Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu rô to đến đặc tính mô men của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ĐÀO THỊ THUỲ DUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Đào Thị Thuỳ Dung

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO
ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

KHOÁ 2011B
Hà Nội – Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Đào Thị Thuỳ Dung

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO
ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. BÙI ĐỨC HÙNG

Hà Nội – Năm 2014


Luận văn Thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...............................................................
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1 Tình hình thực tiễn chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ......... 3
1.1.1 Tình hình trên thế giới ....................................................................... 3
1.1.2 Tình hình trong nước ......................................................................... 4
1.2 Các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.......................................... 5
1.2.1 Cấu tạo chung .................................................................................... 5
1.2.2 Phân loại ............................................................................................ 5
1.3 Kết cấu rô to ............................................................................................. 7
1.3.1 Các kiểu kết cấu roto ......................................................................... 7
1.3.2 Vật liệu chế tạo cực từ ......................................................................10
1.4 Kết luận ...................................................................................................16
CHƯƠNG 2- MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH

CỬU..................................................................................................................17
2.1 Khái niệm chung .....................................................................................17
2.2 Gợn sóng mô men điện từ ........................................................................17
2.3 Các phương pháp giảm momen gợn sóng đã nghiên cứu .........................18
2.3.1 Phương pháp tạo cực từ xiên.............................................................18
2.3.2 Phương pháp điều chỉnh độ rộng cực từ ............................................19
2.3.3 Phương pháp sử dụng các cực từ có độ rộng khác nhau ....................20
2.3.4 Phương pháp tạo rãnh giả trên răng stator .........................................20
2.3.5 Phương pháp dịch chuyển vị trí các nam châm vĩnh cửu...................22
2.4 Giới thiệu về phương pháp tạo cực từ xiên ..............................................23


Luận văn Thạc sĩ khoa học

2.5 Kết luận ..........................................................................................................24
CHƯƠNG 3- XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN .................................................25
3.1 Mô hình tổng quát động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.........................25
3.1.1 Các phép biến đổi hệ toạ độ trong máy điện 3 pha ............................25
3.1.2 Mô hình tổng quát động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. .................29
3.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực từ xiên ...................................32
3.3 Kết luận ...................................................................................................34
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU BẰNG MATLAB/SIMULINK ................................................................36
4.1 Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu...................36
4.1.1 Các khối mô phỏng ...........................................................................36
4.1.2 Sơ đồ mô phỏng động cơ ..................................................................39
4.2 Mô hình Simulink của động cơ với cực từ xiên .......................................40
4.2.1 Động cơ có cực từ gồm 3 mô đun .....................................................40
4.2.2 Động cơ có cực từ gồm 5 mô đun .....................................................40
4.3 Kết luận ...................................................................................................41

CHƯƠNG 5- KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .......................................................42
5.1 Đặc tính mô men của động cơ cực từ thẳng .............................................42
5.2 Đặc tính mô men của động cơ cực từ xiên ...............................................43
5.2.1 Động cơ với cực từ gồm 3 mô đun ....................................................43
5.2.2 Động cơ với cực từ gồm 5 mô đun ....................................................46
5.3 Đánh giá kết quả .....................................................................................48
5.4 Kết luận ...................................................................................................49
KẾT LUẬN .......................................................................................................50


Luận văn Thạc sĩ khoa học

LỜI CẢM ƠN
Đến với khoá học Cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, được học tập và
nghiên cứu tại bộ môn Thiết bị điện- điện tử, tôi thấy mình rất vinh dự vì trước đây
là sinh viên và giờ đây là học viên cao học tại bộ môn. Qua luận văn này, tôi xin gửi
lời cảm ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn đã trang bị những
kiến thức rất cần thiết để chúng tôi- những kĩ sư và sau này là những thạc sĩ chuyên
ngành Thiết bị điện- điện tử có thể tự tin áp dụng vào công việc của mình.
Để luận văn có thể hoàn thành như ngày hôm nay tôi xin được bày tỏ lòng
biết ơn đến thầy Tiến sĩ Bùi Đức Hùng- Bộ môn Thiết bị điện- điện tử- Trường đại
học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi rất nhiều.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các đồng nghiệp ở trường Cao đẳng
nghề Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiên về thời gian và đóng góp nhiệt tình về
chuyên môn để tôi có thể hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi muốn cám ơn gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm, ủng hộ, động
viên tôi trong suốt thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng hết sức mình, nhưng do khả năng hạn chế của bản than
cho nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được các góp
ý từ các thầy cô, các đồng nghiệp quan tâm đến luận văn này để vấn đề nghiên cứu

trong luận văn được sáng tỏ, hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2014
Đào Thị Thuỳ Dung


