✓Alnico - có mật độ từdư (𝐵𝑟)cao và và hệ số nhiệt độthấp. 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 ấ r t thấp và đường cong kh t cử ừ ực kỳ phi tuyến tính. Khi lực kháng từthấp 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 từhóa theo chiều dọc cho cảhai trường h p vợ ừa rấ ễt r ràng từhóa và vừa rễ ị b khử t . Alnico th ng trừ ố ịngành PM từ giữa những năm 1940 đến khoảng 1970 sau khi Ferrit tre ở thành vật liệu được sử ụ d ng 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 khả năng chịu điện rất cao, có nghĩa là không có tổn thất dòng xoáy
trong khối lượng PM. Nam châm Ferrite ti t ki m nhế ệ ất trong các phân đoạn công
suất động cơ và có thể cho thấy lợi th kinh tế ếso với Alnico.
✓Vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm - Thế ệ h nam châm đất hiếm đầu
tiên dựa trên thành phần SmCo5 và được phát minh vào những năm 1960 đã được sản xuất thương mạ ừi t đầu những năm 1970. Smco5 có ưu điểm là mật độ ừ t dư
(𝐵𝑟) cao, lực kháng từ cao, tích số năng lượng cao, đường cong kh tử ừ tuyến tính và
hệ số nhiệt độ thấp. Nó rất phù hợp để chế tạo động cơ có yêu cầu khối lượng nh , ỏ công suất lớn và mômen 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 việ ối đa là 150c t 0C. Điều này cho thấy rằng việc sử dụng NdFeB sẽ dẫn đến thi t k ế ế động 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 thự ếc t giữa mật độ cảm ứng từ𝐵đo bằng Tesla (T) và độ lớn
cường độ từtrường 𝐻đo bằng (A/m) của vật liệu từ. Ô nằm ởgóc 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 ki n t i tệ ả ừtính. 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 t ừ hóa (có đơn vị J/m3):
𝑊 = ∫ 𝐻𝑑𝐵 = 𝜇 ∫ 𝐻𝑑𝐻 = 𝜇0 0𝐻2
2 =𝐵𝐻2 (1.26)
Mỗi điểm trên đường cong khử từ (hình 1.36) đều cho một cặp giá trị( )𝐵𝐻 tương ứng. Điểm cho 𝐵 = 𝐵𝑟thì𝐻 = 0; điểm cho H = Hcthì 𝐵 = 0. Có một
điểm trên đường cong khử từcho tích năng lượng cực đại (𝐵𝐻) = (𝐵𝐻)𝑚𝑎𝑥. Khi thiết kếkích thước nam châm, ta có thểthay đổi chiề dày nam châm u ℎ𝑚, độ ph ủ nam châm 𝛼 đểthay đổi điểm làm việc mong muốn. Trong quá trình vận hành động
cơ, dướ ảnh hưởi ng của phản ứng phần ứng, nam châ có thểm bị khử từ xuống giá
trị từtrường tại điểm làm việc nhỏhơn . Khi đó, nam châm bị0 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)maxcó Bmaxquá nhỏ thì ta cần chọn điểm làm việc để Bcao hơn. Khi đó, ta chấp nhận nhược điểm tích năng lượng nhỏđi.
Họcác đường đẳng năng là tập hợp các đường cong mà các điểm trên đó cho
tích ( )𝐵𝐻 bằng hằng số. Hai nam châm M , M v1 2 ới hai đường cong khử ừ t tương ứng với cùng giá trị ật độ m từthông thì nam châm M2có 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 sẽkhác nhau đểcó thể tạo ra được hai điểm làm việc 𝑎, 𝑏tương ứng. Tuy nhiên, để thu
được mật độ ừ t thông tại điểm làm việc cao (có lợi cho động cơ) thì ta có thể lựa chọn điểm làm việc 𝑏đểthiết kếkích thước nam châm.
Hình 1.37. So sánh giá trị tích 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 từtrường 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 m t tuyặ ệt đối, đường cong kh tử ừvà đường cong ph c h i cụ ồ ủa nam châm khi
chịu tác động từtrường 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 trường +∆𝐻, một đường cong từ trễ bắt đầ ừu t 𝐴lên đến . Sau khi lo𝐵 ại bỏ+∆𝐻
thì điểm 𝐵 trở vềđiểm 𝐴. Quá trình này diễn ra thuận nghịch. Khi đặt từtrường −∆𝐻, điểm làm việc mới ởC và sẽ trở về vịtrí mới là điểm F khi loại bỏ từtrường −∆𝐻. Quá trình này diễn ra không thuận nghịch.
