóa vào dung lượng và điện áp

Hình 1.34 Hệ thống nạp từ Small Pulsed High Magnetic Field Device 32

Hình 1.38 Dạng sóng dòng điện nạp từ a) Mô phỏng ; b) Thực nghiệm 34

Hình 1.42 Quy trình thiết kế hệ thống nạp từ sau lắp ráp cho động cơ

PMSM

Hình 1.46 Vị trí rôto để từ hóa chính xác và phân bố từ trường trong

Hình 1.50 Thông số kỹ thuật của máy nạp từ Impulse magnetizer X

Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trong quá trình xả, nạp từ 54

Hình 2.21 Kết quả điện áp khi sử dụng mạch cân bằng điện trở 63 Hình 2.22 Kết quả điện áp khi sử dụng mạch cân bằng kết hợp van-trở 63

Hình 2.27 Kết quả so sánh điện áp trên 2 tụ với 2 dòng nạp xả ±400 V 68

Hình 2.30 Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi chọc thủng do xung điện áp 71

Hình 3.11 Ghép nối hoàn chỉnh bộ nạp từ và kết cấu rôto đƣợc sử dụng

1.5.1 Giới thiệu về hệ thống nạp từ nam châm vĩnh cửu

1.5.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài về bộ nạp từ

1.5.3 Các nghiên cứu trong nước về bộ nạp từ

16

16

17

35

1.6 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu về phương pháp nạp từ cho động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp (LSPMSM)

1.7 Thông số kỹ thuật của bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu

37

42 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN, THIẾT KẾ

2.1 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế bộ nạp từ nam châm vĩnh

2.1.4 Phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển quá trình nạp từ 53

2.2 Tính toán thiết kế mạch lực cho bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu

2.2.1 Tính toán, thiết kế máy biến áp cho bộ chỉnh lưu

2.2.2 Tính toán, lựa chọn van bán dẫn chỉnh lưu cầu

2.2.3 Tính toán, lựa chọn bộ tụ điện

2.2.4 Tính toán, lựa chọn khóa chuyển mạch IGBT và mạch điều

khiển

2.2.5 Thiết kế mạch bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn

2.2.6 Tính toán, thiết kế cơ cấu nạp từ bằng cuộn dây – lõi thép

3.1 Phương án nạp từ trong chế tạo bộ nạp từ nam châm vĩnh cửu cho

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới, động cơ điện đồng bộ NCVC 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 NCVC 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

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện Start Permanent Magnet Synchronous Motor - LSPMSM) là một loại động cơ có những ưu điểm hơn so với động cơ đồng bộ truyền thống Trong kết cấu của động

(Line-cơ này, nam châm vĩnh cửu kích từ là một thành phần quan trọng Do giá trị từ dư của nam châm vĩnh cửu này có nhiều ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của loại động cơ này Để nạp từ cho nam châm vĩnh cửu phục vụ cho động cơ này, máy nạp

từ là một chi tiết quan trọng cần được nghiên cứu thiết kế Vì vậy, trong đề tài này, tôi đặt vấn đề nghiên cứu các loại nam châm, tính chất vật lý, cách thức nạp từ và các cấu trúc máy nạp từ cho nam châm vĩnh cửu dùng cho động cơ LSPMSM 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 NCVC công suất vừa và nhỏ Nội dung nghiên cứu bao gồm:

-Tìm hiểu về động cơ điện đồng bộ NCVC, đặc biệt quan tâm đến vật liệu từ chế tạo rôto và phương pháp nạp từ cho động cơ

-Xây dựng thiết kế máy nạp từ cho nam châm vĩnh cửu sử dụng vật liệu đất hiếm NdFeB

- Đưa ra các kết luận cho việc thiết kế chế tạo máy nạp từ chuyên dụng ứng dụng vào việc chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

III Phương pháp nghiên cứu

Phân tích các tài liệu liên quan đến động cơ đồng bộ NCVC để xây dựng phương pháp nạp từ, nguyên lý làm việc mạch nạp từ, phân loại, công dụng và phân tích ưu, nhược điểm Đánh giá lựa chọn các thông số cơ bản đưa ra thiết kế và triển khai mô hình thực tế

IV Bố cục trình bày

Luận văn được trình bày trong 4 chương, cụ thể:

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN, THIẾT KẾ VÀ

MÔ PHỎNG BỘ NẠP TỪ BỘ NẠP TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU

CHƯƠNG 3 - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ NẠP TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU CHO ĐỘNG CƠ LSPMSM 11 kW – 1500rpm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có tên tiếng Anh là

Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor, thường được viết tắt là

LSPMSM Động cơ LSPMSM được nghiên cứu đầu tiên bởi F.W Merrill vào năm

1955 [1] Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu, loại động cơ này khó được hiện thực và sản xuất thương mại do chất lượng nam châm còn rất thấp và động cơ làm việc không ổn định Trong những năm gần đây, vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm chất lượng cao đã phát triển rất tốt nên giá thành giảm dần, tạo môi trường thuận lợi cho động cơ LSPMSM phát triển và trở thành sản phẩm thương mại có thể cạnh tranh với các động cơ không đồng bộ (IM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Trên thế giới, động cơ LSPMSM đạt hiệu suất IE2 và IE3 đã được nghiên cứu và chế tạo thành công với rất nhiều sản phẩm với dải công suất từ vài W đến hàng trăm kW Về ý tưởng thiết kế, LSPMSM có thể coi là loại động cơ lai giữa hai kiểu: động cơ không đồng bộ (IM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) Nhờ đó mà nó có được những ưu điểm vượt trội của cả hai loại động cơ này như: tổn hao thấp, mật độ công suất cao, kích thước nhỏ gọn, hệ số công suất xấp xỉ bằng 1 và đặc biệt là có khả năng tự khởi động LSPMSM rất phù hợp với những ứng dụng yêu cầu tốc độ không đổi và công suất nhỏ

