Nghiên cứu phương pháp thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kw khởi động bằng dây quấn lồng sóc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ
Giáo viên hƣớng dẫn là TS. Bùi Đức Hùng. Các nội dung nghiên cứu và kết quả
trong đề tài này là trung thực và chƣa công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu
nào trƣớc đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận
xét, tính toán đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong
phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá
cũng nhƣ số liệu của các tác giả khác, và cũng đƣợc thể hiện trong phần tài liệu
tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
trƣớc Hội đồng, cũng nhƣ kết quả luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2013
Tác giả

Hồ Song Hào

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................................. 8
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU TỪ DÙNG CHẾ TẠO NAM CHÂM
VĨNH CỬU VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN .............. 12
1.1. Tìm hiểu về vật liệu từ dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu ..............................12
1.1.1. Các đặc trƣng của vật liệu từ cứng ..........................................................14
1.1.2. Một số loại vật liệu từ cứng dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu ..............17

1.1.3. Ảnh hƣởng của tính chất vật liệu từ cứng đến tính năng của động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu ..............................................................................18
1.2. Ứng dụng của vật liệu từ trong ngành chế tạo máy điện ................................21
CHƢƠNG 2. TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU ............................................................................................................................................... 23
2.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ......................................23
2.2. Tổng quan về thiết kế, chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên
thế giới và trong nƣớc ............................................................................................26
2.2.1. Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ở một
số hãng trên thế giới ...........................................................................................26
2.2.2. Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tại
Việt Nam ............................................................................................................34
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG
CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT ĐẾN 1KW KHỞI
ĐỘNG BẰNG DÂY QUẤN LỒNG SÓC ........................................................................... 35
3.1. Các thông tin cần thiết cho thiết kế phần điện động cơ ..................................35
3.2. Tính toán, thiết kế stato động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công
suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc .................................................35
3.2.1. Sự ảnh hƣởng của hình dạng răng rãnh tới tính năng động cơ điện.........35
3


3.2.2. Tính toán stato động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến
1kW ....................................................................................................................39
3.3. Tính toán, thiết kế roto động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công
suất đến 1 kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc ................................................53
3.3.1. Ảnh hƣởng của cấu trúc roto nam châm vĩnh cửu ...................................53
3.3.2. Phân tích thông số chính ảnh hƣởng đến việc tính toán mạch từ roto .....58
3.4. Ví dụ tính toán thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất
370W khởi động bằng dây quấn lồng sóc..............................................................60

3.4.1. Tính toán các thông số cơ bản ..................................................................61
3.4.2. Tính toán stato ..........................................................................................61
3.4.3. Tính toán roto ...........................................................................................67
3.4.4. Tính toán mạch từ.....................................................................................75
3.4.5. Tính toán các tham số của động cơ ..........................................................77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 84

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HC

Lực kháng từ

B

Cảm ứng từ

H

Cƣờng độ từ trƣờng

Br, Jr

Cảm ứng từ dƣ

(B.H)max Tích năng lƣợng từ cực đại
ρm

Mật độ từ tích hiệu dụng

Pđm

Công suất định mức

nđm

Tốc độ quay định mức

f

Tần số nguồn điện

Uđm

Điện áp định mức

D

Đƣờng kính trong stato

Dn

Đƣờng kính ngoài stato

ls

Chiều dài tính toán của lõi thép stato

Hệ số kết cấu, tỷ lệ giữa đƣờng kính trong và đƣờng kính ngoài
stato
Tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép với đƣờng kính stato

kD
λ
CA

B

Hằng số Arnold
Công suất tính toán (công suất biểu kiến mà động cơ điện lấy từ
lƣới vào)
Mật độ từ thông khe hở không khí

A

Tải đƣờng

J

Mật độ dòng điện

W

Tải nhiệt cho phép của động cơ



Điện trở suất của vật liệu dẫn điện.