Luận văn Thạc sĩ khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
1. Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy TS. Bùi Đức Hùng- Bộ môn Thiết bị điện- điện tử- Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
2. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và hợp lệ.
3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Học viên,
Đào Thị Thuỳ Dung


Luận văn Thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
P - số đôi cực.
q- số rãnh stator trên mỗi cực và pha.
N- số vòng dây.
I- dòng điện.
Be- từ trường khe hở không khí.
Lz- chiều dài cạnh tác dụng dây.
Ra- bán kính trong stato.
ud, uq- điện áp pha stato theo trục d và trục q.
id, iq- dòng điện stato theo trục d và trục q.

Rs- điện trở stato.
p – toán tử d/dt.
ua, ub, uc – điện áp các pha A, B, C.
ia, ib, ic- dòng điện các pha A, B, C.
u, u - điện áp theo trục , .
i, i - dòng điện theo trục , .
Ld, Lq- điện cảm toàn phần trục d và q.
m- từ thông sinh ra bởi cực từ.
Te – mô men điện từ.
TL- mô men tải.
B- hệ số ma sát.
J- mô men quán tính.
 m- vận tốc cơ của rô to.


Luận văn Thạc sĩ khoa học
r- tốc độ đồng bộ.
- góc quay (rad).
t- thời gian.
H- cường độ từ trường.
ng- góc xiên của cực từ.
- góc lệch giữa 2 mô đun cực từ cạnh nhau.
M- số mô đun nam châm trong một cực từ.


Luận văn Thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1- Kết cấu cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 1.2- Hai kiểu động cơ từ thông hướng tâm
Hình 1.3- Hai kiểu động cơ từ thông dọc trục

Hình 1.4- Hai kiểu động cơ từ thông ngang trục
Hình 1.5- Các kiểu kết cấu roto
Hình 1.6- ¼ mặt cắt ngang của rotor 8 cực từ động cơ cực từ lồi
Hình 1.7- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ ẩn
Hình 1.8- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ chìm
Hình 2.1- Tạo rãnh giả trên răng stator với Nn=1 và Nn=2
Hình 2.1- Đồ thị gợn sóng mô men với Nn=0 và Nn=2
Hình 2.3- Mô men gợn sóng của động cơ khi không có rãnh giả và khi có rãnh giả
Hình 2.4- Vị trí các cực từ sau khi dịch chuyển trong động cơ 4,6 và 8 cực
Hình 2.5- Gợn sóng mô men của động cơ 6 cực trước và sau khi dịch chuyển
Hình 2.6- Cực từ thẳng và cực từ nghiêng góc ng.
Hình 3.1- Hệ toạ độ a, b, c và d, q.
Hình 3.2- Hệ toạ độ a, b, c và , 
Hình 3.3- Hệ trục toạ độ ,  và d, q
Hình 3.4- Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 3.5- Rô to với cực từ gồm 3 khối ghép chéo
Hình 3.6- Hệ trục ,  và các hệ trục di, qi


Luận văn Thạc sĩ khoa học
Hình 4.1- Khối nguồn 3 pha
Hình 4.2- Khối biến đổi abc sang dq0
Hình 4.3- Khối dòng điện
Hình 4.4- Sơ đồ khối dòng điện
Hình 4.5- Sơ đồ khối mô men điện từ
Hình 4.6- Khối tốc độ
Hình 4.7- Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 4.8- Mô phỏng Simulink của động cơ có cực từ gồm 3 mô đun
Hình 4.9- Mô phỏng Simulink của động cơ có cực từ gồm 5 mô đun
Hình 5.1- Mô men điện từ (Te), tốc độ động cơ ( m), dòng điện dọc trục và ngang

trục
Hình 5.2- Mô men gợn song mô men của động cơ đồng bộ cực từ thẳng
Hình 5.3- Mô men gợn sóng khi M =3,  
Hình 5.4- Mô men gợn sóng khi M =3,  
Hình 5.5- Mô men gợn sóng khi M =3,  
Hình 5.6- Mô men gợn sóng khi M =3,  
Hình 5.7- Mô men gợn sóng khi M =3,  
Hình 5.8- Mô men gợn sóng khi M =3,  
Hình 5.9- Mô men gợn sóng khi M =5,  