Hình 1.1 So sánh động cơ LSPMSM với các động cơ khác

Trong báo cáo nghiên cứu động cơ hiệu suất cao LSPMSM [2] W.Fei, P.C.K.Luk, J.Ma, J.X.Shen, G.Yang năm 2009 đã so sánh kết quả đạt được của động cơ LSPMSM với động cơ không đồng bộ ban đầu để chỉ ra hiệu suất và hệ số công suất có thể cải thiện đáng kể Nam châm được sử dụng ở đây là NdFe35SH có

năng lượng lớn, nhiệt độ Currier cao Động cơ nguyên mẫu là loại có ký hiệu: Y90S-4

Sau khi cho động cơ vận hành ổn định, đo lường các giá trị hiệu suất và hệ số công suất ở các tải khác nhau, so sánh giá trị của động cơ LSPMSM và động cơ không đồng bộ nguyên mẫu, có bảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng so sánh động cơ IM và động cơ LSPMSM

Bảng 1.1 cho thấy rằng động cơ LSPMSM so với động cơ không đồng bộ cùng công suất khi thử nghiệm thực tế cho kết quả công suất và hệ số công suất cải thiện đáng kể, kết quả này cũng phù hợp với việc kiểm nghiệm ban đầu bằng lý thuyết sử dụng mô hình FEA Việc kiểm tra so sánh kết quả thực tế để xác nhận rằng hiệu suất và hệ số công suất đã được nâng cao đáng kể so với động cơ không đồng bộ nguyên mẫu với các biến đổi động cơ với chi phí thấp

Tác giả Tomas Modeer nghiên cứu động cơ LSPMSM [5] năm 2007, theo tác giả động cơ loại này có ưu điểm hiệu suất và kích thước nhỏ gọn hơn khi so sánh với động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn được sử dụng trong các ngành công nghiệp Tuy nhiên, động cơ loại này cũng có một số nhược điểm như quá trình khởi động khó khăn, cấu trúc rotor phức tạp và việc cộng thêm giá thành các khối nam châm cũng làm cho chi phí sản xuất động cơ tăng lên đáng kể so với động cơ không đồng bộ

1.2 Tình hình thực tiễn chế tạo động cơ đồng bộ NCVC khởi động trực tiếp

1.2.1 Tình hình trên thế giới

Động cơ điện là một bộ phận không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta,

do đó tính năng của chúng không ngừng được nâng cao Động cơ điện không đồng

bộ (KĐB) roto lồng sóc là nhóm động cơ phổ biến nhất trong số các loại động cơ điện Ưu điểm chính của động cơ KĐB là kết cấu đơn giản, bảo dưỡng và vận hành

cũng có một số nhược điểm, đó là khe hở không khí nhỏ, hiệu suất và hệ số công suất thấp so với động cơ điện đồng bộ

Trước tình hình thay đổi nhanh chóng của khí hậu, vấn đề hiệu suất năng lượng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang là chủ đề chính trong mọi lĩnh vực và trong các sản phẩm ứng dụng và đặc biệt

là điều chỉnh tốc độ trong truyền động điện Một trong những giải pháp hiệu quả hiện nay là sử dụng hệ truyền động sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu (NCVC)

Với sự phát triển nhanh và mạnh của nam châm vĩnh cửu đất hiếm như

Sm-Co và Nd-Fe-B, không những nâng cao được hiệu suất của động cơ đồng bộ mà còn nâng cao được mật độ công suất, chất lượng và hiệu năng động học Giá thành của vật liệu đất hiếm cũng ngày càng giảm và công nghệ định dạng nam châm vĩnh cửu cũng ngày càng thuận lợi hơn, khiến cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng trở nên phổ biến

Với những tiện ích do động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đem lại, trên thế giới động cơ loại này đã được nghiên cứu chế tạo thành công với rất nhiều sản phẩm với dải công suất từ mW đến hàng trăm kW Tính năng kĩ thuật của các loại động cơ này cũng đã được các hãng chế tạo máy điện nổi tiếng trên thế giới như: Siemens, ABB, General Electric, cải tiến thiết kế tối ưu Các sản phẩm được áp dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế như: công nghiệp, nông nghiệp, y

tế, quân sự, giao thông… cũng như dân dụng

Bên cạnh công nghệ chế tạo, vật liệu mới cũng được nghiên cứu sâu để áp dụng vào máy điện, nhằm nâng cao hiệu suất, giảm trọng lượng, nâng cao chất lượng điều khiển trong hệ thống truyền động điện