Zs

Số rãnh stato

Zr

Số rãnh roto

bz

Bề rộng tối thiểu của răng



Bƣớc cực

p

Số đôi cực

δ

Khe hở không khí

kdq

Hệ số dây quấn

kn

Hệ số dây quấn bƣớc ngắn

Ps

5


kr

Hệ số quấn rải

q

Số rãnh của một pha dƣới một cực

ks

Hệ số dạng sóng

kδ

Hệ số khe hở không khí



Hệ số cung cực từ tính toán

us

Số thanh dẫn trong một rãnh

hgS

Chiều cao gông stato

h4s

Chiều cao miệng rãnh stato

b4S

Chiều rộng miệng rãnh stato

klđ

Hệ số lấp đầy rãnh

Brs

Mật độ từ thông trên răng stato

t1

Bƣớc rãnh stato

t2

Bƣớc rãnh roto

dcđ

Đƣờng kính dây dẫn kể cả cách điện

d

Đƣờng kính dây dẫn không kể cách điện

β


Hệ số bƣớc ngắn

kc

Hệ số ép chặt

Bg

Mật độ từ thông trong gông

hrS

Chiều cao rãnh stato

d1, d2

Các đƣờng kính đáy rãnh

Sr

Diện tích rãnh

Scđ

Diện tích phần cách điện

Rr

Bán kính roto

Fδ

Sức từ động khe hở không khí

kZ

Hệ số bão hòa răng

x1, x2

Điện kháng tản dây quấn stato, roto

Từ thông khe hở không khí

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 1.1

Một số loại vật liệu từ cứng làm nam châm vĩnh cửu và tính
năng cơ bản

19

Bảng 1.2

Nhiệt độ làm việc của một số loại vật liệu từ cứng

21

Bảng 2.1

Các tiêu chuẩn và quy tắc thông dụng trong chế tạo máy điện
quay

28

Bảng 2.2

Thông số của một số động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do
VEM sản xuất

31

Bảng 2.3

Thông số kỹ thuật của các động cơ hiệu suất cao 0,15÷4kW

32

Bảng 2.4

Thông số kỹ thuật của các động cơ hiệu suất cao 13÷22kW

33

Bảng 3.1
Bảng 3.2

Sự phối hợp rãnh stato và roto các động cơ công suất nhỏ
Đặc tính từ của vật liệu N35

45
68

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình

Trang

Hình1.1

Đƣờng cong từ trễ và các đặc trƣng của vật liệu từ cứng

12

Hình 1.2

Những tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu

14

Hình 1.3

Cấu trúc tinh thể của NdFeB

19

Hình 2.1

Nguyên lý cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

24

Hình 2.2

Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm
đƣợc gắn chìm bên trong roto

25

Hình 2.3

Hình dáng và cấu trúc roto động đồng bộ nam châm vĩnh cửu

30

Hình 2.4

Hình dáng và kích thƣớc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu loại hiệu suất cao 0,15÷4kW

32

Hình 2.5

Hình dáng và kích thƣớc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu loại hiệu suất cao 13÷22kW

33

Hình 3.1

Một số dạng rãnh cơ bản

36

Hình 3.2

Rãnh chữ nhật hở cho lá tôn stato

37

Hình 3.3

Rãnh ô van và chữ nhật

38

Hình 3.4

Rãnh chữ nhật nửa hở lõi thép stato

39

Hình 3.5

Quan hệ  = f(Pđm) của động cơ điện công suất nhỏ 3 pha

44

khi 2p = 2 và 2p =4
Hình 3.6

Vị trí bối dây trong stato và sức từ động

47

Hình 3.7

Phân bố dây quấn và từ trƣờng dọc khe hở

47

Hình 3.8

Một số kiểu dây quấn stato

48

H×nh 3.9

Chọn kiểu rãnh stato

51

Hình 3.10

Các kiểu roto sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu

53

Hình 3.11

Các kiểu roto sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp từ điện áp lƣới công nghiệp

54

Hình 3.12

Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-a

55

Hình 3.13

Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-a

56

Hình 3.14

Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-b

56

Hình 3.15

Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-b

57

Hình 3.16

Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-c

57

8

Hình 3.17

Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-c

58

Hình 3.18

Ví dụ về đƣờng đặc tính momen - tốc độ lúc khởi động

59

Hình 3.19

Sơ đồ dây quấn stato

64

Hình 3.20

Kích thƣớc rãnh stato

66

Hình 3.21

Đƣờng cong khử từ của vật liệu N35 theo nhiệt độ

68

Hình 3.22

Cách gắn nam châm vĩnh cửu lên roto

69

Hình 3.23

Các kích thƣớc tính toán nam châm

69

Hình 3.24

Cấu trúc cực từ nam châm vĩnh cửu

70

Hình 3.25

Kích thƣớc một cực nam châm

71

Hình 3.26

Các dạng rãnh của roto

72

Hình 3.27

Kích thƣớc rãnh roto

75

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đó là nhu
cầu tiêu thụ năng lƣợng ngày càng tăng lên. Phần lớn điện năng tiêu thụ thuộc về
các hệ thống truyền động điện mà chủ yếu ở đây là các loại động cơ điện khác nhau.
Hiện nay các động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc đƣợc sử dụng rất phổ biến
trong các hệ thống truyền động kể trên, đó là vì chúng có kết cấu đơn giản, dễ dàng
vận hành bảo dƣỡng, giá thành thấp và độ tin cậy tƣơng đối cao. Tuy nhiên nhƣợc
điểm của động cơ loại này là hiệu suất và hệ số công suất còn thấp so với động cơ
đồng bộ dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lƣợng điện chƣa cao.
Để khắc phục nhƣợc điểm trên của động cơ không đồng bộ thì ngƣời ta cân
nhắc đến việc sử dụng động cơ đồng bộ có hiệu suất và hệ số công suất cao để thay
thế. Song do có nhƣợc điểm là cấu tạo phức tạp, có chổi than - vành trƣợt nên khó
khăn trong vận hành bảo dƣỡng, độ tin cậy không cao, nhất là các khu vực dễ cháy
nổ.
Việc sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một giải pháp có khả
năng giải quyết đƣợc nhƣợc điểm của cả hai loại động cơ trên. Hiện nay động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh và dần dần thay thế động cơ
không đồng bộ trong các hệ truyền động. Nhờ sự phát triển của ngành công nghệ