72


60


40


36


30


40


72

Luận văn Thạc sĩ khoa học
Hình 5.10- Mô men gợn sóng khi M =5,  
Hình 5.11- Mô men gợn sóng khi M =5,  
Hình 5.12- Mô men gợn sóng khi M =5,  
Hình 5.13- Mô men gợn sóng khi M =5,  


60


40


36


30


Luận văn Thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng khá phổ biến
thay thế cho động cơ không đồng bộ bởi tính ưu việt của nó như hiệu suất và cosφ
cao.
Trong nước, hiện chưa có cơ sở sản xuất nào chế tạo thương phẩm loại động cơ
này, các nghiên cứu về loại động cơ này cũng cũng rất ít. Động cơ đồng bộ nam

châm vĩnh cửu sử dụng trong nước 100% là nhập khẩu với giá thành cao. Vì vậy
việc nghiên cứu để đi đến thiết kế chế tạo trong nước, thay thế nhập ngoại là vấn đề
có tính thời sự trong giai đoạn hiện nay.
Do việc gia công các vật liệu từ cứng chế tạo nam châm vĩnh cửu gặp nhiều khó
khăn nên phần lớn chúng đều có kết cấu cực từ thẳng. Vì vậy, trong đề tài này, tôi
đặt vấn đề nghiên cứu cực từ xiên để đưa ra những kết luận khoa học hỗ trợ cho
việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo loại động cơ này.
II. Đối tượng, mục đích, phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này, ta nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất
nhỏ.
-Tìm hiểu về động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đặc biệt quan tâm đến kết
cấu và vật liệu từ chế tạo rôto.
-Xây dựng mô hình toán cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có đưa vào hệ số
xét đến cấu trúc rôto ( giới hạn ở việc sắp xếp các cực nam châm vĩnh cửu tạo thành
dạng cực từ xiên)
-Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, xét ảnh hưởng của cấu trúc roto tới
đặc tính mômen của máy ( gợn song mô men ).
- Đưa ra các kết luận cho việc thiết kế chế tạo loại động cơ này.

1


Luận văn Thạc sĩ khoa học
III. Phương pháp nghiên cứu
Phân tích các tài liệu liên quan đến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu để xây
dựng mô hình toán.
Sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink để mô phỏng đưa ra kết quả của bài toán.
IV. Bố cục trình bày
Luận văn gồm 5 chương
Chương 1- Tổng quan

Chương 2- Mô men của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Chương 3- Xây dựng mô hình toán
Chương 4: Mô phỏng mô hình toán động cơ đồng bộ bằng Matlab/ Simulink
Chương 5: Kết quả và bàn luân

2


Luận văn Thạc sĩ khoa học
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tình hình thực tiễn chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
1.1.1 Tình hình trên thế giới
Động cơ điện là một bộ phận không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta, do đó
tính năng của chúng không ngừng được nâng cao. Trước tình hình thay đổi nhanh
chóng của khí hậu, vấn đề hiệu suất năng lượng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.

Động cơ điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài bắt đầu từ những thí
nghiệm của Michael Faraday và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh tế do
các kĩ sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho động
cơ nhỏ hơn, mạnh mẽ, mang tính động học và có hiệu suất hơn.
Với mục đích bảo tồn năng lượng, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ
hiệu suất cao mới có những đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn
so với các động cơ điện cảm ứng ac thông thường. Động cơ đồng bộ IPM mới sử
dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto ( động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp
phần làm cho mật độ mômen quay tốt hơn.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong những ứng dụng có
mômen quay cao, như thang máy, cần trục, trục quay hay những ứng dụng tiêu thụ
năng lượng lớn, như trong quạt, bơm và máy nén công suất lớn.
Trong những ứng dụng mômen quay cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

