✓ Alnico - có mật độ từ dư (Br) cao và hệ số nhiệt độ thấp. Những ưu điểm này cho phép mật độ từ thông khe hở không khí khá cao và động cơ hoạt động với nhiệt độ cao [61] . Tuy nhiên lực kháng từ rất thấp và đường cong khử từ cực kỳ phi tuyến tính. Khi lực kháng từ thấp và hai cực từ trái dấu đặt ở khoảng cách gần nhau, các cực có thể làm suy yếu lẫn nhau. Do đó, nam châm Alnico được sử dụng sau khi từ hóa theo chiều dọc cho cả hai trường hợp vừa rất rễ ràng từ hóa và vừa rễ bị khử từ. Alnico thống trị ngành PM từ giữa những năm 1940 đến khoảng 1970 sau khi Ferrite trở thành vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất.
✓ Ferrite - có lực kháng từ cao hơn Alnico, nhưng đồng thời có mật độ từ dư
(Br) thấp hơn. Hệ số nhiệt độ tương đối cao (2500C). Ưu điểm chính của Ferrite là chi phí thấp và khả năng chịu điện rất cao, có nghĩa là không có tổn thất dòng xoáy trong khối lượng PM. Nam châm Ferrite tiết kiệm nhất trong các phân đoạn công suất động cơ và có thể cho thấy lợi thế kinh tế so với Alnico.
✓ Vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm - Thế hệ nam châm đất hiếm đầu tiên dựa trên thành phần SmCo5 và được phát minh vào những năm 1960 đã được sản xuất thương mại từ đầu những năm 1970. Smco5 có ưu điểm là mật độ từ dư (Br) cao, lực kháng từ cao, tích số năng lượng cao, đường cong khử từ tuyến tính và hệ số nhiệt độ thấp. Nó rất phù hợp để chế tạo động cơ có yêu cầu khối lượng nhỏ, công suất lớn và mô men quán tính thấp. NdFeB là một loại nam châm đất hiếm khác. Nó có tích số năng lượng BH cao nhất trong số tất cả các vật liệu nam châm hiện có. Nhiệt độ làm việc tối đa là 1500C. Điều này cho thấy rằng việc sử dụng NdFeB sẽ dẫn đến thiết kế động cơ kích thước nhỏ và mạnh mẽ nhất.
Các đặc tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu được thực hiện bằng đồ thị biểu diễn mối quan hệ thực tế giữa mật độ cảm ứng từ B đo bằng Tesla (T) và độ lớn
cường độ từ trường H đo bằng (A/m) của vật liệu từ. Ô nằm ở góc phần tư thứ II, phía trên bên trái, được gọi là đường cong khử từ như trong hình 1.33.
Đường cong cung cấp thông tin cụ thể về một vật liệu nhất định có thể hoạt động thực tế và cách nó chịu được trong điều kiện tải từ tính. Ở đây cần lưu ý rằng đường cong đại diện cho các thuộc tính vật liệu nam châm cụ thể không phụ thuộc vào kích thước của nam châm.
1.4.3.1. Tích năng lượng (BH) của nam châm
Mật độ năng lượng của nam châm trong một đơn vị thể tích được xác định bằng diện tích giới hạn bởi đường cong từ hóa (có đơn vị J/m3):
W = ∫ HdB =μ0 V ∫ HdH V =μ0 H 2 2 = BH 2 (1.26)
Hình 1.36. Họcác đường đẳng năng (BH)= constant trên góc phần từ thứ II [59]
Mỗi điểm trên đường cong khử từ (hình 1.36) đều cho một cặp giá trị (BH)
tương ứng. Điểm cho B = Br thì H = 0; điểm cho H = Hc thì B = 0. Có một điểm trên đường cong khử từ cho tích năng lượng cực đại (BH) = (BH)max. Khi thiết kế kích thước nam châm, ta có thể thay đổi chiều dày nam châm hm, độ phủ nam châm α để thay đổi điểm làm việc mong muốn. Trong quá trình vận hành động cơ, dưới ảnh hưởng của phản ứng phần ứng, nam châm có thể bị khử từ xuống giá trị từ trường tại điểm làm việc nhỏ hơn 0. Khi đó, nam châm bị mất từ tính hoàn toàn và phải được nạp từ lại nếu muốn tiếp tục sử dụng. Do vậy, nếu điểm cho tích
năng lượng (BH)max có Bmax quá nhỏ thì ta cần chọn điểm làm việc để B cao hơn. Khi đó, ta chấp nhận nhược điểm tích năng lượng nhỏ đi.
