42
Tính chất của vật liệu nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet - PM)
Vật liệu nam châm vĩnh cửu là một phần quan trọng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nó cung cấp cho động cơ khả năng kích từ lâu dài. Sự phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu đã có từ nhiều thế kỷ trƣớc.
Nam châm đất hiếm là tên gọi của các loại nam châm vĩnh cửu đƣợc làm từ các hợp chất hoặc hợp kim của các nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp. Hiện nay, có bốn loại vật liệu nam châm vĩnh cửu chính đƣợc sử dụng rộng rãi cho động cơ nam châm vĩnh cửu:
• Ferrite: Nam châm ferrite đƣợc phát minh vào những năm 1930. Nó đã đƣợc sử
dụng rộng rãi nhƣ nam châm thƣơng mại trong vài thập kỷ qua vì nguồn nguyên liệu dồi dào và chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, nó có những hạn chế nhƣ hệ số nhiệt độ cao và mật độ năng lƣợng thấp, dẫn đến nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và kích thƣớc cồng kềnh để ứng dụng cho động cơ nam châm vĩnh cửu.
• Alnico: Đây là tên của hợp kim nhôm-niken-coban (Al-Ni-Co) làm từ sắt, đƣợc
phát minh vào những năm 1940. Đây là vật liệu nam châm vĩnh cửu hiện đại đầu tiên cung cấp độ từ dƣ cao. Do nhiệt độ Curie cao, nó có thể đƣợc sử dụng ở nhiệt độ hoạt động cao. Thật khơng may, lực kháng từ của nó rất thấp nên rất dễ bị khử từ, điều này hạn chế ứng dụng tƣơng ứng với động nam châm vĩnh cửu.
• Samarium-coban (Sm-Co): Đƣợc phát minh vào những năm 1960, vật liệu nam
châm vĩnh cửu đất hiếm này có các ƣu điểm nhƣ độ từ dƣ cao, lực kháng từ cao, mật độ năng lƣợng cao, nhiệt độ Curie cao và hệ số nhiệt độ thấp. Nó rất phù hợp để ứng dụng cho các động cơ nam châm vĩnh cửu, những động cơ mong muốn mật độ năng lƣợng cao, hiệu suất cao và độ ổn định cao. Tuy nhiên, chi phí của nó là nhƣợc điểm chính. Đặc biệt, ngun tố đất hiếm, samarium rất đắt.
• Neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B): Đƣợc sản xuất lần đầu tiên vào năm 1984,
vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm này có đặc tính từ tính tốt hơn samarium-coban. Vì neodymium là một nguyên tố đất hiếm tƣơng đối rẻ hơn, chi phí tƣơng ứng trở nên hợp lý để ứng dụng cho các động cơ nam châm vĩnh cửu. Nhiệt độ Curie tƣơng đối thấp (345o
C) là mối quan tâm lớn, điều này hạn chế việc sử dụng nó cho các ứng dụng nhiệt độ cao.
43 Hiện tại, vật liệu nam châm vĩnh cửu này hầu nhƣ chỉ đƣợc sử dụng cho các truyền động động cơ xe điện.
Giá của những loại “đất hiếm” này rất biến động. Mặc dù có tên nhƣ vậy, nhƣng trên thực tế, chúng không nhất thiết phải hiếm nhƣ vậy, mà hầu nhƣ chỉ đƣợc tìm thấy ở Trung Quốc, vì vậy quốc gia này gần nhƣ độc quyền về sản xuất, bán và phân phối. Điều này giải thích tại sao các nhà sản xuất đã nỗ lực tìm kiếm các giải pháp thay thế cho động cơ xe điện [1].
3.2.3.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Các cuộn dây của stator đƣợc cung cấp bởi nguồn điện 3 pha AC, điều này sẽ tạo ra một từ trƣờng quay (RMF). Một dây dẫn mang dòng điện tạo ra một từ trƣờng xung quanh nó. Với sự sắp xếp đặc biệt của dây quấn 3 pha, từ trƣờng đƣợc tạo ra bởi dòng điện 3 pha tại 1 thời điểm tức thời riêng biệt.
Do sự thay đổi của dòng điện AC, từ trƣờng cũng thay đổi theo, mỗi từ trƣờng có một hƣớng khác nhau ở một thời điểm, nhƣng mà độ lớn là giống nhau. Từ 3 thời điểm thì rõ ràng nó giống nhƣ một từ trƣờng đang quay đều, tốc độ quay của từ trƣờng đƣợc gọi là tốc độ đồng bộ.