Do vậy, khi đặt vào từtrường xoay chi u ề ±∆𝐻, điểm làm việc ổn định m i cớ ủa
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 r t g n vấ ầ ới đường cong kh tử ừnên ta có thể ỏ b qua s suy ự
giảm từtrường tại đi m làm việc trong tính toán mạể ch từ tương đương.
1.4.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nam châm
Một y u t quan trế ố ọng khác ảnh hưởng đến điểm hoạt động của nam châm là
nhiệt độ. Cả mật độ từdư𝐵𝑟và lực kháng từ𝐻𝑐đều phụ thuộc vào nhiệt độ, với quan h cệ ổđiể đượn c gọi là hệ ố s 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 𝐵𝑟và 𝐻𝑐 ở 20˚C. Ký hiệu 𝛼𝐵𝑟và 𝛼𝐻𝑐là hệ
số nhiệt độthuận nghịch của 𝐵𝑟và 𝐻𝑐tương ứng.
Khi nhiệt độthay đổi, cảm ứng từcó thểthay đổ ấi r t m nh. Khi nhiạ ệt độtăng,
từdư 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 ế k t lu n r ng h u hậ ằ ầ ết các nam châm vĩnh cửu phù hợp
là nhữ g nam châm có năng lượng cao và đườn ng 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 từvà công
suất. Trong sốcác vật li u ệ nam châm vĩnh cửu, nam châm vĩnh cửu đất hi m: ế Samarium Cobalt (SmCo) và Neodymium Iron Boron (NdFeB) được coi là những loại t t nhố ất. Điều này là do các vật liệu này có khảnăng 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 vềcác vật li u nam ệ 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 hoạ ột đ ng tối đa 0 C 𝜶𝑩𝒓%/℃ chKhốảng khnăng ử từ NdFeB (45/12) 1,3 1011 335 150 0C -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 c ng ứ (gốm) 0,4 255 31 250 0C -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 từtrường (độ từ thẩm bằng ∞). Khi đó cường độ từtrường 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 từ thông không ra khỏi nam châm, giá trị ật độ m từthông bề mặt namchâm 𝐵 = 0, khi đó độ lớn của cường độ từtrường gây ra bởi nam châm tiệm cận bằng giá trị
của lực kháng từ𝐻 = −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 ố d c của đường đặc tính tải là đường n i giố ữa điểm làm việc và gố ọa độc t ,
xác định qua 𝜇0được gọi hệ sốđộ dốc của đặc tính tải làm việc PC. Tại điểm từdư trên đồ thị𝐵 − 𝐻giá trị PC bằng vô cùng (∞), tại điểm lực kháng từ trên đồ thị𝐵 − 𝐻giá 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 𝜇 𝑟𝑒𝑐v i ớ 𝜇𝑟𝑒𝑐là độ t ừ
thẩm dao động, giá trị đơn vịđộ từthẩm này nằm trong đoạn [1,0 – 1,1], đại lượng
này đại diện cho việc dao động từtính của nam châm quanh điểm làm việc. Khi ở
nhiệt độ cao, đường cong khử từcó chiều giảm xuống vềphía gố ọa độc t . Ví dụ thể
hiện trên hình 1.40, đồng thời các giá trị 𝐵𝑟, 𝐻𝑐cũng thay đổi theo chiều dịch chuyển. V i chiớ ều hướng đó giá trị ừ t thông của nam châm giảm xuống gây ra giảm hiệu su t cấ ủa nam châm. Tuy nhiên đây là quá trình thuận nghịch với s biự ến đổi nhiệt độ không quá lớn, khi trở lại giá trị cũ, nhiệt độ giảm xuống. Ngoài việc suy giảm theo nhiệt độ ủa đườ c ng kh tử ừ, giá trị ủa điể c m uốn cũng dịch chuyển như
thể hi n ệ ởgóc phần tư thứ hai của hình 1.40. T i nh ng vạ ữ ịtrí điểm uốn này giá trị
từtrường nam châm giảm xuống rất nhanh (-Hc) hay độ ốc đường làm việ d c nam
châm mang tính khử từtăng. Khi giá trị điểm làm việc giảm quá điểm uốn trên đường khử từthì việc ph c hụ ồi 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 ới giá trị v
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 ừ t thẩm theo hướng từhóa
sẽ nhỏhơn so với các hướng khác. Vì vậy ph i n p tả ạ ừcho nam châm đúng với chiều s dử ụng. Qua đó thấy r ng tằ ừthông rò rỉ ẽ s ít, nếu độdài nam châm không quá lớn.