Họ các đường đẳng năng là tập hợp các đường cong mà các điểm trên đó cho tích (BH) bằng hằng số. Hai nam châm M1, M2 với hai đường cong khử từ tương ứng với cùng giá trị mật độ từ thông thì nam châm M2 có tích năng lượng (BH) lớn hơn nam châm M1. Trên đường cong khử từ của nam châm M2, xét hai điểm làm việc a, b thuộc cùng một đường đẳng năng. Do đó kích thước nam châm sẽ khác nhau để có thể tạo ra được hai điểm làm việc a, b tương ứng. Tuy nhiên, để thu được mật độ từ thông tại điểm làm việc cao (có lợi cho động cơ) thì ta có thể lựa chọn điểm làm việc b để thiết kế kích thước nam châm.
Hình 1.37. So sánh giá trịtích nănglượng cực đại các loại nam châm
1.4.3.2. Đường phục hồi của nam châm
Trong điều kiện vận hành, nam châm bị tác động bởi từ trường ngoài (đối với máy điện là phản ứng phần ứng) do vậy điểm làm việc của nam châm bị thay đổi (hình 1.34)
Về mặt tuyệt đối, đường cong khử từ và đường cong phục hồi của nam châm khi chịu tác động từ trường ngoài sẽ không trùng nhau. Coi phản ứng phần ứng trong máy điện là quá trình đặt vào nam châm một từ trường xoay chiều ±∆H. Khi đặt từ trường +∆H, một đường cong từ trễ bắt đầu từ A lên đến B. Sau khi loại bỏ +∆H thì điểm B trở về điểm A. Quá trình này diễn ra thuận nghịch. Khi đặt từ trường −∆H, điểm làm việc mới ở C và sẽ trở về vị trí mới là điểm F khi loại bỏ từ trường −∆H. Quá trình này diễn ra không thuận nghịch.
Do vậy, khi đặt vào từ trường xoay chiều ±∆H, điểm làm việc ổn định mới của nam châm là điểm F (hình 1.33)
Với nam châm Ferrite (nam châm được sử dụng trong luận án) có đường cong phục hồi năng lượng rất gần với đường cong khử từ nên ta có thể bỏ qua sự suy giảm từ trường tại điểm làm việc trong tính toán mạch từ tương đương.
1.4.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nam châm
Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến điểm hoạt động của nam châm là nhiệt độ. Cả mật độ từ dư Br và lực kháng từ Hc đều phụ thuộc vào nhiệt độ, với quan hệ cổ điển được gọi là hệ số nhiệt độ thuận nghịch như sau:
Br(T) = Br(20). [1 + αBr(T − 20)/100] (1.27)
Hc(T) = Hc(20). [1 + αHC(T − 20)/100] (1.28) Trong đó Br(20) và Hc(20)là giá trị của Br và Hc ở 20˚C. Ký hiệu αBr và αHc là hệ số nhiệt độ thuận nghịch của Br và Hc tương ứng.
Khi nhiệt độ thay đổi, cảm ứng từ có thể thay đổi rất mạnh. Khi nhiệt độ tăng, từ dư nam châm giảm xuống và có nguy cơ giảm về 0, khi chịu tác động của từ trường ngoài (hình 1.38).
