Chƣơng 3 CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN
3.2 Động cơ điện sử dụng trê nô tô điện
3.2.3.2 Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một động cơ đồng bộ, điều này có nghĩa là tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trƣờng. Cấu tạo 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.
Có 2 loại động cơ PMSM là động cơ PMSM có nam châm đƣợc gắn trên bề mặt rotor (Surface Permanent Magnet - SPM) và động cơ PMSM có nam châm đƣợc gắn chìm bên trong rotor (Interior Permanent Magnet - IPM). Động cơ IPM có những ƣu thế gần nhƣ tuyệt đối trong ứng dụng cho ơ tơ điện.
Hình 3.32: Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu [4]
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 ngun 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].