vật liệu sản xuất nam châm vĩnh cửu nên chất lƣợng, hiệu suất và hiệu năng động
học của động cơ loại này ngày càng đƣợc nâng cao.
Tuy vậy ở Việt Nam hiện nay, nhiều tài liệu của các tác giả uy tín đã công bố
cũng chỉ mới chủ yếu tập trung nghiên cứu về thiết kế điện từ, còn các vấn đề liên
quan đến kết cấu, công nghệ chế tạo… hầu nhƣ đƣợc đề cập đến một cách hết sức
khái quát [1]. Việc triển khai nghiên cứu, thiết kế và chế tạo loại động cơ này trong
nƣớc để trở thành thƣơng phẩm là điều rất cần thiết. Trên cơ sở phân tích trên, tác
giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế Động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc”.
10


2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là đi sâu vào tìm hiểu phƣơng pháp tính
toán, thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ dƣới 1kW, bao
gồm: cách lựa chọn các kích thƣớc cơ bản, tính toán thiết kế các bộ phận chính của
động cơ, tính toán các thông số và tham số của động cơ.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có công
suất nhỏ dƣới 1kW, khởi động bằng dây quấn lồng sóc
4. Phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu về vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu dùng trong động cơ, tìm
hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và đƣa ra phƣơng pháp tính toán thiết
kế.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tìm hiểu phƣơng pháp thiết kế và tính toán đƣợc động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu thông qua thực tế và tài liệu tham khảo.

11

CHƢƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU TỪ DÙNG CHẾ TẠO NAM CHÂM
VĨNH CỬU VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN
1.1. Tìm hiểu về vật liệu từ dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu
Vật liệu đƣợc dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu gọi là vật liệu từ cứng.
Đây là loại vật liệu sắt từ có đặc điểm là khó khử từ và khó từ hóa. Có thể hiểu ý
nghĩa của từ cứng là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa của vật liệu từ, chứ
không phải là lý tính của nó.

Hình1.1 - Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng
Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ đƣợc phát hiện và sử dụng sớm nhất trong
lịch sử loài ngƣời. Ngƣời Trung Quốc khẳng định rằng từ đời Hoàng Đế (trị vì
Trung Quốc từ những năm 2698 TCN đến 2599 TCN), đã biết chế tạo các kim chỉ
nam dùng để xác định phƣơng hƣớng. Chúng là các loại đá nam châm có khả năng
hút đƣợc sắt và định vị theo hƣớng Bắc-Nam. Sử sách đầu tiên ghi chép việc chế tạo
các la bàn loại này là đầu đời Nhà Chu (những năm 1046-771 TCN) và la bàn đã
xuất hiện nhiều từ thế kỷ thứ 7 trƣớc công nguyên (đồng thời xuất hiện ở Hy Lạp và
Trung Quốc). Các kim chỉ nam dùng trong la bàn là một dạng của vật liệu từ cứng,
đó là một loại của ôxit sắt - Fe3O4 [8].
12


Các vật liệu từ cứng đƣợc dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu (dạng thƣơng
phẩm) xuất hiện lần đầu tiên vào những năm từ 1740 ÷ 1750 ở châu Âu và thực sự
phát triển mạnh mẽ từ cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 đến nay.
Quá trình phát triển của các loại nam châm vĩnh cửu bắt đầu từ những năm
đầu của thế kỷ 20, đầu tiên là vật liệu thép từ. Nó chính là vật liệu từ đầu tiên đƣợc
phát triển để sử dụng cho các thiết bị cơ điện trong những năm 1930. Đây là hợp
kim gồm nhôm – niken- coban AlNiCo. Tuy nhiên mặt hạn chế chính của hợp kim
này là lực kháng từ thấp [4].