Hình 1.38. Đặc tính khử từnam châm Ferrite theo nhiệt độ[59]
Từ những điều trên, có thể kết luận rằng hầu hết các nam châm vĩnh cửu phù hợp là những nam châm có năng lượng cao và đường cong khử từ thẳng, gần với mức cực đại lý thuyết. Do đó, điều quan trọng là phải chọn vật liệu nam châm vĩnh cửu thích hợp trong máy điện vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến mô men điện từ và công suất. Trong số các vật liệu nam châm vĩnh cửu, nam châm vĩnh cửu đất hiếm: Samarium Cobalt (SmCo) và Neodymium Iron Boron (NdFeB) được coi là những loại tốt nhất. Điều này là do các vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm có khả năng
tích trữ một lượng lớn năng lượng từ trường để hoạt động, cũng như lực kháng từ cao của chúng, cho phép ứng dụng kích thước nhỏ. Bảng 1.1 trình bày tổng quan chung về các vật liệu nam châm vĩnh cửu được lựa chọn và giải quyết các đặc điểm của chúng:
Bảng 1.1. Tính chất điển hình của vật liệu nam châm vĩnh cửu
Vật liệu nam châm Br (T) Hc (KA/m) BHmax (KJ/m3) Nhiệt độ hoạt động tối đa 0 C 𝜶𝑩𝒓%/℃ Khảnăng chống khử từ NdFeB (45/12) 1,3 1011 335 1500C -0,1 Rất tốt SmCo 18/30 0,87 2387 140 3000C -0,03 Rất tốt Alnico 0,82 51 79 5500C -0,02 Kém Ferrite cứng (gốm) 0,4 255 31 2500C -0,2 Bình thường
1.4.4. Mô hình mạch từ của nam châm vĩnh cửu
Xét mạch từ nam châm được nối ngắn mạch như hình 1.39a, được gọi là phương pháp lưu trữ từ trường (độ từ thẩm bằng ∞). Khi đó cường độ từ trường của nam châm tạo ra H = 0. Mật độ từ thông trong mạch từ ngắn mạch bằng với giá trị từ dư
B = Br của nam châm vĩnh cửu.
Hình 1.39. Trạng thái nam châm với mật độ từdư (a), lực kháng từ (b)
Xét mạch từ nam châm được hở mạch như hình 1.39b, có độ từ thẩm bằng 0. Lúc đó từ thông không ra khỏi nam châm, giá trị mật độ từ thông bề mặt nam châm B = 0, khi đó độ lớn của cường độ từ trường gây ra bởi nam châm tiệm cận bằng giá trị của lực kháng từ H = −Hc.
Giá trị của từ dẫn nằm trong khoảng (0, ∞), điểm làm việc của nam châm nằm trên góc phần tư thứ hai của đường cong từ trễ giữa giá trị từ dư Br và lực kháng từ
Hc. Độ dốc của đường đặc tính tải là đường nối giữa điểm làm việc và gốc tọa độ, xác định qua μ0 được gọi hệ số độ dốc của đặc tính tải làm việc PC. Tại điểm từ dư trên đồ thị B − H giá trị PC bằng vô cùng (∞), tại điểm lực kháng từ trên đồ thị B − H giá trị PC bằng 0, giá trị điểm giữa thì PC bằng 1 như hình 1.40
Hình 1.40. Đặc điểm đường từdư nam châm vĩnh cửu theo nhiệt độ[62]
Với các loại nam châm đất hiếm như SmCo, NdFeB đặc tính nam châm làm việc lập thành họ các đường thẳng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường khác nhau. Độ dốc của đường làm việc nam châm bằng tích của μ0 μrecvới μrec là độ từ thẩm dao động, giá trị đơn vị độ từ thẩm này nằm trong đoạn [1,0 – 1,1], đại lượng này đại diện cho việc dao động từ tính của nam châm quanh điểm làm việc. Khi ở nhiệt độ cao, đường cong khử từ có chiều giảm xuống về phía gốc tọa độ. Ví dụ thể hiện trên hình 1.40, đồng thời các giá trị Br, Hc cũng thay đổi theo chiều dịch chuyển. Với chiều hướng đó giá trị từ thông của nam châm giảm xuống gây ra giảm hiệu suất của nam châm. Tuy nhiên đây là quá trình thuận nghịch với sự biến đổi nhiệt độ không quá lớn, khi trở lại giá trị cũ, nhiệt độ giảm xuống. Ngoài việc suy giảm theo nhiệt độ của đường khử từ, giá trị của điểm uốn cũng dịch chuyển như thể hiện ở góc phần tư thứ hai của hình 1.40. Tại những vị trí điểm uốn này giá trị từ trường nam châm giảm xuống rất nhanh (-Hc) hay độ dốc đường làm việc nam châm mang tính khử từ tăng. Khi giá trị điểm làm việc giảm quá điểm uốn trên đường khử từ thì việc phục hồi trạng thái làm việc của nam châm với những điều kiện ban đầu khó xảy ra, khi đó giá trị mới của đường khử từ thấp hơn với giá trị đường khử từ ban đầu làm giảm tính năng nam châm. Vì vậy khi lựa chọn điểm tải làm việc (PC) của nam châm phải chú ý đến giá trị điểm uốn nhằm đảm bảo tính ổn định cũng như hiệu suất của nam châm khi làm việc.