đem lại rất nhiều lợi ích. Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt

3


Luận văn Thạc sĩ khoa học
thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ
chính xác của máy công cụ.Đối với thang máy, động cơ này giúp tiết kiệm không
gian nhờ được lắp trong trục thang máy. Điều khiển tốc độ cũng được tăng cường,
điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần trục.
So với một động cơ không đồng bộ, kích thước vật lí của động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu chỉ bằng 1/3, hơn nữa lại có thể chế tạo với nhiều hình dạng. Ví dụ,
Yaskawa Electric đã tạo ra một động cơ “dẹt” để lắp đặt trong những ứng dụng có
không gian chật hẹp như thang máy và cần trục.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu của Yaskawa Electric có công suất danh định
từ 0.4kW 200V - 160kW 400V[14].
Bên cạnh Yaskawa Electric, Omron cũng đã tung ra thị trường seri động cơ trợ
động SGMBH cho những ứng dụng công suất lớn. Động cơ trợ động SGMBH có
công suất danh định từ 22kW - 55kW với tốc độ 1500 vòng/phút. Mômen quay tối
đa có thể duy trì trong vòng 5 giây.
Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn được ứng dụng trong công nghiệp ôtô.
Nó có thể chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có thành năng lượng động ở chế độ trợ
giúp (so với 64.6% trước đây).
Với một dải ứng dụng như vậy, hiện nay động cơ không đồng bộ đang dần được
thay thế bởi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
1.1.2 Tình hình trong nước
Trong nước, hiện chưa có cơ sở sản xuất nào chế tạo thương phẩm loại động cơ
này, các nghiên cứu về loại động cơ này cũng cũng rất ít. Động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu sử dụng trong nước 100% là nhập khẩu với giá thành cao. Vì vậy
việc nghiên cứu để đi đến thiết kế chế tạo trong nước, thay thế nhập ngoại là vấn đề

có tính thời sự trong giai đoạn hiện nay.

4


Luận văn Thạc sĩ khoa học
1.2 Các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
1.2.1 Cấu tạo chung
Theo [1], hình 1.1 cho ta thấy mặt cắt ngang cấu trúc của một động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu

Hình 1.1 Kết cấu cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Stato mang dây quấn 3 pha tạo ra phân bố lực từ động có dạng gần hình sin dựa trên
giá trị của dòng điện stato.
Các nam châm được gắn trên bề mặt lõi roto. Chúng có vai trò như dây quấn kích từ
trong máy điện đồng bộ, chỉ khác là từ trường của chúng là hằng số và ta không
điều khiển nó.
1.2.2 Phân loại
Theo [6], [9], hiện nay có 3 kiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
- Kiểu từ thông hướng tâm
- Kiểu từ thông dọc trục
- Kiểu từ thông ngang trục

5


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 1.2 Hai kiểu động cơ từ thông hướng tâm

Hình 1.3 Hai kiểu động cơ từ thông dọc trục

6


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 1.4 Hai kiểu động cơ từ thông ngang trục
1.3 Kết cấu rô to
1.3.1 Các kiểu kết cấu roto
Động cơ từ thông hướng tâm là kiểu động cơ phổ biến nhất hiện nay. Do đó, trong
phần này ta chỉ xem xét các kiểu kết cấu roto của động cơ từ thông hướng tâm.

Hình 1.5 Các kiểu kết cấu roto

7


Luận văn Thạc sĩ khoa học
Phân loại theo vị trí các nam châm trên rotor ta có thể chia làm 3 loại : rô to nam
châm nổi, rô to nam châm ẩn, rô to nam châm chìm [9],[12].
1.3.1.1 Rô to nam châm nổi
Là dạng kết cấu rotor phổ biến nhất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ( hình
1.5 a và c). Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor như hình 1.6 và
được cố định bằng các băng sợi cacbon hoặc sợi thuỷ tinh. Động cơ loại này có ưu
điểm là dễ chế tạo nên giá thành thấp. Nhưng do nam châm lộ ra ngoài nên dễ bị
ảnh hưởng bởi các từ trường khử từ, đây là nhược điểm chính. Một nhược điểm
khác là khi động cơ hoạt động, đặc biệt ở tốc độ cao, các nam châm phải chịu một
lực ly tâm khá lớn. Tuy nhiên, ở dải tốc độ vừa phải, thông thường chỉ sử dụng một
băng sợi thuỷ tinh là đủ để chịu lực ly tâm này.

