Nam châm vĩnh cửu có thể tạo ra từthông trong một khe hởkhông khí màkhông bị tiêu tán công suất điện. Đặc tính hoạt động cơ bản của nam châm vĩnh cửu được đưa ra bằng đường cong khử từ trong góc phần tư thứ hai của mặt phẳng 𝐵 − 𝐻 như trong hình 1.33. Khi một nam châm vĩnh cửu đã được từ hóa, nó vẫn bị nhiễm từ ngay cảkhi cường độ từ trường đặt vào giảm xuống bằng không.
Hình 1.33. Đặc tính khử từnam châm [59]
Mật độ từtrường tại điểm này được gọi là mật độ từdư 𝐵𝑟. Nếu đặt cường độ từ trường ngược thì mật độ từ thông giảm. Nếu từ trường ngược đủ lớn, mật độ từ thông bằng không. Cường độ từ trường tại giá trị này được gọi là lực kháng từ 𝐻𝑐. Điểm hoạt động của nam châm vĩnh cửu là giao điểm giữa đường cong 𝐵 − 𝐻 ở
mạch từ ngoài (đường tải) với đường cong khử từ nam châm vĩnh cửu. Điểm hoạt động di chuyển dọc theo đường cong khử từ với những thay đổi của từ trường bên ngoài (hình 1.34)
Hình 1.34. Ảnh hường từtrường ngoài lên điểm làm việc nam châm[59]
Giá trị tuyệt đối của tích số mật độ từ thông 𝐵 với cường độ trường 𝐻 tại mỗi điểm dọc theo đường cong khử từ có thểđược biểu diễn bằng tích năng lượng [60] và đại lượng này là một trong những chỉ số vềcường độ của nam châm vĩnh cửu.
Nam châm vĩnh cửu thế hệ mới cho năng lượng cao, đường cong khử từở nhiệt độmôi trường là tuyến tính. Nó chỉ cho thấy một điểm uốn cong đáng chú ý ở nhiệt độ cao hơn. Kết quảlà điểm hoạt động nam châm vĩnh cửu đất hiếm thế hệ mới có thể dễdàng được thiết kế nằm trong vùng tuyến tính của đường cong khử từ. Đây là một trong những ưu điểm chính của nam châm vĩnh cửu thế hệ mới năng lượng cao hơn nam châm vĩnh cửu thông thường trong các thiết kếcho các ứng dụng kỹ thuật.
Tác dụng của từtrường phần ứng lên nam châm vĩnh cửu là từhóa hoặc khử từ. Vì đường cong khử từ của một sốnam châm vĩnh cửu có điểm uốn, nên có giới hạn đối với từtrường phần ứng tối đa cho phép. Việc lựa chọn vật liệu từtính thích hợp là rất quan trọng đối với kinh tếcũng như cân nhắc về hiệu suất động cơ. Vềcơ bản có ba loại nam châm vĩnh cửu khác nhau được sử dụng trong động cơ PM:
✓ Alnico
✓ Gốm (Ferrite)
✓ Vật liệu đất hiếm, tức là Sm-Co và NdFeB.
Hình 1.35. Đặc tính vật liệu nam châm.
✓ Alnico - có mật độ từdư (𝐵𝑟) cao và và hệ số nhiệt độ thấp. Những ưu điểm này cho phép mật độ từthông 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 từtrái 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 rễràng từ hóa và vừa rễ bị khử từ. Alnico thống trị ngành PM từ giữa những năm 1940 đến khoảng 1970 sau khi Ferrite trởthành vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất.
✓ Ferrite - có lực kháng từ cao hơn Alnico, nhưng đồng thời có mật độ từdư
(𝐵𝑟) thấp hơn. Hệ số nhiệt độtương đối cao (2500C). Ưu điểm chính của Ferrite là
chi phí thấp và khảnăng 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 sốnăng 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 cảcác 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 kếđộng cơ kích thước nhỏvà 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 từnhư trong hình 1.33.
Đường cong cung cấp thông tin cụ thể về một vật liệu nhất định có thể hoạt động thực tếvà cách nó chịu được trong điều kiện tải từtính. Ởđây 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 từhóa (có đơn vị J/m3):
𝑊 = ∫ 𝐻𝑑𝐵 = 𝜇0∫ 𝐻𝑑𝐻 = 𝜇0𝐻 2 2 =
𝐵𝐻
2 (1.26)
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 nhỏđi.
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 từthông thì nam châm M2 có tích nănglượng (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 kếkích 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 từvà 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 từtrường xoay chiều ±∆𝐻. Khi đặt từ
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 từtrường −∆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 từtrường tại điểm làm việc trong tính toán mạch từtương 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 cổđiển 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 ở20˚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 từtrường ngoài(hình 1.38)
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 này có khả năng tích trữ một lượng lớn năng lượng từtrường 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 từnam 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 từthông trong mạch từ ngắn mạch bằng với giá trị từdư
𝐵 = 𝐵𝑟 của nam châm vĩnh cửu.
Xét mạch từnam châm được hở mạch như hình 1.39b, có độ từ thẩm bằng 0. Lúc đó từthông không ra khỏi nam châm, giá trị mật độ từthông bề mặt nam châm 𝐵 = 0, khi đó độ lớn của cường độ từtrường 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 từdư 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 từdư trên đồ thị 𝐵 − 𝐻 giá trị PC bằng vô cùng (∞), tại điểm lực kháng từtrên đồ thị 𝐵 − 𝐻 giá trị PC bằng 0, giá trịđiểm 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 họcác đường thẳng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độmôi trường khác nhau. Độ dốc của đường làm việc nam châm bằng tích của 𝜇0 𝜇𝑟𝑒𝑐 với 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 từcó chiều giảm xuống vềphía 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 từthông 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 trịcũ, 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 trịđiểm 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 dịhướng cao. Độ từ thẩm theo hướng từhóa 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 trịtích năng lượng lớn nhất (BH)𝑚𝑎𝑥 là cơ sở kỹ thuật đểso 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 nhỏxung 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 từdư 𝐵𝑟 vì hoạt động theo chiều của sự từhóa 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 bịthay đổi tương tự với sựthay đổi ởđiểm 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.
Với 𝐴𝑚 : Tiết diện cắt ngang có pháp tuyến trùng với chiều từhóa. Sử dụng công thức (1.4), (1.5), (1.6) có được: Φm = Φr + PmFm (1.31) Với nguồn từthông cốđịnh: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