Nhờ kích thước nhỏ gọn và mật độ mô-men xoắn cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là các hệ thống truyền động hiệu suất cao như hệ thống đẩy tàu ngầm. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cần sử dụng vòng trượt để kích thích, giúp giảm bảo trì và hao mòn rôto. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao và phù hợp với các hệ thống truyền động hiệu suất cao như máy công cụ CNC, robot và hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp.

Nói chung, việc thiết kế và chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu phải xem xét cả cấu trúc stato và rôto để có được động cơ hiệu suất cao.

Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Mật độ từ thông khe hở không khí: Được xác định theo thiết kế của động cơ không đồng bộ, v.v., thiết kế của rôto nam châm vĩnh cửu và các yêu cầu đặc biệt khi sử dụng cuộn dây stato chuyển mạch. Ngoài ra, stato được coi là stato có rãnh. Mật độ từ thông khe hở không khí bị giới hạn bởi độ bão hòa của lõi stato. Đặc biệt, mật độ từ thông cực đại bị giới hạn bởi chiều rộng răng, trong khi mặt sau của stato xác định tổng từ thông tối đa.

Ngoài ra, mức bão hòa cho phép còn tùy thuộc vào ứng dụng. Thông thường, động cơ hiệu suất cao có mật độ từ thông thấp, trong khi động cơ được thiết kế cho mật độ mô-men xoắn cực đại có mật độ từ thông cao. Mật độ thông lượng khe hở không khí cao nhất thường nằm trong khoảng 0.7–1.1 Tesla. Lưu ý rằng đây là mật độ từ thông tổng, là tổng của từ thông rôto và stato. Điều này có nghĩa là nếu lực phản ứng phần ứng nhỏ hơn thì có nghĩa là mô-men xoắn căn chỉnh cao hơn.

Tuy nhiên, để đạt được sự đóng góp mômen từ trở lớn thì phản lực stato phải lớn. Các thông số của máy cho thấy m lớn và độ tự cảm L nhỏ chủ yếu cần thiết để có được mô-men xoắn căn chỉnh. Điều này thường phù hợp để vận hành dưới tốc độ cơ bản, vì độ tự cảm cao làm giảm hệ số công suất.

Vật liệu nam châm vĩnh cửu:

Nam châm đóng vai trò quan trọng trong nhiều thiết bị, do đó, điều quan trọng là phải cải thiện tính chất của các vật liệu này và hiện nay người ta đang tập trung chú ý vào các vật liệu dựa trên đất hiếm và kim loại chuyển tiếp để thu được nam châm vĩnh cửu có tính chất từ ​​cao. Tùy thuộc vào công nghệ, nam châm có các tính chất từ ​​và cơ khác nhau và có khả năng chống ăn mòn khác nhau.

Nam châm neodymium sắt boron (Nd2Fe14B) và samarium coban (Sm1Co5 và Sm2Co17) là những vật liệu nam châm vĩnh cửu thương mại tiên tiến nhất hiện nay. Trong mỗi loại nam châm đất hiếm, có rất nhiều loại khác nhau. Nam châm NdFeB bắt đầu được thương mại hóa vào đầu những năm 1980. Ngày nay chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau. Giá thành của vật liệu nam châm này (tính theo sản phẩm năng lượng) tương đương với giá thành của nam châm ferrite và tính trên mỗi kg, nam châm NdFeB có giá cao hơn nam châm ferrite khoảng 10 đến 20 lần.

Một số tính chất quan trọng được sử dụng để so sánh nam châm vĩnh cửu là Phần dư (Mr), đo cường độ từ trường của nam châm vĩnh cửu, Độ cưỡng bức (Hcj), khả năng của vật liệu chống lại quá trình khử từ, Sản phẩm năng lượng (BHmax), Năng lượng từ mật độ; Nhiệt độ Curie (TC), nhiệt độ tại đó vật liệu mất từ ​​tính. Nam châm neodymium có độ dư cao hơn, lực cưỡng bức cao hơn và sản phẩm năng lượng, nhưng nhìn chung các loại nhiệt độ Curie, neodymium và terbium, và dysprosium thấp hơn để duy trì tính chất từ ​​​​của chúng ở nhiệt độ cao.

Thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Trong thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), cấu tạo của rôto nam châm vĩnh cửu dựa trên khung stato của động cơ cảm ứng ba pha mà không làm thay đổi hình dạng của stato và cuộn dây. Thông số kỹ thuật và hình học bao gồm tốc độ động cơ, tần số, số cực, chiều dài stato, đường kính trong và ngoài, số lượng khe rôto. Thiết kế của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bao gồm tổn hao đồng, suất điện động ngược, tổn hao sắt và độ tự cảm, độ tự cảm lẫn nhau, từ thông, điện trở stato, v.v.

Tính độ tự cảm và độ tự cảm lẫn nhau:

Độ tự cảm L có thể được định nghĩa là tỷ số giữa liên kết từ thông với dòng điện I tạo ra từ thông tính bằng henries (H), bằng Weber trên mỗi ampe. Cuộn cảm là một thiết bị dùng để lưu trữ năng lượng trong từ trường, tương tự như cách tụ điện lưu trữ năng lượng trong điện trường. Một cuộn cảm thường bao gồm một cuộn dây, thường quấn quanh lõi ferit hoặc lõi sắt từ và giá trị độ tự cảm của nó chỉ liên quan đến cấu trúc vật lý của dây dẫn và tính thấm của vật liệu mà từ thông đi qua.

Các bước để tìm độ tự cảm như sau: 1. Giả sử rằng có dòng điện I trong dây dẫn. 2. Sử dụng định luật Biot-Savart hoặc định luật vòng Ampe (nếu có) để xác định rằng B đủ đối xứng. 3. Tính tổng thông lượng kết nối tất cả các vòng. 4. Nhân tổng từ thông với số mạch để thu được liên kết từ thông và thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông qua việc đánh giá các thông số cần thiết.

Nghiên cứu cho thấy thiết kế sử dụng NdFeB làm vật liệu rôto nam châm vĩnh cửu AC làm tăng từ thông sinh ra trong khe hở không khí, dẫn đến bán kính trong của stato giảm, trong khi bán kính trong của stato sử dụng samarium coban vĩnh cửu vật liệu rôto nam châm lớn hơn. Kết quả cho thấy tổn thất đồng hiệu quả trong NdFeB giảm 8.124%. Đối với samarium coban làm vật liệu nam châm vĩnh cửu, từ thông sẽ biến đổi theo hình sin. Nói chung, việc thiết kế và chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu phải xem xét cả cấu trúc stato và rôto để có được động cơ hiệu suất cao.

Trong kết luận

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là loại động cơ đồng bộ sử dụng vật liệu có từ tính cao để tạo từ trường. Nó có đặc điểm là hiệu suất cao, cấu trúc đơn giản và dễ điều khiển. Loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kéo, ô tô, robot và công nghệ hàng không vũ trụ. Mật độ công suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cao hơn so với động cơ cảm ứng cùng công suất định mức vì không cần dành công suất stato để tạo từ trường.

Hiện nay, việc thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không chỉ đòi hỏi nhiều công suất hơn mà còn yêu cầu khối lượng thấp hơn và mô men quán tính nhỏ hơn.