Bƣớc tiếp theo là sự phát triển của nam châm vĩnh cửu sử dụng để chế tạo
các cực từ (chủ yếu là loại SRO 6 (hay Fe2O3)) trong những năm 1950. Loại vật liệu
này có giá rẻ hơn đáng kể mà lại có lực kháng từ cao hơn và năng lƣợng từ B.H
nhiều hơn so với các vật liệu trƣớc đó. Cho đến ngày nay, đây vẫn đƣợc coi là vật
liệu nam châm hàng đầu nhờ có hiệu suất cao và đƣợc sử dụng chủ yếu để chế tạo
loa phóng thanh và động cơ một chiều công suất nhỏ. Động cơ nam châm vĩnh cửu
công suất lớn cũng đã đƣợc chế tạo nhƣng do mật độ cảm ứng từ dƣ tƣơng đối thấp
nên khó đạt đƣợc từ thông khe hở không khí đủ lớn cho những động cơ hiệu suất
cao [4].
Cột mốc quan trọng tiếp theo trong tiến bộ về nam châm vĩnh cửu là sự phát
hiện nam châm coban kết dính có đất hiếm khoảng năm 1970, đặc biệt là hợp kim
SmCo. Nó có thể cung cấp độ cảm từ dƣ và lực kháng từ cao hơn nhiều lần so với
vật liệu sắt từ đang đƣợc sử dụng lúc đó.Những nam châm có đặc tính và phạm vi
khử từ thuận nghịch lớn (cƣờng độ lực kháng từ Hc cao) sẽ là sự lựa chọn tốt hơn
cho các máy cần hiệu suất cao. Tuy nhiên, do giá của nguyên liệu này quá cao nên
bị hạn chế sử dụng quy mô lớn. Do đó cần đòi hỏi những nỗ lực lớn hơn để tìm thấy
một loại vật liệu nam châm đặc tính tốt và giá rẻ. Vào năm 1983 ngƣời ta đã tìm ra
sắt-bo nam châm NdFeB. NdFeB rẻ hơn SmCo và mật độ năng lƣợng thậm chí còn
cao hơn, tuy nhiên NdFeB không phải lúc nào cũng tốt hơn do nó chỉ ổn định ở
nhiệt độ thấp, mặt khác độ phản ứng của nó còn gây ra một số vấn đề về ăn mòn.
13


Nhận thấy vật liệu sắt từ có thể bị tổn hao do dòng điện xoáy. Do đó ngƣời ta
khắc phục bằng cách nhúng bột đất hiếm trong nhựa thông, có tác dụng làm nam
châm mềm dẻo, cao su (cũng đƣợc sử dụng với bột sắt từ). Hình 1.2b cho thấy chất
lƣợng đƣờng cong trễ của một số loại nam châm phù hợp cho các máy điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu. Hình 1.2a minh họa sự tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu
[4].

Hình 1.2 - Những tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu
a) Quá trình phát triển, b) So sánh về cảm ứng từ dư và lực kháng từ
Hiện nay với hiệu suất cao, nam châm đất hiếm đƣợc sử dụng phổ biến, rộng
rãi trong động cơ nhỏ, đặc biệt là các ổ đĩa cứng. Các ứng dụng của nam châm đất
hiếm trong các thiết bị điện đã trở nên phổ biến với các ổ đĩa servo, trong khi với
máy đồng bộ lớn hơn là chỉ mới giới thiệu thƣơng mại [4].
1.1.1. Các đặc trƣng của vật liệu từ cứng
Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trƣng từ học, sự phụ thuộc của tính chất từ vào
nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn... Dƣới đây liệt kê một số đặc trƣng quan trọng:
1.1.1.1. Lực kháng từ
Lực kháng từ, ký hiệu là HC là đại lƣợng quan trọng đặc trƣng cho tính từ
cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên
14


ngƣợc lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Điều kiện tối thiểu là trên
100 Oe, nhƣng vật liệu từ cứng phổ biến thƣờng có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe
trở lên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan
đến đến dị hƣớng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thƣờng có cấu
trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị
hƣớng từ tinh thể rất lớn.
Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thƣờng đƣợc biết đến qua công thức
[8]:

Trong đó:
 Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với K1 là hằng số dị hƣớng từ
tinh thể bậc 1, Is là từ độ bão hòa.
 Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N1, N2 là thừa số khử từ
đo theo hai phƣơng khác nhau.
 Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với λs là từ giảo bão hòa, τ là ứng

suất nội.
Và a, b, c lần lƣợt là các hệ số đóng góp.
1.1.1.2. Tích năng lƣợng từ cực đại
Tích năng lƣợng cực đại là đại lƣợng đặc trƣng cho độ mạnh yếu của vật từ,
đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích
vật liệu từ. Đại lƣợng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lƣợng

J
.
m3

Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc xác định trên đƣờng cong khử từ (xem hình
1.1) thuộc về góc phần tƣ thứ 2 trên đƣờng cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị
của tích cảm ứng từ B và cƣờng độ từ trƣờng H là cực đại. Vì thế, tích năng lƣợng
từ cực đại thƣờng đƣợc ký hiệu là (B.H)max.
15


Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là
Oersted - Oe), nên tích năng lƣợng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này
thƣờng dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ):
1GOe 