Hiệu suất và mô men động cơ LSPMSM phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của nam châm Chính vì vậy, khâu từ hóa nam châm vĩnh cửu đóng vai trò rất quan trọng Thứ nhất, nam châm phải đảm bảo mật độ từ dư lớn nhất Thứ hai là phải đảm bảo duy trì mật độ từ dư lâu dài Muốn vậy, cần phải tạo ra bộ nạp từ mà có thể điều chỉnh được điện áp, dòng điện nạp và thời gian nạp từ Cấu trúc cơ bản của bộ nạp gồm có bộ chỉnh lưu một chiều điện áp cao để đủ nạp cho các dãy tụ, bộ nạp và

xả năng lượng tụ và cuối cùng là bộ nạp từ

có đơn vị nào trong nước nghiên cứu chế tạo một cách hoàn chỉnh để loại động cơ này trở thành thương phẩm, cạnh tranh được trên thị trường với các sản phẩm cùng loại của nước ngoài

Tuy nhiên, một số loại động cơ một chiều không chổi than sử dụng kích từ bằng NCVC đã có một số cơ sở nghiên cứu chế tạo như Viện Khoa học Việt Nam, Trường ĐHBK Hà Nội Tuy vậy mới chỉ dừng lại ở những con số hạn chế và chưa thành thương phẩm

Các máy phát điện đồng bộ NCVC công suất nhỏ dùng cho thủy điện cũng đã được một số cơ sở sản xuất với quy mô nhỏ Phần lớn những sản phẩm này vẫn được nhập từ Trung Quốc với giá thành rẻ

Như vậy, có thể nói rằng, động cơ đồng bộ NCVC – một loại động cơ có các chỉ

số năng lượng cao hiện chưa được nghiên cứu chế tạo tại Việt Nam Rõ ràng, đây là một thị trường tiềm năng, có cơ hội phát triển tốt cần phải tập trung nghiên cứu

1.3 Những nghiên cứu về nam châm vĩnh cửu dùng cho động cơ LSPMSM

Hiện nay động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh

và dần thay thế động cơ KĐB trong các hệ truyền động Với sự phát triển nhanh và mạnh của nam châm vĩnh cửu đất hiếm, ví dụ như Sm-Co và Nd-Fe-B, không những nâng cao được hiệu suất của động cơ đồng bộ mà còn nâng cao được mật độ công suất, chất lượng và hiệu năng động học Giá thành của vật liệu đất hiếm cũng ngày càng giảm và công nghệ định dạng nam châm vĩnh cửu cũng ngày càng thuận lợi hơn, khiến cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng trở nên phổ biến

Đầu thế kỉ 20, các loại vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu đã được nghiên cứu và phát triển, trước tiên là loại thép từ [6] Vào đầu năm 1930, vật liệu từ cho chế tạo nam châm vĩnh cửu đã được ứng dụng vào các thiết bị cơ điện, đó là loại hợp kim aluminum-nickel-cobalt AlNiCo Loại hợp kim này ban đầu được sử dụng

trong các thiết bị đặc biệt, tuy nhiên về sau loại hợp kim này không được phát triển nữa, lí do lực kháng từ Hc nhỏ Sau loại vật liệu này, người ta bắt đầu nghiên cứu loại vật liệu nam châm vĩnh cửu Ferrit (chủ yếu là loại SrO 6(Fe2O3)) vào đầu năm

1950, với một số đặc điểm cơ bản như: lực kháng từ Hc cao hơn nhiều so với hợp kim AlNiCo, mức độ (BH)max cũng cao hơn so với những loại vật liệu trước đó, ngoài ra giá thành chế tạo rẻ hơn Cho đến ngày nay các loại vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu đã phát triển rất mạnh, do tỉ lệ giữa giá cả và hiệu năng của chúng đã được thu h p đáng kể Đã có nhiều thiết bị có kích thước lớn sử dụng nam châm vĩnh cửu đã được thiết kế, tuy nhiên với những vật liệu kể trên, ví dụ nam châm ferrit có độ từ thẩm tương đối thấp (Br), điều này dẫn đến trong sản xuất máy điện lớn mật độ từ thông khe hở không khí khó có thể nâng lên đủ cao cho các ứng dụng hiệu năng cao

Lượng từ thông do nam châm vĩnh cửu tạo ra sẽ khép vòng từ cực bắc về cực nam Để tạo đường đi cho từ thông, thì stator được chế tạo từ các lá thép kĩ thuật điện, khi đó phần gông của stator đóng vai trò như đường đi cho từ thông, phần răng của stator đóng vai trò hút lấy lượng từ thông qua nam châm ngang qua khe hở không khí, với một lượng sức từ động MMF rất nhỏ Điều này xảy ra tương tự như đối với rotor Khi đó phần lớn sức từ động MMF do nam châm tạo ra được dùng để đưa từ thông vượt qua khe hở không khí và khắc phục phản ứng phần ứng do dòng stator gây ảnh hưởng

Nam châm vĩnh cửu trong động cơ PMSM đóng vai trò như một nguồn từ thông Do đó việc tìm hiểu và lựa chọn nam châm, đặc tính của nam châm là rất quan trọng Trên thực tế thường có 4 loại vật liệu được sử dụng để chế tạo nam châm:

- NdFeB, Neodymium or Neo Rare Earth

- SmCo, Samarium Cobalt

- SrFe2O3, Hard Ferrites or Ceramics

- AlNiCo, Alnico magnets

Hình 1.2 Hình ảnh phát triển của các vật iệu chế tạo nam châm

Năm 1955, F W Merrill là người đầu tiên thiết kế động cơ LSPMSM [7] Thời điểm đó nam châm được chế tạo từ hợp kim Alnico và Ferrit, nên chất lượng rất thấp và làm việc không ổn định, điều này khiến cho động cơ LSPMSM không được hiện thực hóa Mãi đến năm 1980, nam châm đất hiếm hiệu năng cao mới được phát triển Loại vật liệu này đã giúp cho việc hình thành nên rất nhiều các nghiên cứu về động cơ PMSM và LSPMSM hiệu năng cao từ thời điểm đó

Tuy nhiên đến khoảng năm 1970, thì vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu chuyển sang một giai đoạn mới, đó là việc phát triển vật liệu chế tạo nam châm Cobalt đất hiếm được nung kết, đặc biệt là hợp kim samarium-cobalt SmCo Loại hợp kim này có một số đặc điểm nổi bật như: độ từ dư và độ kháng từ cao, điều này cho phép chế tạo các sản phẩm có mật độ năng lượng cao hơn đáng kể so với vật liệu Ferrit Cùng với những đặc điểm trên thì phạm vi khử từ thuận nghịch (độ kháng từ nội cao Hci), khiến cho loại nam châm này chiếm vị trí lựa chọn số một trong các ứng dụng sản xuất máy điện có hiệu năng cao Tuy nhiên, thời điểm đó giá loại vật liệu thô này khá cao, khiến cho mức độ ứng dụng bị hạn chế Chính vì giá thành lớn như vậy, nên đặt ra vấn đề cần tìm một loại vật liệu khác có tính năng tương tự nhưng giá thành lại rẻ hơn Cùng với những nỗ lực nghiên cứu của các nhà

khoa học thì đến năm 1983, một loại vật liệu mới được nghiên cứu thành công, đó

là nam châm neodymium-iron-boron NdFeB Mặc dù chi phí giá thành thấp hơn so với SmCo, thậm chí mật độ năng lượng cao hơn Nhưng hiện nay loại vật liệu vẫn đang được nghiên cứu hoàn thiện, do NdFeB có mức độ ổn định nhiệt thấp, làm cho nhiệt độ Curie thấp hơn SmCo Điều này dẫn đến các phản ứng gây ăn mòn vật liệu NdFeB Để khắc phục các vấn đề trên, hiện người ta chế tạo dưới dạng bột ép, bằng cách trộn bột đất hiếm với nhựa, cao su để tạo thành các loại nam châm dẻo (tương

tự như loại bột Ferrit)

Ngày nay, nam châm đất hiếm hiệu năng cao được dùng rất rộng rãi trong các động cơ công suất nhỏ, đặc biệt trong động cơ của các ổ đĩa cứng, với tốc độ quay cực kì lớn Trong các ứng dụng truyền động công suất lớn và chính xác, nam châm được sử dụng trong các động cơ servo

Trong quá trình nghiên cứu phát triển, ngoài việc làm tăng mức độ BH và độ

từ thẩm Br của vật liệu, các nhà khoa học còn nghiên cứu nâng cao nhiệt độ Currie của thép NdFeB Điều này dẫn đến cải thiện được đặc tính vật liệu ở nhiệt độ cao hơn, phù hợp với những ứng dụng truyền động hiệu năng cao Xu hướng chính là thay thế một phần neodymium (Nd) bằng dysprosium (Dp), iron (Fe) bằng Cobalt (Co) và molybdenum (Md) và Boron (B) bằng aluminum (Al) Việc bổ sung các thành phần trên, dẫn đến việc thay đổi đáng kể các tính chất của vật liệu như: độ từ

dư, độ kháng từ nội (Hci), hệ số nhiệt và nhiệt độ Currie Tuy nhiên, hiện giá thành loại vật liệu này còn khá cao Loại hợp kim phổ thông với độ từ dư cao nhưng ở nhiệt độ phòng thường có độ kháng từ nội thấp và hệ số nhiệt cao Điều này dẫn đến nhiều rủi ro về mức độ khử từ cao hơn, do đó việc lựa chọn cần có sự dung hòa giữa mức độ BH và khả năng ổn định nhiệt Ví dụ trong các máy điện hiệu năng cao có thể lựa chọn loại vật liệu có mức độ ổn định nhiệt tương đối cao, nhưng có độ BH thấp hơn Về hệ số nhiệt giữa hai loại vật liệu SmCo và NdFeB cũng có sự khác biệt, nếu ở nhiệt độ phòng thì hệ số nhiệt SmCo thường thấp hơn so với NdFeB, tuy nhiên khi nhiệt độ tăng cao thì hệ số nhiệt của SmCo lại cao hơn so với NdFeB

Độ từ thẩm tương đối của vật liệu NdFeB thường trong khoảng r = 1.05 Do mức độ phản ứng về ăn mòn đối với môi trường làm việc của NdFeB cao nên loại vật liệu này thường được phủ một lớp bảo vệ (ví dụ nickel), điều này lại làm tăng chi phí của vật liệu Một giải pháp khác là đóng kín hoàn toàn nam châm trong quá trình sản xuất động cơ Ví dụ nhúng toàn bộ nam châm vào nhựa bảo vệ, điều quan

trọng trong quá trình từ thời điểm lắp ráp đến khi hoàn chỉnh cần tránh để vật liệu thô tiếp xúc với không khí và độ ẩm cao Hai nhà khoa học McCaig và Clegg đã nghiên cứu về mức độ ăn mòn của NdFeB như sau: Khi nam châm NdFeB được đặt ở nhiệt độ 600