Hình 1.6- ¼ mặt cắt ngang của rotor 8 cực từ động cơ cực từ lồi
Độ từ thẩm của nam châm và không khí gần như nhau nên từ trở trục d bằng từ trở
trục q. Do đó, các động cơ SMPM có mô men quay sinh ra hoàn toàn là tương tác
giữa dòng điện stator và các nam châm.
1.3.1.2 Rô to nam châm ẩn
Với roto nam châm ẩn, các nam châm được gắn vào bề mặt roto như hình 1.7. Tuy
nhiên do nam châm nằm trong lõi rotor nên sẽ được bảo vệ khỏi từ trường khử từ

8


Luận văn Thạc sĩ khoa học
tốt hơn so với động cơ nam châm gắn trên bề mặt rô to, nhưng vẫn cần được gia cố
bằng các băng sợi thuỷ tinh hoặc cacbon để chống đỡ lực ly tâm.
Hình 1.5 b) và 1.5 g) cho ta hình ảnh một số kiểu gắn nam châm vào roto.
Do có một phần lõi sắt rotor giữa các nam châm, nên từ trở trục q nhỏ hơn từ trở
trục d. Điều này giống như có các cực từ lồi. Do đó tạo ra một thành phần mô men
từ trở thêm vào mô men quay sinh ra bởi nam châm.

Hình 1.7- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ ẩn
1.3.1.3 Rô to nam châm chìm
Một kiểu kết cấu khác là chôn các nam châm vào lõi roto như hình 1.5- d) e) f). Các
nam châm được bảo vệ tốt hơn, chống lại từ trường khử từ và các ứng suất cơ học.
Có rất nhiều cách chọn vị trí đặt nam châm trong roto. Có thể đặt các nam châm sao
cho từ thông chúng sinh ra được tập trung và qua đó làm tăng mật độ từ thông khe
hở không khí

9

Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 1.8- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ chìm
Động cơ IPM và BPM đều có nhược điểm chính là quy trình sản xuất phức tạp, do
đó giá thành cao.
1.3.2 Vật liệu chế tạo cực từ
Như tên gọi của động cơ, vật liệu chế tạo cực từ được dùng là nam châm vĩnh cửu.
Nam châm vĩnh cửu có thể sinh ra từ trường trong không khí mà không cần kích từ
và cũng không tiêu hao điện năng. Năng lượng bên ngoài chỉ ảnh hưởng đến sự thay
đổi năng lượng từ trường chứ không giữ vai trò duy trì.
Có nhiều loại nam châm vĩnh cửu.
Theo thành phần cấu tạo (vật liệu), nam châm vĩnh cửu gồm có các loại sau:
-Oxit sắt: dưới dạng các đá nam châm, có ngay trong tự nhiên nhưng khi khoa học
kỹ thuật phát triển loại này không còn được sử dụng do từ tính kém.
-Thép cacbon: hiện nay không còn được sử dụng, được dùng chủ yếu từ thế kỷ 18
đến đầu thế kỷ 20, có khả năng cho từ dư tới hơn 1T, nhưng lực kháng từ rất thấp
nên dễ mất từ tính.

10


Luận văn Thạc sĩ khoa học
-Nam châm Alnico: là hợp kim của nhôm, niken, coban và một số phụ gia khác như
đồng, titan,…cho từ dư cao nhưng lực kháng từ vẫn thấp mà cũng khá đắt nên hiện
nay tỉ lệ sử dụng ngày càng giảm ( chỉ còn không đầy 10% thị phần sử dụng ).
-Ferrite từ cứng: là vật liệu dạng gốm (ceramic), công thức hoá học thường có dạng
MO x 6Fe2O3 với M là Ba, Sr hay Pb. Loại nam châm này chiếm tới hơn 50% thị
phần sử dụng.
-Nam châm đất hiếm: thành phần cấu tạo là hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại

đất hiếm và kim loại chuyển tiếp. Nam châm đất hiếm chủ yếu gồm có 2 loại là nam
châm nhiệt độ cao SmCo ( SmCo5, Sm2Co17…) và nam châm Neodymium NdFeB
(dựa trên hợp chất R2Fe14B có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với R là các nguyên tố
đất hiếm như Nd, Pr…). Nam châm đất hiếm đứng sau ferrite từ cứng về thị phần
sử dụng.
-Nam châm tổ hợp nano: là nam châm có cấu trúc tổ hợp của hai pha từ cứng và từ
mềm ở kích thước nanomet. Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực
kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn. Tính chất tổ hợp này có được là nhờ
liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet.
Loại nam châm này được tính toán có khả năng cho năng lượng từ lớn hơn 3 lần so
với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng thực nghiệm mới chỉ đạt được
rất nhỏ so với lý thuyết và các sản phẩm mới trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.
Theo phương pháp chế tạo, nam châm vĩnh cửu được chia thành các loại sau:
-Nam châm đẳng hướng: là nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng cách ép đẳng
tĩnh mà không sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu ( ví dụ như từ trường
định hướng…).
-Nam châm dị hướng: là nam châm được định hướng trong quá trình ép đẳng tĩnh
bằng từ trường. Khi đó các miền momen từ hoá trong vật liệu sẽ bị định hướng theo
chiều từ trường, tạo nên khả năng dễ dàng từ hoá theo hướng đã xác định.

11


Luận văn Thạc sĩ khoa học
-Nam châm kết dính: là các nam châm được chế tạo bằng cách nghiền thành bột
mịn, sau đó trộn với keo kết dính và ép trong từ trường định hướng. Các keo vừa có
tác dụng kết dính lại vừa có tác dụng đông cứng sự định hướng của các miền từ hoá.
-Nam châm thiêu kết: là nam châm được chế tạo bằng cách thiêu kết các bột kim
loại đã nghiền mịn và ép khuôn. Việc thiêu kết nhằm tạo ra hợp chất có thành phần
hợp phức xác định với tính chất từ của hợp chất đó.

Dưới đây là bảng phân loại nam châm vĩnh cửu:

Oxit sắt
Thép cacbon
Theo thành phần vật liệu

Alnico
Ferrite từ cứng ( Ceramic)
Đất hiếm
Nam châm tổ hợp nano
Đẳng hướng

Theo phương pháp chế tạo

Dị hướng
Kết dính
Thiêu kết

Bảng 1-1 Phân loại nam châm vĩnh cửu
Một nam châm vĩnh cửu sẽ nằm trong các loại của cả hai cách nêu trên. Ngoài ra,
người ta còn phân loại nam châm vĩnh cửu theo hình dạng: nam châm thẳng, nam
châm móng ngựa, nam châm hình xuyến…

12


Luận văn Thạc sĩ khoa học
Hiện nay, trên thị trường còn dùng chủ yếu là 3 loại nam châm: Alnico (< 10%),
Ferrite từ ( 50%) và nam châm đất hiếm (40%).
a-Alnico

Các ưu điểm chính của Alnico là có mật độ từ dư cao và hệ số nhiệt thấp. Hệ số
nhiệt của Br là -0.02%/oC , nhiệt độ sử dụng lớn nhất là 520oC. Các ưu điểm này
cho phép mật độ từ thông khe hở không khí có giá trị lớn khi nhiệt độ nam châm
cao. Tiếc rằng chúng có từ kháng rất thấp và đường cong khử từ cực kỳ phi tuyến
tính. Do đó rất dễ bị từ hóa, và cũng rất dễ khử từ Alnico. Alnico được sử dụng
trong động cơ vành góp một chiều nam châm vĩnh cửu có khe hở không khí tương
đối lớn. Điều này dẫn đến kết quả là từ thông phản ứng phần ứng tác dụng lên các
nam châm vĩnh cửu không đáng kể. Đôi khi Alnico được bảo vệ khỏi từ thông phần
ứng, và do đó tránh được sự khử từ, bằng cách sử dụng thêm các má cực bằng sắt
non. Alnico thống trị thị trường động cơ nam châm vĩnh cửu ở dải công suất từ vài
W đến 150kW trong khoảng từ giữa những năm 1940 đến cuối những năm 1960 khi mà ferrite trở thành vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất.
b-Ferrite từ cứng
Barium và strontium ferrite được phát minh vào những năm 1950. Ferrite có từ
kháng cao hơn Alnico, nhưng đồng thời có mật độ từ dư thấp hơn. Hệ số nhiệt
tương đối cao, cụ thể hệ số nhiệt của Br là -0.2%/oC, của Hc là -0.27%/oC.Nhiệt độ
làm việc lớn nhất là 400oC. Ưu điểm chính của ferrite là có giá thành rẻ và điện trở
rất cao. Điều đó có nghĩa là không có tổn hao dòng xoáy trong thể tích khối nam
châm. Nam châm ferrite là lựa chọn kinh tế nhất đối với các động cơ công suất nhỏ
và nó vẫn có lợi thế về kinh tế so với nam châm Alnico ở mức công suất đến
khoảng 7.5kW. Nam châm barium ferrite thường được sử dụng trong các động một
chiều vành góp loại nhỏ dùng cho ô tô (quạt, gạt nước kính chắn gió, bơm…) và các
đồ chơi điện.