8 J
1000 m3

Để có tích năng lƣợng từ cao, vật liệu từ cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng
từ dƣ cao.
1.1.1.3. Cảm ứng từ dƣ
Cảm ứng từ dƣ, thƣờng ký hiệu là Br hay Jr là cảm ứng từ còn dƣ sau khi

ngắt từ trƣờng (xem hình 1.1).
1.1.1.4. Nhiệt độ Curie
Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Một
số vật liệu từ cứng đƣợc ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao
nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao
nhất hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ Curie từ 500°C đến
trên 1000°C.
1.1.1.5. Mật độ từ tích hiệu dụng
Các phƣơng trình Maxwell (trong hệ đo lƣờng SI) áp dụng cho vật liệu từ
cứng, khi không có dòng điện tự do chạy bên trong vật liệu này:
. H = 0
 . B=  . μ0.(H + M) = 0

Ở đây, B là cảm ứng từ, H là cƣờng độ từ trƣờng, M là độ từ hóa. Vậy tồn tại
trƣờng vô hƣớng Vm gọi là thế vô hƣớng từ (đóng vai trò tƣơng tự điện thế trong
tĩnh điện học), thỏa mãn:
H = -  .Vm
2

 .Vm = -ρm

16


với ρm là mật độ từ tích hiệu dụng (đóng vai trò tƣơng tự mật độ điện tích
trong tĩnh điện học):
ρm = -  . M
1.1.2. Một số loại vật liệu từ cứng dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu
1.1.2.1. Hợp kim AlNiCo
Là hợp kim đƣợc sử dụng trong nam châm vĩnh cửu, có thành phần chủ yếu

là nhôm (Al), niken và côban (Co), có thể có thêm các thành phần phụ gia nhƣ đồng
(Cu), titan (Ti),... Hợp kim này có từ dƣ cao, nhƣng có lực kháng từ khá nhỏ
(thƣờng không vƣợt quá 2 kOe) và có giá thành cao.
1.1.2.2. Vật liệu từ cứng ferrite
Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari (BaFexO), stronsti (SrFexO)
và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ Lanthannium (La)) để cải thiện tính
từ cứng. Ferrite là vật liệu có 2 phân mạng từ bù trừ nhau, và chứa hàm lƣợng ôxi
lớn nên khó tạo ra từ độ lớn, nhƣng lại có lực kháng từ lớn hơn rất nhiều so với
AlNiCo. Lực kháng từ của ferrite có thể đạt tới 5 kOe. Ferrite có điểm mạnh là rẻ
tiền, chế tạo dễ dàng và có độ bền cao. Vì thế nó chiếm phần lớn thị phần nam châm
thế giới (tới hơn 50%) dù có phầm chất không phải là cao.
1.1.2.3. Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm
Điển hình là hai hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các
vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực
kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu
từ cứng, do đó tạo ra tích năng lƣợng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có
lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên
thƣờng sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ
cao). Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao
(do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất
hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm
17


(312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt đƣợc. Nam châm đất hiếm có
tích năng lƣợng từ kỷ lục là Nd2Fe14B đạt tới 57 MGOe.
1.1.2.4. Hợp kim FePt và CoPt
Bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu
trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ƣu điểm là
có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp

kim này hiện nay đang đƣợc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng.
1.1.2.5. Nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi
Loại vật liệu đƣợc bắt đầu phát triển từ những thập kỷ 90 của thế kỷ 20, với
cấu trúc tổ hợp của 2 loại vật liệu: vật liệu từ mềm cung cấp từ độ bão hòa lớn, vật
liệu từ cứng cho lực kháng từ cao, và các hạt tổ hợp ở kích thƣớc nanomet, có liên
kết trao đổi với nhau, tạo ra tính chất tổ hợp và sẽ cho loại nam châm mới với tính
từ cứng tuyệt vời, lớn hơn tất cả các vật liệu từ cứng đã biết. Tuy nhiên, vào thời
điểm hiện tại, các tính chất đạt đƣợc trong thực tế còn thua xa dự đoán lý thuyết do
chƣa tạo đƣợc cấu trúc hoàn hảo nhƣ dự đoán. Loại vật liệu này vẫn trong giai đoạn
nghiên cứu phát triển.
1.1.3. Ảnh hƣởng của tính chất vật liệu từ cứng đến tính năng của động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Một trong những điểm quan trọng nhất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu là cực từ chế tạo từ vật liệu từ cứng, đã đƣợc từ hóa thành nam châm vĩnh cửu.
Nhƣ đã phân tích ở trên, vật liệu từ cứng để chế tạo nam châm vĩnh cửu hiện nay
cũng rất đa dạng và nhiều loại có tích trữ năng lƣợng lớn. Tuy nhiên, loại vật liệu
đƣợc sử dụng nhiều nhất hiện nay là NdFeB có cấu trúc tinh thể là tứ giác. Để tạo ra
vật liệu từ cứng tốt, ngƣời ta thƣờng phải tạo ra nó gồm các hạt có cấu trúc đơn
đômen, tức là mỗi hạt chỉ là một đômen từ tính, và cơ chế đảo từ sẽ là cơ chế quay
kết hợp các mômen từ (cơ chế quay - rotation mechanism) hoặc cơ chế hãm sự phát
triển của mầm đảo từ (nucleation field mechanism).
18