Vật liệu nam châm vĩnh cửu có tính dị hướng cao. Độ từ thẩm theo hướng từ hóa sẽ nhỏ hơn so với các hướng khác. Vì vậy phải nạp từ cho nam châm đúng với
chiều sử dụng. Qua đó thấy rằng từ thông rò rỉ sẽ ít, nếu độ dài nam châm không quá lớn.
Giá trị tích năng lượng lớn nhất (BH)max là cơ sở kỹ thuật để so sánh với giá trị kinh tế khi lựa chọn nam châm. Giá trị này không phải giá trị điểm làm việc nam châm, nhưng điểm làm việc của nam châm càng gần điểm này thì hiệu suất sử dụng nam châm càng lớn. Như phân tích đường khử từ ở trên thì giá trị (BH)max phụ thuộc vào kích thước nam châm và nhiệt độ.
Khi làm việc điểm hoạt động của nam châm sẽ chuyển từ điểm làm việc không tải đến điểm làm việc dưới tải. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu, điểm hoạt động này nằm ở góc phần tư thứ hai với giá trị PC ≥ 4. Khi các cuộn dây động cơ được cấp điện, các vòng từ trễ nhỏ xung quanh điểm làm việc như hình 1.41.
Các vòng từ trễ này nhỏ và có độ dốc gần với độ dốc đường khử từ được tính toán theo công thức:
Bm = Br+μrμ0Hm (1.29)
Từ phương trình 1.29 giả thiết rằng điểm làm việc nam châm nằm trong vùng tuyến tính đường khử từ. Giá trị từ trường không quá giá trị từ dư Br vì hoạt động theo chiều của sự từ hóa vật liệu. Tuy nhiên, nếu từ trường ngoài ngược hướng với chiều từ hóa, điểm hoạt động của nam châm nằm ở góc phần tư thứ ba, khi đó đường đặc tính từ trễ sẽ bị thay đổi tương tự với sự thay đổi ở điểm uốn.
Hình 1.41. Sựdao động quanh điểm làm việc nam châm vĩnh cửu [62]
Mô hình hóa mạch từ của nam châm vĩnh cửu có dạng như hình 1.42a. Từ thông dịch chuyển qua nam châm theo biểu thức 1.30.
Φm= BmAm = BrAm+ μrμ0AmHm (1.30) Với 𝐴𝑚 : Tiết diện cắt ngang có pháp tuyến trùng với chiều từ hóa.
Φm = Φr + PmFm (1.31)
Với nguồn từ thông cố định:Φr = BrPm (1.32)
Và từ dẫn nam châm:Pm =μrμ0Am
Lm (1.33)
Công thức 1.33 được gọi là từ rò nam châm hay từ dẫn nam châm. Khi xác định được thông số mô hình hóa nam châm vĩnh cửu, thì mạch từ tương đương gồm nguồn từ thông cố định và từ dẫn nội tại của nam châm vĩnh cửu như hình 1.42b.
Hình 1.42. Nam châm vĩnh cửu dạng khối (a) và mô hình mạch từ thay thế (b)
Với động cơ nam châm vĩnh cửu không chổi than nói chung thì hình học của nam châm rất đa dạng như hình 1.43, với động cơ BLDC rotor ngoài được nghiên cứu trong luận án thì nam châm có hình dạng như hình 1.44.