C với độ ẩm tương đối là 90% trong khoảng thời gian 300 giờ, thì mức độ tổn thất từ thông do ăn mòn là 2%

Hình 1.3 Đường cong khử từ của vật liệu NdFeB theo nhiệt độ

Sau khi hỗn hợp bột hợp kim được sản xuất ra, chúng được ép và định hướng hạt nhờ vào từ trường Quá trình định hướng hạt không phải là quá trình từ hóa Đây

là quá trình xác định hướng cực từ, để sau đó có thể thực hiện từ hóa Các nam châm có dạng bề mặt cong được từ hóa hướng kính như trong hình 1.4, hỗn hợp bột được ép đ ng hướng thường bằng thủy lực, hoặc được ép đ ng tĩnh nhờ lực ép đều

từ các phía bằng các thùng ép thủy tĩnh Ngày nay phổ biến nhất là quá trình ép

đ ng hướng, do có thể thực hiện sản xuất tự động hóa và tạo ra các bề mặt nam châm phức tạp khác nhau Trong quá trình này kích thước lớn nhất của nam châm được xác định bằng lực ép thủy lực, dựa trên việc tính toán lực ép trên một diện tích

bề mặt Do vậy nam châm rất dễ vỡ, chính vì lí do đó nên tỉ lệ chiều dài so với các cạnh phải nằm trong một giới hạn cho phép Ngược lại với ép đ ng hướng, quá trình

ép đ ng tĩnh được thực hiện khi sản xuất các khối nam châm lớn Sau quá trình ép

và định hướng, nam châm được nung kết và trải qua quá trình xử lý nhiệt Nung kết

là quá trình phơi hỗn hợp trong môi trường nhiệt, hay còn gọi là quá trình xử lý nhiệt Sau quá trình gia công (thường là quá trình cán), nhằm đạt được hình dạng và kích thước nam châm mong muốn Tuy nhiên để có được những nam châm có bề mặt cong phức tạp thì khó hơn rất nhiều so với việc chế tạo các thanh nam châm, hao hụt vật liệu cũng lớn hơn nhiều Do đó hình dáng nam châm càng phức tạp thì

giá thành trên một đơn vị thể tích càng cao, để giảm bớt chi phí thì có thể thực hiện ghép nhiều thanh nam châm lại với nhau Giai đoạn cuối của quá trình sản xuất nam châm là giai đoạn từ hóa

Hình 1.4 Quá trình sản uất nam châm Nd e đ ng hướng được nung kết

Nam châm Samarium Cobalt (SmCo) là một trong những họ nam châm thuộc vật liệu đất hiếm Hợp chất Samarium Cobalt được nhà khoa học Dr Karl J Strnat [8] tìm thấy vào năm 1966 Hỗn hợp Samarium Cobalt dưới dạng bột kim loại, và cũng được nung kết và chế tạo thành nam châm giống với NdFeB Nam

châm SmCo có từ trường rất mạnh Chúng có xu hướng chống lại quá trình khử từ rất tốt Không giống với nam châm NdFeB, nam châm SmCo có khả năng chống ăn mòn rất tốt Ngoài ra SmCo cũng có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn lên tới

300oC Chính vì vậy nam châm SmCo được sử dụng trong những ứng dụng có nhiệt

độ cao hơn, độ ăn mòn lớn hơn, đặc biệt trong môi trường bị oxi hóa Hệ số nhiệt thường nhỏ hơn 0.05% Có hai hợp chất phổ biến dùng cho nam châm SmCo là SmCo5 và Sm2Co17 Nói chung giá thành của nam châm SmCo vẫn cao hơn nam châm NdFeB

Từ các thông tin so sánh ở trên, để phù hợp cả về mặt kĩ thuật lẫn kinh tế, ta

có thể lựa chọn nam châm NdFeB, còn mã hiệu cụ thể sẽ được quyết định trong quá trình thiết kế và thử nghiệm động cơ LSPMSM

Trong khoảng 10 đến 12 năm gần đây, vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm năng lượng cao đã phát triển rất tốt giá thành giảm (giá trung bình của nam châm đất hiếm NdFeB giảm hơn 40% từ năm 1998 đến năm 2003 [9]), tạo môi trường thuận lợi cho động cơ LSPMSM phát triển và trở thành sản phẩm thương mại Việc này có được do nhận thức của khách hàng về hiệu suất cao và những vấn đề nhậy cảm đối với môi trường

1.4 Các đặc trưng cơ bản của nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu có nhiều đặc trưng từ học như lực kháng từ, từ dư, tích năng lượng từ nhiệt độ Curie, mật độ tích từ hiệu dụng

1.4.1 Lực kháng từ

Lực kháng từ, ký hiệu là là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến dị hướng

từ tinh thể lớn trong vật liệu Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn

Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường được biết đến qua công thức (1.1):

( ) (1.1) trong đó:

- Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, là từ độ bão hòa

- Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với là thừa số khử từ

đo theo hai phương khác nhau

- Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với là từ giảo bão hòa, τ là ứng suất nội

Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ (xem hình

vẽ 1.6) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trường H là cực đại Vì thế, tích năng lượng từ cực đại thường được ký hiệu là ( )

Hình 1.6 Đường cong từ hóa của nam châm từ cứng- Tích năng ượng

Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lượng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thường dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ):

Nó cũng là thước đo của sự từ hóa Một cách đơn giản thì khi một nam châm được

từ hóa thì nó có từ dư, tức là có từ trường riêng khi không còn từ trường ngoài

Từ dư bão hòa là từ dư thu được sau khi từ hóa bão hòa, là từ hóa còn lại trong vật nhiễm sau khi đặt vật này trong một từ trường lớn đủ để đạt độ bão hòa rồi

dỡ bỏ trường ngoài

1.4.4 Nhiệt độ Curie

Nhiệt độ Curie là giá trị nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao Loại vật liệu từ cứng có

nhiệt độ Curie cao nhất hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ Curie từ 500°C đến trên 1000°C

Hình 1.7 Đường cong từ hóa của nam châm từ cứng - Từ cảm dư hoặc

Hình1.8 Đường cong khử từ của vật iệu Nd e 1.4.5 Mật độ từ tích hiệu dụng

Các phương trình Maxwell (trong hệ đo lường SI) áp dụng cho vật liệu từ cứng, khi không có dòng điện tự do chạy bên trong vật liệu này:

Ở đây, là cảm ứng từ, là cường độ từ trường, là độ từ hóa Vậy tồn tại trường vô hướng , gọi là thế vô hướng từ (đóng vai trò tương tự điện thế trong tĩnh điện học), thỏa mãn phương trình sau:

với là mật độ từ tích hiệu dụng

1.5 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu về bộ nạp từ

1.5.1 Giới thiệu về hệ thống nạp từ nam châm vĩnh cửu

Để nạp từ cho nam châm vĩnh cửu, cần phải đặt nam châm vào một môi trường tích trữ năng lượng đủ lớn để vượt qua lực kháng từ của vật liệu làm nam châm Năng lượng từ trường này phải đủ lớn để đạt đến điểm bão hòa mật độ từ thông của vật liệu

Máy nạp từ bao gồm các phần chính như sau: Phần nạp và tích trữ năng lượng điện, phần cuộn dây sinh từ trường, phần mạch từ định hướng từ thông.Trong một số các phân loại khác, cũng có thể xem máy nạp từ chỉ bao gồm 2 thành phần chính là phần tích trữ năng lượng điện và phần cuộn dây nạp từ Phần tích trữ năng lượng điện sẽ lưu trữ năng lượng điện lại dưới một trạng thái để có thể giải phóng nhanh chóng được Phần cuộn dây nạp từ sẽ chuyển đổi dòng điện thành năng lượng

từ trường nhằm nạp năng lượng từ cho khối vật liệu nam châm chưa được từ hóa

Quá trình nạp và quá trình xả năng lượng được thực hiện xen kẽ nhau nhằm đảm bảo an toàn và đảm bảo cho việc tích trữ năng lượng đúng theo yêu cầu công nghệ Nếu xảy ra sự mất an toàn nào trong hệ thống (rò điện, vượt quá điện áp đặt),

hệ thống phải được thiết kế để ngắt nguồn nạp ra khỏi lưới điện và phải xả năng lượng tích trữ trong tụ điện lên điện trở xả Việc này là cần thiết nhằm đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

1.5.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài về bộ nạp từ

Cùng với sự phát triển của lĩnh vực khoa học vật liệu về nam châm vĩnh cửu (NCVC), các hệ thống nạp từ cho (NCVC) cũng đã có nhiều thay đổi và tiến bộ Cho đến hiện nay, có 04 hệ thống nạp từ đã được con người phát minh và sử dụng

để từ hóa các vật liệu chế tạo nam châm [10], bao gồm :

- Sử dụng một nam châm để từ hóa vật liệu nam châm có lực kháng từ Hcnhỏ hơn

- Hệ thống nạp từ một chiều (DC magnetizer)

- Hệ thống nạp từ một nửa chu kỳ (haft cycle magnetizer)

- Hệ thống nạp từ sử dụng tụ xả (capacitive discharge magnetizer)

Từ thực tế cho thấy, những nam châm được làm từ vật liệu thép có lực kháng

từ Hc rất nhỏ so với các vật liệu nam châm đang sử dụng phổ biến hiện nay Do đó, những vật nam châm làm từ thép rất dễ từ hòa mà cũng rất dễ bị khử từ bởi va chạm, nam châm khác đặt gần, hoặc thậm chí là từ trường của Trái đất

Năm 1932, Alnico được phát hiện, có từ dư lớn hơn, ổn định hơn nhưng cũng khó từ hóa hơn Tuy nhiên, việc từ hóa loại vật liệu này cũng chưa gặp quá nhiều khó khăn mà hoàn toàn có thể được thực hiện chỉ với các hệ thống nạp từ DC qua dây dẫn th ng, ống dây solenoid, một vài vòng dây hoặc phức tạp hơn là bộ nạp

từ dạng chữ C Hạn chế của bộ nạp từ DC là tổn hao lớn gây phát nhiệt lớn trong cả quá trình tăng và giảm các mức từ trường Đặc biệt, khi cần tạo ra các mức từ trường cực lớn thì giá trị điện áp và dòng điện DC khó đạt được hoặc quá đắt đỏ