Hình 1.3 - Cấu trúc tinh thể của NdFeB
Với cùng loại vật liệu, tùy theo cách chế tạo nhà sản xuất đƣa ra các sản
phẩm với các tính năng khác nhau nhƣ mật độ từ dƣ (residual flux density), lực
kháng từ (coercive force), năng lƣợng cực đại (maximum energy product) hay nhiệt
độ làm việc... Bảng 1.1 dƣới đây giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan khi lựa chọn
vật liệu cho phù hợp với thiết kế sản phẩm.

Bảng 1.1 - Một số loại vật liệu từ cứng làm nam châm vĩnh cửu và tính năng
cơ bản

Vật liệu

Loại

Mật độ từ dƣ
Br (KGs)

Nd2Fe14B

N35
N38
N40
N42
N45
N48
N50
38M
40M
42M
45M
48M

12.1
12.6
12.9
13.3
13.6

14
14.3
12.6
12.9
13.3
13.6
13.9
19

Lực kháng từ
Hcb (KOe)
11.4
11.7
11.9
12.3
12.1
12.1
12.3
12.2
12.3
12.4
12.1
12.9

Năng lƣợng cực
đại
(B.H)max (MGOe)
35
38
40

42
45
48
50
38
40
42
45
50


Vật liệu

Sm1Co5

Sm2Co17

Loại

Mật độ từ dƣ
Br (KGs)

Lực kháng từ
Hcb (KOe)

30H
35H
38H
40H
42H

44H
46H
30SH
35SH
38SH
40SH
42SH
44SH
28UH
30UH
33UH
35UH
38UH
40UH
42UH
30EH
33EH
35EH
18
20
24
26
28
30
32

11.2
12.1
12.6
13

13.1
13.5
13.7
11.2
12
12.6
13
13.1
13.5
10.9
11.2
11.5
12
12.6
13
13.1
11.2
11.5
12
8.5
9
10
10.5
10.5
11
12

10.7
11.6
12.1

12
12
12
13
10.7
11.6
12.1
12.3
12.4
12.8
10.4
10.3
10.8
11.6
12.1
12.3
12.4
10.3
10.8
11.6
8
8
8.5
9.2
9.5
9.5
11

Năng lƣợng cực
đại

(B.H)max (MGOe)
30
35
38
40
42
45
46
30
35
38
40
42
44
28
30
33
35
38
40
42
30
33
35
18
20
24
26
28
30

32

Trên Bảng 1.1 nhận thấy, cùng vật liệu đất hiếm Nd2Fe14B có thể cho ra tới
35 loại sản phẩm với các tính năng khác nhau. Căn cứ vào đó có thể lựa chọn đƣợc
vật liệu phù hợp cho công việc thiết kế, để động cơ có các đặc tính theo yêu cầu.
Tùy theo cấp cách điện lựa chọn và môi trƣờng làm việc của động cơ mà một
thông số quan trong phải lựa chọn đó là nhiệt độ làm việc của vật liệu. Điều đó có
nghĩa là vật liệu phải không đƣợc biến đổi tính chất nếu nhiệt độ sản phẩm đạt tới
20


ngƣỡng giới hạn rong quá trình làm việc. Bảng 1.2 cho biết nhiệt độ làm việc của
một số vật liệu từ cứng dùng làm nam châm vĩnh cửu có thể đƣợc lựa chọn cho thiết
kế động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu. Nhiệt độ làm việc còn đƣợc sử dụng trong
quá trình xây dựng công nghệ chế tạo sản phẩm nhƣ nhiệt độ sấy để khô keo dán
nam châm vĩnh cửu vào giá đỡ trên rôto.
Bảng 1.2 - Nhiệt độ làm việc của một số loại vật liệu từ cứng
Vật liệu
Ceramic
AlNiCo
SmCo 1,5
SmCo 2,17
NdFeB N
NdFeB M
NdFeB H
NdFeB SH
NdFeB UH
NdFeB EH

Nhiệt độ làm việc lớn nhất

o
C
F
400
752
540
1004
260
500
350
662
80
176
100
212
120
248
150
302
180
356
200
392
o