Đặt một nam châm bên trong từ trƣờng quay nhƣ vậy nam châm sẽ bắt đầu quay dƣới tác dụng của lực từ. Có thể thấy rằng các cực khác cực tính của từ trƣờng quay và rotor sẽ bị hút lẫn nhau và chúng sẽ bị khóa bằng từ tính. Điều này có nghĩa là rotor sẽ quay cùng tốc độ với tốc độ của từ trƣờng quay, hay rotor quay với tốc độ đồng bộ [4].
3.2.3.4 Biến tần động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Tƣơng tự nhƣ biến tần động cơ cảm ứng.
3.2.3.5 Đặc tính của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hầu hết các bộ truyền động cho ô tô điện, xe lửa, xe buýt và xe địa hình đƣợc thiết kế để cung cấp mơ-men xoắn truyền động khơng đổi đến tốc độ cơ bản và sau đó cung cấp mơ-men xoắn tỷ lệ nghịch với tốc độ lên đến tốc độ tối đa nhƣ trong hình 3.34. Phạm vi hoạt động liên tục của công suất này đƣợc xác định bởi giới hạn của hệ thống cung cấp năng lƣợng và đặc tính của động cơ.
44
Hình 3.34: Đặc tính tốc độ - mô-men - công suất của động cơ PMSM [9]
Đối với truyền động động cơ xoay chiều tốc độ thay đổi đƣợc cấp từ nguồn điện áp và biến tần đƣợc điều khiển PWM, vùng mô-men không đổi bắt đầu từ 0 đến tốc độ cơ bản ωb nhƣ thể hiện trong hình 3.34. Giới hạn điện áp danh định đạt đƣợc ở tốc độ cơ bản. Trong vùng tiếp theo, điện áp động cơ phải đƣợc duy trì ở điện áp danh định này, do đó khả năng mơ-men xoắn cực đại của bộ truyền động này giảm. Vì suất phản điện động tỷ lệ thuận với tốc độ, cần phải giảm từ thông nếu muốn suất phản điện động đƣợc duy trì khơng đổi [9].
3.2.3.6 Ƣu và nhƣợc điểm
Ƣu điểm:
- Cấu tạo nhỏ gọn.
- Hiệu suất cao ở mọi dải tốc độ nhỉnh hơn so với động cơ cảm ứng (92-97%).
- Mô-men xoắn cao ngay cả khi ở tốc độ thấp: thuận lợi cho việc di chuyển trong thành phố, đó là điểm mà động cơ IM kém hơn động cơ PMSM.
- Khơng cần bảo dƣỡng thƣờng xun, có thể hoạt động thƣờng xuyên, liên tục trong suốt 1 thời gian dài mà không hề làm giảm công suất.
- Hoạt động êm ái. Nhƣợc điểm:
45 - Vì nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao đƣợc chế tạo các nguyên tố đất hiếm nên giá thành cao hơn nhiều so với động cảm ứng.
3.2.4 Truyền động động cơ một chiều không chổi than sử dụng nam châm vĩnh cửu (PM BLDC)
Động cơ PM BLDC là động cơ đồng bộ, điều này có nghĩa là tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trƣờng. Động cơ BLDC đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp tự động, ô tô, máy in, tiêu dùng, y tế và thiết bị đo đạc.
Động cơ điện một chiều với hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mịn và yêu cầu bảo trì, bảo dƣỡng thƣờng xuyên. Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dƣỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn nhƣ biến tần sử dụng transitor cơng suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Do khơng có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động cơ một chiều có cổ góp thơng thƣờng[4].
3.2.4.1 Tổng quan về truyền động động cơ không chổi than
Hình 3.35: Mơ hình hệ thống của truyền động trên động cơ PM BLDC [4]
Mơ hình hệ thống của truyền động động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu cho động cơ xe điện tƣơng tự nhƣ mơ hình của truyền động động cơ cảm ứng. Về cơ bản, mơ hình hệ thống một động cơ bao gồm một động cơ không chổi than nam
46 châm vĩnh cửu, một biến tần cấp điện áp, một bộ điều khiển điện tử và một số cảm biến nhƣ trong hình 3.35.
Động cơ điện một chiều khơng chổi than nam châm vĩnh cửu hoạt động giống nhƣ động cơ một chiều nhƣng khơng có chổi than. Việc điều khiển tốc độ tƣơng đối đơn giản. Cảm biến vị trí là bắt buộc để đảm bảo sự đồng bộ của dịng điện với từ thơng, vì vậy ngƣời ta thƣờng sử dụng một cảm biến vị trí Hall có chi phí thấp.