Năm 1952, các vật liệu sắt từ Barium và Samarium được phát hiện có độ kháng từ cao hơn Alnico nên sẽ cần các phương tiện từ hóa mới Bộ nạp từ nửa chu

kỳ được phát minh bởi General Electric năm 1939 [11] có thể tạo từ trường, dòng điện nạp từ có trị số hàng ngàn Ampe, đáp ứng yêu cầu từ hóa cho các vật liệu nam châm mới Bộ nạp từ nửa chu kỳ có cấu trúc khá đơn giản như hình 1.9

Hình 1.9 Bộ nạp từ Half-Cycle Magnetizer [11]

Ban đầu, việc đóng cắt mạch được thực hiện bởi một linh kiện gọi là ignitron Nhưng khi ngành công nghệ bán dẫn phát triển thì ignitron được thay thế bằng van bán dẫn SCR (silicon controlled rectifier) Hạn chế của thiết bị này là trong một nửa chu kỳ từ hóa, nó có thể coi như ngắn mạch nguồn, gây ra sụt áp trên đường dây nguồn Mặt khác, điện áp áp làm việc của thiết bị thường được giới hạn với các giá trị thông thường là 120V, 240 V và 480V Ưu điểm của bộ nạp từ nửa chu kỳ là đơn giản nên dễ bảo dưỡng, sửa chữa và được coi là hệ thống có chi phí thấp nhất

Hệ thống nạp từ kiểu tụ xả đầu tiền được phát minh bởi Dr Weston tại Radio Frequency Labs trong năm 1944 [11] Ưu điểm vượt trội của hệ thống này là có thể tạo ra điện áp nạp và dòng điện nạp có trị số lớn nhưng lại tiêu thụ công suất ở mức thấp hơn các hệ thống trước đó do làm việc dựa trên nguyên lý nạp xả của tụ điện Dòng điện và điện áp nạp từ có dạng xung được thực hiện trong khoảng thời gian rất ngắn, cỡ mili giây Dạng sơ khai của hệ thống nạp từ kiểu tụ xả được thể hiện trên hình 1.10

Điện áp nguồn cấp thường là 120V, 240V, hoặc 480V nhưng sau đó được nâng lên mức điện áp cao cỡ 3000V bởi hệ thống tụ ghép nối tiếp Bộ tụ được tích điện trong một khoảng thời gian khoảng vài giây để tích trữ năng lượng điện rồi sau

đó phóng xả qua bộ nạp từ (magnetizing fixture) dưới dạng xung ngắn, gần như tức thời, thường chỉ mất vài ms hoặc ít hơn hơn Việc giảm thời gian phóng điện sẽ đem lại hiệu quả cao hơn cho quá trình chuyển hóa năng lượng điện thành năng lượng từ trường nhưng cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến dòng điện Fuco xuất hiện trong các kết cấu kim loại dạng khối lớn, có thể làm cản trở quá trình từ hóa hoặc từ hóa không đồng đều Hiện nay, các hệ thống nạp từ kiểu tụ được coi là hệ thống có nhiều ưu điểm nhất, được thương mại hóa nhiều nhất và tiếp tục được cải tiến để phù hợp với các vật liệu nam châm mới như Cobalt ferrite, Ceramic magnet, nam châm đất hiếm (Rare -earth magnet)

Một khía cạnh khác cần kể đến trong việc lựa chọn hệ thống nạp từ đó là mức năng lượng từ trường được tạo ra bởi các bộ nạp từ phải phù hợp với mức bão hòa từ của vật liệu chế tạo nam châm Theo kinh nghiệm, để từ hóa hoàn toàn thì cần tạo ra một cường độ từ trường lớn gấp khoảng 5 lần độ kháng từ Hc của vật liệu nam châm [11] Với những vật liệu nam châm mới, có độ kháng từ cao và hình dạng cực từ phức tạp thì đây là một vấn đề thực sự rất khó để đạt được Vì vậy, yêu cầu của thiết bị nạp từ lại càng cần có nhiều tính năng để lựa chọn hơn

Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, vấn đề làm mát, tản nhiệt cho thiết bị nạp

từ cũng rất quan trọng, đặc biệt khi từ hóa nam châm với số lượng lớn Ban đầu, người ta có thể dùng không khí tự nhiên để làm mát cho các bộ nạp từ nhưng khi số lượng sản phẩm nam châm tăng lên, các bộ nạp từ cần được làm mát bằng chất lỏng

Ngày nay, một lượng lớn các công ty trên thế giới đang sản xuất các thiết bị, khí cụ điện để nạp từ cho nam châm Thomas và Skinner sản xuất rất nhiều loại máy nạp từ, tạo từ, đo từ và các thiết bị từ khác Accurate Electronics and Vast Electronics cũng cung cấp các thiết bị cho nạp từ General Electric, Varian và Crucible Steel Company là những công ty hàng đầu trong việc cung cấp máy nạp từ kiểu tụ xả

Thiết bị nạp từ cho nam châm ứng dụng cho máy điện được đề cập đến từ những năm 70, 80 của thế kỷ trước Trong [12], các kỹ sư của công ty GE đã sử dụng bộ nạp từ kiểu tụ để tiến hành nạp từ cho nam châm gắn trên rôto của máy