1.2. Ứng dụng của vật liệu từ trong ngành chế tạo máy điện
Trong chế tạo máy điện nói chung và chế tạo máy điện quay nói riêng thì vật
liệu chiếm một vai trò đặc biệt quan trọng và chiếm tỷ trọng lớn nhất trong giá
thành sản phẩm. Vật liệu chế tạo bao gồm: vật liệu tác dụng (vật liệu từ, vật liệu dẫn
điện, vật liệu cách điện) để hình thành nên hệ thống mạch từ và mạch điện (hai

mạch cơ bản tạo nên máy điện) và vật liệu kết cấu (gang xám, nhôm, chất dẻo…) để
chế tạo vỏ máy, hộp đấu dây, quạt gió… và các chi tiết kết cấu liên quan.
Vật liệu từ chiếm khối lƣợng lớn nhất trong vật liệu tác dụng, nó giúp hình
thành nên mạch từ, dẫn từ thông và là yếu tố quyết định cho sự vận hành của máy.
Tính năng của vật liệu từ quyết định đến công suất, hiệu suất, tổn hao trong máy và
kích thƣớc cũng nhƣ khối lƣợng máy, vì vậy nó đóng vai trò đặc biệt quan trọng.
Vật liệu từ dùng trong chế tạo động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
gồm vật liệu từ chế tạo lõi thép stato và vật liệu từ chế tạo lõi thép rô to. Lõi thép
21


stato đƣợc sử dụng vật liệu chính là thép kỹ thuật điện – vật liệu từ mềm. Lõi thép
rô to gồm hai phần: phần khung là vật liệu từ mềm có thể là các loại thép hợp kim
có hàm lƣợng các bon thấp hoặc cũng có thể sử dụng thép kỹ thuật điện;phần tạo từ
trƣờng chính là các thanh nam châm vĩnh cửu đƣợc chế tạo từ các loại đất hiếm –
nhóm này thuộc nhóm vật liệu từ cứng.
Kết luận:
 Vật liệu từ là thành phần cơ bản, là vật liệu tác dụng chiếm phần lớn khối
lƣợng của động cơ và có vai trò quyết định đến kích thƣớc, khối lƣợng và tính năng
của sản phẩm thiết kế. Việc nắm vững tính chất của vật liệu sẽ giúp ngƣời thiết kế
lựa chọn đƣợc chủng loại vật liệu phù hợp cho sản phẩm đồng thời cũng xây dựng
đƣợc các phƣơng án công nghệ hợp lý trong quá trình chế tạo sản phẩm.
 Vật liệu từ tại Việt Nam chƣa chế tạo đƣợc để đáp ứng chế tạo sản phẩm
trong nƣớc, hoàn toàn phải nhập ngoại. Trên cơ sở đó, chƣơng 1 đã tổng hợp những
loại vật liệu từ hiện tại đang đƣợc sử dụng trong ngành chế tạo máy điện tại Việt
Nam và những tính năng cơ bản của chúng, từ đó tạo thuận lợi cho việc lựa chọn.
 Chƣơng 1 cũng đi sâu phân tích kỹ về vật liệu từ cứng đƣợc dùng trong
chế tạo nam châm vĩnh cửu trên cơ sở tổng hợp từ các tài liệu tham khảo. Đây cũng
là những loại vật liệu có thể lựa chọn và dễ dàng mua đƣợc trên thị trƣờng. Việc
đƣa ra các bảng tra cứu về các loại vật liệu từ cứng và tính năng của chúng cũng sẽ

góp phần quan trọng giúp ngƣời thiết kế thuận lợi hơn trong quá trình lựa chọn vật
liệu chế tạo cực từ cho động cơ.

22


CHƢƠNG 2. TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Hiện nay động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh
và dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động. Với sự phát triển
nhanh và mạnh của nam châm vĩnh cửu đất hiếm nhƣ SmCo và NdFeB không
những nâng cao đƣợc hiệu suất động cơ đồng bộ mà còn nâng cao đƣợc mật độ
công suất, chất lƣợng và hiệu năng động học. Giá thành của vật liệu đất hiếm cũng
ngày càng giảm và công nghệ định dạng nam châm vĩnh cửu cũng ngày càng thuận
lợi hơn, khiến cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng trở nên phổ biến.
Với những tiện ích do động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cử đem lại,
trên thế giới động cơ loại này đã đƣợc nghiên cứu chế tạo thành công với rất nhiều
sản phẩm có công suất từ nhỏ đến lớn [6], [7]. Tính năng kỹ thuật của các loại động
cơ này cũng đã đƣợc các hãng chế tạo máy điện nổi tiếng trên thế giới nhƣ Siemens,
ABB, General Electric,… cải tiến thiết kế tối ƣu [1]. Các sản phẩm đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong mọi lĩnh vực của ngành kinh tế nhƣ: công nghiệp, nông nghiệp, y tế,
quân sự, giao thông,… cũng nhƣ dân dụng.
Bên cạnh công nghệ chế tạo, vật liệu mới cũng đƣợc nghiên cứu sâu để áp
dụng vào máy điện, nhằm nâng cao hiệu suất, giảm trọng lƣợng, nâng cao chất
lƣợng điều khiển trong hệ thống truyền động điện
Ở Việt Nam, hiện nay chƣa có một đơn vị nào nghiên cứu chế tạo một cách
hoàn chỉnh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu để loại động cơ này trở thành
thƣơng phẩm cạnh tranh đƣợc trên thị trƣờng với các sản phẩm cùng loại của nƣớc
ngoài.
2.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hiện nay động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng

công nghiệp. Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc đặc biệt phổ biến vì cấu tạo đơn
giản, chi phí sản xuất thấp và ít bảo trì. Tuy nhiên hạn chế của chúng là tốc độ làm
việc thấp hơn tốc độ từ trƣờng quay và hệ số trƣợt thay đổi phụ thuộc vào tải, nghĩa
là khi tải tăng sẽ làm tốc độ giảm xuống. Do đó động cơ không đồng bộ roto lồng
23


sóc không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi điểu khiển chính xác tốc độ và vị trí
nhƣ hệ thống servo. Nhƣng tốc độ của động cơ đồng bộ có thể kiểm soát đƣợc một
cách chính xác bằng cách thay đổi tần số của từ trƣờng quay, gọi là tốc độ đồng bộ.
Tuy nhiên động cơ đồng bộ lại có nhƣợc điểm là chi phí sản xuất và bảo trì cao.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu loại bỏ đƣợc việc sử dụng các chổi
than - vành trƣợt để kích từ nên giảm đƣợc chi phí bảo trì và tổn thất trong roto. Do
kích thƣớc nhỏ gọn và mật độ momen xoắn cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu đã đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, trong hệ thống truyền
động hiệu suất cao nhƣ máy CNC, robot và các hệ thống sản xuất tự động trong
ngành công nghiệp.
Theo cấu tạo của roto, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể phân
thành 2 loại là:
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đƣợc gắn trên bề mặt
roto (hình 2.1 a)
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đƣợc gắn chìm bên
trong roto (hình 2.1 b)

Hình 2.1 – Nguyên lý cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

24


Các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu vốn đã có đặc tính điều khiển rất

tốt. Bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn với rôto (khối quay) đã tạo ra mật
độ thông lƣợng lớn và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mật độ
mômen quay tốt hơn. Mắt khác động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm
đƣợc gắn chìm bên trong roto dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện
cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở cộng thêm vào mômen vốn
có do nam châm sinh ra (hình 2.2). Đặc tính này khiến động cơ có khả năng sinh
mômen rất cao. Mặt khác, động cơ này cũng có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới
khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ.

Hình 2.2 – Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn
chìm bên trong roto
Ƣu điểm và khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu:
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một loại động cơ hiệu suất cao có
những đặc điểm mômen quay tăng cƣờng và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ
điện cảm ứng xoay chiều thông thƣờng.
Ứng dụng điển hình sẽ là những ứng dụng có mômen quay cao, nhƣ thang
máy, cần trục, trục quay. Tuy nhiên, động cơ này cũng tạo ra những ƣu thế cho

25


những ứng dụng tiêu thụ năng lƣợng lớn, nhƣ trong quạt, bơm và máy nén công
suất lớn.
Trong những ứng dụng mômen quay lớn, động cơ này đem lại rất nhiều lợi
ích. Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lƣợng nhiệt thất thoát, do đó
không chỉ góp phần tiết kiệm năng lƣợng 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 đƣợc lắp
trong trục thang máy. Điều khiển tốc độ cũng đƣợc tăng cƣờng, điều này rất có lợi

cho những ứng dụng cần trục.
Về kích thƣớc thì so với một động cơ cảm ứng xoay chiều chuẩn, kích thƣớc
vật lí của động cơ này chỉ bằng 1/3.
Ngoài ra, động cơ này còn đƣợc ứng dụng trong công nghiệp ôtô điện. Nó có
thể chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có trong ắc quy thành động năng cung cấp
cho ô tô (so với 64.6% của các loại động cơ khác).
Đồng cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu sẽ không thể tự khởi động
đƣợc. Do đó phải áp dụng các biện pháp khởi động giống nhƣ đối với động cơ đồng
bộ thông thƣờng. Song trong đề tài này chỉ xét động cơ đồng bộ công suất đến 1kW
nên chọn phƣơng pháp khởi động dùng quân quấn lồng sóc. Đây là phƣơng pháp
khởi động rất đơn giản và lại thích hợp đƣợc với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu mà đề tài đang nghiên cứu.
2.2. Tổng quan về thiết kế, chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên
thế giới và trong nƣớc
2.2.1. Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ở
một số hãng trên thế giới
2.2.1.1. Hãng VEM – Đức
Một số nét chính trong thiết kế mới loại động cơ đông bộ nam châm vĩnh
cửu của hãng VEM nhƣ sau:
26