Giá trị tích năng lượng lớn nhất (BH)𝑚𝑎𝑥là cơ sở kỹ thuật để so sánh với giá trị
kinh t khi l a chế ự ọn nam châm. Giá trịnày không phải giá trịđiểm 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 từởtrên thì giá trị( )BH𝑚𝑎𝑥 phụ
thuộc vào kích thước nam châm và nhiệt độ.
Khi làm việc điểm hoạt động của nam châm sẽ chuyển từđiểm làm việc không
tải đến điểm làm việc dướ ải. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu, điểi t m hoạt động
này nằm ởgóc phần tư thứ hai với giá trịPC ≥ 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 trễnày nhỏ và có độ dốc gần với độ ốc đườ d ng khử từđược tính toán theo công thức:
Bm= Br+μrμ0 mH (1.29)
Từphương trình 1.29 giảthiết rằng điểm làm việc nam châm ằnm trong vùng
tuyến tính đường khử từ. Giá trị từtrường không quá giá trị từdư 𝐵𝑟vì hoạt động theo chi u c a s tề ủ ự ừhóa vật liệu. Tuy nhiên, nế ừu t trường ngoài ngược hướng với chiều từhóa, điểm hoạt động của nam châm nằm ởgóc phần tư thứba, 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 cử có dạng như hình u 1.42a. Từ thông
dịch chuyển qua nam châm theo biểu thức 1.30.
Với 𝐴𝑚 : Ti t diế ện cắt ngang có pháp tuyến trùng với chiều t ừ hóa. Sử dụng công thức (1.4), (1.5), (1.6) có được: Φm= Φ + Pr mFm (1.31) Với nguồn t ừ thông cốđịnh:Φr= B Pr m (1.32) Và từ dẫn nam châm:Pm=μrμ0Am Lm (1.33)
Công thức 1.33 được gọi là từ rònam châm hay từ ẫn nam châm. d Khi xác định được thông số mô hình hóa nam châm vĩnh cử thì mạu, ch từtương đương gồm nguồn từthông cố định và từ ẫ d n nội t i cạ ủa 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 có hình dạng như hình 1.44.
Hình 1.44. Hình dạngnam châm vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ BLDC Khi cần xác định các thông số ề v độdài nam châm ta th c hi n ự ệ vi phân đường Khi cần xác định các thông số ề v độdài nam châm ta th c hi n ự ệ vi phân đường
kính nam châm, lúc đó mô hình nguồn từnam châm vĩnh cửu là tập hợp các nguồn giống nhưhình 1.42b. Dođó sẽ dẫn tới sự sai khác từ thông phân bố theo chiều dài
của đố ượng, giá trịi t từ trường làm việc tỷ l nghệ ịch với chiều tăngbán kính vì với một từthông không đổi trong khi diện tích tăng lên.
Giá trị từ dẫn nam châm tính toán được là: Pm= μrμ0hmθp
ln( 1 + hm
ri) (1.34)
Giá trị nguồn từthông được tính toán là:
Φr= Brhm pθri (1.35)
Với 𝑟𝑖: Bán kính cong của nam châm, hmchiều dày của nam châm.
Khi chiều dà nam châm nhỏ hơn bán kính cong nam châm nhiềy u lần ℎ𝑚≪ 𝑟𝑖thì công thức 1.34 được tính toán gần đúng như công thức 1.35.
Pm= μrμ0hmθp(12 +ri
hm ) (1.36)
Xét mô hình mạch từnam châm với khe hởkhông khí đều như hình 1.45.
T l mỉ ệ ật độ ừ t thông giữa khe hở không khí và mật độ ừ thông nam châm là: t Bg= BmAm
Ag= BmCΦ (1.37)
Với: 𝐴𝑔: Ti t diế ện khe hởkhông khí.