13


Luận văn Thạc sĩ khoa học
Ferrite được sản xuất từ các bột luyện kim. Công thức hóa học của nó thường có
dạng MO x 6Fe2O3 với M là Ba, Sr hay Pb. Strontium ferrite có từ kháng cao hơn
Barium ferrite. Ferrite chì có một nhược điểm về phương diện sản xuất đó là gây

ảnh hưởng đến môi trường. Nam châm ferrite có cả loại đẳng hướng và dị hướng.
c-Nam châm đất hiếm
Trong ba thập kỷ qua, nhờ sự phát triển của các nam châm vĩnh cửu đất hiếm, tích
năng lượng cực đại (BH)Max đã được cải thiện rất nhiều. Các nguyên tố đất hiếm,
nói chung không phải tất cả đều hiếm, nhưng các quặng tự nhiên của chúng thường
ở dạng các hợp chất hỗn hợp nằm rải rác. Để sản xuất được một kim loại đất hiếm
thì một vài loại khác không có tác dụng thương mại phải được tinh chế. Điều này
làm hạn chế tính khả dụng của các kim loại này. Thế hệ đầu tiên của các hợp kim
mới này dựa trên thành phần SmCo5 được phát minh vào những năm 1960 và được
sản xuất thương mại đầu những năm 1970. Và hiện nay nó đứng vững ở vai trò một
loại vật liệu từ cứng. SmCo5 có ưu điểm là có mật độ từ dư cao, từ kháng cao, năng
lượng sinh ra lớn, đường cong khử từ tuyến tính và hệ số nhiệt thấp (Bảng 2.1). Hệ
số nhiệt của Br là 0.03 đến 0.045%/oC, của Hc là 0.14 đến 0.4%/oC. Nhiệt độ làm
việc lớn nhất từ 300 đến 350°C . Nó rất thích hợp để thiết kế các động cơ có khối
lượng nhỏ, mật độ công suất cao và có cấp cách điện F hay H. Giá thành là nhược
điểm duy nhất. Cả Sm và Co đều tương đối đắt do nguồn cung cấp hạn chế.
Những năm gần đây, với việc phát hiện ra thế hệ thứ 2 của các nam châm đất hiếm
dựa trên gốc Neodymium (Nd) rẻ tiền, chúng ta đã đạt được những tiến bộ vượt trội
trong việc giảm chi phí nguyên liệu thô. Thế hệ các nam châm đất hiếm mới này
được công bố bởi Sumitomo Special Metals, Nhật Bản, vào năm 1983 tại hội nghị
thường niên về từ học và các vật liệu từ lần thứ 29 ở Pittsburgh. Nguyên tố đất hiếm
Nd phong phú hơn rất nhiều so với Sm. Nam châm NdFeB - loại nam châm được
sản xuất với số lượng ngày càng nhiều, có các đặc tính từ tính tốt hơn so với SmCo,
tiếc rằng điều đó chỉ đúng khi ở nhiệt độ phòng. Chúng có các đường cong khử từ,
và đặc biệt là từ kháng, phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. Hệ số nhiệt của Br là -0.09

14