3.2.4.2 Cấu tạo động cơ PM BLDC
Hình 3.36: Cấu tạo động cơ một chiều khơng chổi than [4]
Cấu trúc cơ bản của động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu đƣợc mơ tả trong hình 3.36. Nó chủ yếu bao gồm một stator kết hợp với cuộn dây phần ứng ba pha và một rotor kết hợp với các cực nam châm vĩnh cửu. So với động cơ cảm ứng, nó tƣơng đối đơn giản hơn vì khơng có lồng sóc và vịng ngắn mạch. Ngồi ra, vì tổn thất nhiệt liên quan trong rotor không đáng kể, nên thƣờng không yêu cầu lắp cánh quạt trên rotor hoặc trục để làm mát bằng khơng khí cƣỡng bức.
Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu sử dụng chuyển mạch điện tử để thay thế chuyển mạch cơ học. Do đó, ƣu điểm rõ ràng nhất của động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu là loại bỏ cổ góp và chổi than, giúp loại bỏ nhiều vấn đề liên quan đến chúng. Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu thƣờng sử dụng cuộn dây tập trung thay vì cuộn dây phân tán. Việc sử dụng cuộn dây tập trung đã giúp tiết kiệm vật liệu đồng và tổn thất đồng liên quan [4].
47 Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt nhƣ đƣợc mơ tả trong hình 3.37, có những ƣu điểm nhất định về tính đơn giản trong cả cấu trúc và điều khiển. Tuy nhiên, cũng có thể sử dụng các loại rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn khác nhƣ cấu trúc liên kết xuyên tâm và chu vi bên trong.
Hình 3.37: Mặt cắt ngang của động cơ BLDC có nam châm gắn trên bề mặt rotor [4]
Cảm biến Hall
Vì khơng có chổi than trong động cơ PM BLDC nên việc chuyển mạch đƣợc điều khiển bằng điện tử. Để quay động cơ, các cuộn dây của stator phải đƣợc cấp điện theo thứ tự và phải biết vị trí của rotor (tức là cực Bắc và cực Nam của rotor) để cấp điện chính xác cho một bộ cuộn dây stator cụ thể.
Cảm biến vị trí, thƣờng là cảm biến Hall (hoạt động trên nguyên tắc hiệu ứng Hall) thƣờng đƣợc sử dụng để phát hiện vị trí của rotor và biến đổi nó thành tín hiệu điện. Hầu hết các động cơ BLDC sử dụng ba cảm biến Hall đƣợc gắn vào stator để cảm nhận vị trí của rotor.
Đầu ra của cảm biến Hall sẽ là CAO (High) hoặc THẤP (Low) tùy thuộc vào việc cực Bắc hay cực Nam của rotor đi qua gần nó. Bằng cách kết hợp các kết quả từ ba cảm biến, có thể xác định chính xác trình tự cung cấp năng lƣợng [10].
3.2.4.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
Ba cuộn dây sắp xếp trong stator đƣợc ký hiệu A, B và C. Để dễ hình dung ta thay thế rotor bằng một nam châm duy nhất minh họa trong hình 3.38.
48
Hình 3.38: Cấu tạo đơn giản của động cơ DC khơng chổi than nam châm vĩnh cửu [10]
Khi cho dịng điện chạy qua cuộn dây, một từ trƣờng đƣợc tạo ra và hƣớng của các đƣờng sức từ (các cực của nam châm đƣợc tạo ra) sẽ phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện chạy qua cuộn dây.
Nếu chúng ta cung cấp dòng điện cho cuộn dây A để nó tạo ra từ trƣờng và hút nam châm rotor. Vị trí của nam châm rotor sẽ dịch chuyển nhẹ theo chiều kim đồng hồ và sẽ thẳng hàng với A. Tiếp theo dòng điện lần lƣợt qua các cuộn B và C (theo thứ tự đó), thì nam châm rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ.
Hình 3.39: Sơ đồ đơn giản hóa nguyên lý hoạt động của động cơ PM BLDC [10]
Để tăng hiệu suất, chúng ta có thể quấn các cuộn dây đối diện bằng cách sử dụng một cuộn dây đơn để chúng ta có đƣợc lực hút kép. Để tăng hiệu suất hơn nữa có thể cấp điện cho hai cuộn dây đồng thời để một cuộn dây hút nam châm và cuộn dây kia sẽ đẩy nam châm. Trong thời gian này, cuộn thứ 3 sẽ không hoạt động.