điện đồng bộ công suất 150 kVA nhƣ hình 1.11 Vật liệu nam châm đƣợc từ hóa là đất hiếm – Cobalt với lực kháng từ cỡ 15 kOe đến 30 kOe

Hình 1.11 Bộ nạp từ cho nam châm gắn trên rôto máy điện đồng bộ

150 KVA [12]

Thiết bị nạp từ của GE cho phép tạo ra xung nạp có điện áp đến 2000V và dòng điện cỡ 37 kA trong 8ms Dạng sóng điện áp và dòng điện nạp đƣợc thể hiện trên hình 1.12 Để tạo ra điện áp 2000 V, GE sử dụng 6 dãy tụ hóa, mỗi dãy có 8 tụ với tổng dung lƣợng là 29400 uF

Hình 1.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện đƣợc cấp bởi bộ nạp từ [12]

Năm 1986 [15], tác giả Donald giới thiệu một cấu trúc mạch nạp từ phù hợp với các vật liệu nam châm đất hiếm có mức năng lƣợng cao nhƣ hình 1.13

Hình 1.13 Mạch tương đương của bộ nạp từ mức năng ượng cao [15]

Phần tử biến áp xung có tỉ số vòng dây N:1 tức là cuộn thứ cấp của biến xung chỉ có một vòng dây sẽ được nối với bộ phận nạp từ Nhờ đó, có thể tạo ra dòng điện nạp từ có trị số cực đại lớn hàng trăm ngàn ampe trong khoảng 5 đến 20ms trong khi điện áp đặt vào phần bộ gá nạp từ chỉ cỡ vài chục vôn Biến áp cách

ly trong trường hợp này giữ vai trò cách ly giữa phần điện áp cao và điện áp thấp nhằm tạo ra sự an toàn cho thiết bị nạp từ

Ảnh hưởng của điện áp trên tụ điện, dung lượng của tụ điện và điện trở đến khả năng từ hóa của máy nạp từ được tác giả T.Nakata tính toán, phân tích bằng

phương pháp phần tử hữu hạn trong [16]

Quá trình quá độ của từ trường tạo ra bởi bộ nạp từ cũng được tác giả Nakata khảo sát như hình 1.14

Hình 1.14 Quá trình quá độ của từ trường tại một điểm được từ hóa [16]

Năm 1988, tác giả Kelly Lee đưa ra những gợi ý về cách tính toán cho máy nạp từ với nam châm Nd-Fe-B nhiều cực [17] Với dạng máy nạp từ sử dụng bóng

ignitron và tụ nạp xả, điện áp làm việc tối đa 900V, năng lƣợng nạp vào là 16 kJ thì dung lƣợng tụ điện đƣợc tính từ quan hệ sau:

(1.8) Kết quả cho dung lƣợng tụ C = 0,0395F

Dạng cuộn dây nạp từ đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.15

Hình 1.15 Kết cấu cuộn dây nạp từ [17]

Sau khi khảo sát mạch nạp từ kiểu tụ xả, sử dụng bóng ignitron đóng cắt và ống dây solenoid thì tác giả thu đƣợc dạng sóng điện áp, dòng điện và mật đồ từ cảm tại điểm từ hóa nhƣ hình 1.16

Hình 1.16 Dạng sóng điện áp, dòng điện và từ cảm tạo ra bởi

thiết bị nạp từ [17]

Năm 1990, tác giả G W Jewell và các cộng sự đã đưa ra phương pháp tính toán và mô phỏng đối với máy nạp từ kiểu tụ xả đơn giản với cấu hình như hình dưới đây:

Hình 1.17 Sơ đồ mạch tương đương cho máy nạp từ kiểu tụ xả [18]

Các kết quả nghiên cứu của G W Jewell góp phần tạo thêm cơ sở lý thuyết cho việc tính toán, mô phỏng máy nạp từ trong các giai đoạn tiếp theo

Trong [19], các tác giả thiết kế máy nạp từ cho nam châm NdFeB lõi không khí dùng cho động cơ PMSM 30hp – 4p Mật độ từ thông từ hóa yêu cầu đối với nam châm NdFeB là từ 2.0 T đến 3.5T [19] Nhìn chung, nếu quá trình từ hóa đạt từ cảm 3.0 đến 3.5T thì có thể coi là từ hóa hoàn toàn Đặc tính từ hóa của nam châm NdFeB được thể hiện trên hình 1.18

Thiết kế của máy nạp từ trong [19] có sơ đồ nguyên lý được thể hiện như hình 1.19

Hình 1.19 Thiết kế máy nạp từ kiểu tụ với thông số: R=500, C= 14 000μF

[19]

Về cơ bản, đây vẫn là một máy nạp từ kiểu tụ xả, nhưng thay thế bóng ignitron bằng linh kiện bán dẫn SCR Kết quả nghiên cứu trong bài báo cho phép xác định phân bố mật độ từ thông trên cấu trúc nạp từ bằng phương pháp phần tử hữu hạn như hình 1.20

Bài báo cũng đưa ra khuyến nghị rằng để cải thiện phân bố mật độ từ thông trong vùng không gian nạp từ của máy nạp từ thì nên đặt phôi nam châm lên trên khối thép vật liệu sắt từ như hình 1.21

Hình 1.20 Phân bố mật độ từ thông trong lõi không khí của máy nạp từ [19]