49 Để nam châm rotor quay hồn tồn 3600
, có thể áp dụng kết hợp 6 pha của các cuộn dây A, B và C và đƣợc thể hiện trong hình 3.40 sau đây.
Hình 3.40: Sơ đồ hoạt động của các pha và cảm biến Hall của động cơ BLDC [10]
Để biết thời điểm chính xác để chuyển đổi dịng điện là nhờ cảm biến vị trí. Nhiều nhà sản xuất động cơ BLDC cung cấp động cơ có 3 cảm biến vị trí Hall. Mỗi cảm biến xuất ra mức cao 180 độ cho một cuộn dây và mức thấp 180 độ cho cuộn dây khác. Mỗi cảm biến hoạt động cách nhau 60 độ để mỗi đầu ra cảm biến phù hợp với một trong các mạch điện từ. Biểu đồ thời gian thể hiện mối quan hệ giữa các đầu ra cảm biến và điện áp truyền động động cơ đƣợc thể hiện trong hình 3.40[10].
3.2.4.4 Đặc tính của động cơ PM BLDC
Mô-men xoắn và hiệu suất so với cƣờng độ dòng điện phần ứng đƣợc thể hiện trên hình 3.41. Khi biên độ dịng điện phần ứng bằng giá trị định mức là 18,2 A thì mơ-men tạo thành có thể đạt giá trị mong muốn là 200 Nm. Trong khi đó, động cơ có thể duy trì hiệu suất cao, hầu hết là trên 90%, để hoạt động bình thƣờng. Hiệu suất tổng thể của truyền động động cơ PM BLDC này tƣơng tự nhƣ của truyền động động cơ đồng bộ PM.
50
Hình 3.41: Đặc tính hiệu suất - mơ-men xoắn so với cường độ dịng điện của động cơ
PM BLDC [4]
Đặc tính tốc độ - mô-men xoắn của truyền động động cơ PM BLDC đƣợc thiết kế, bao gồm cả hoạt động mô-men xoắn không đổi và hoạt động công suất không đổi, đƣợc thể hiện trên Hình 3.42. Động cơ PM BLDC có thể cung cấp hoạt động mô-men xoắn không đổi với mô-men xoắn định mức 200 Nm từ 0 đến 300 vòng/phút và hoạt động công suất không đổi với công suất định mức 6,3 kW từ 300 đến 900 vịng/phút. Trong khi đó, bằng cách sử dụng điều khiển góc theo pha, bộ truyền động động cơ PM BLDC có thể mở rộng đáng kể phạm vi tốc độ để vận hành công suất liên tục, điều này rất thuận lợi cho ứng dụng trên EV [4].
51
3.2.4.5 Ƣu và nhƣợc điểm
Ƣu điểm:
- Vì từ trƣờng đƣợc kích từ bởi nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao, trọng lƣợng và khối lƣợng tổng thể có thể giảm đáng kể đối với công suất đầu ra nhất định, dẫn đến mật độ công suất cao hơn.
- Do khơng có cuộn dây đồng trong rotor nên mang lại hiệu suất cao hơn.
- Vì nhiệt chủ yếu phát sinh trong stator nên có thể đƣợc tản ra xung quanh hiệu quả hơn, dẫn đến việc làm mát dễ dàng hơn.
- Vì kích từ nam châm vĩnh cửu khơng có rủi ro về lỗi sản xuất, quá nhiệt hoặc hƣ hỏng cơ học, có độ tin cậy cao hơn.
- Do khơng có cuộn dây đồng trong rotor nên nó đáp ứng động lực học tốt hơn. Nhƣợc điểm:
- Vì nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao đƣợc chế tạo các nguyên tố đất hiếm, nên giá thành cao hơn nhiều so với động cảm ứng.
- Vì các nam châm vĩnh cửu nằm trong rotor, đặc biệt là loại nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt, có vấn đề đối với hoạt động tốc độ cao.
- Do từ thông của nam châm vĩnh cửu vốn có khơng thể kiểm sốt, phạm vi hoạt động công suất liên tục bị hạn chế.
- Trong trƣờng hợp động cơ đƣợc thiết kế hoặc vận hành không đúng cách, các nam châm vĩnh cửu có thể vơ tình bị khử từ.
3.2.5 Truyền động động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM)
Bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi đƣợc phát triển vào những năm 1980 với