Với sự phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm vào những năm 1970, động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm đã ra đời. Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng nam châm vĩnh cửu đất hiếm để kích thích, và nam châm vĩnh cửu có thể tạo ra từ trường vĩnh cửu sau khi từ hóa. Hiệu suất kích thích của nó rất tuyệt vời, và vượt trội hơn động cơ kích thích điện về độ ổn định, chất lượng và giảm tổn thất, đã làm rung chuyển thị trường động cơ truyền thống.

Những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ hiện đại, hiệu suất và công nghệ của vật liệu điện từ, đặc biệt là vật liệu điện từ đất hiếm, đã dần được cải thiện. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của điện tử công suất, công nghệ truyền tải điện và công nghệ điều khiển tự động, hiệu suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng được cải thiện.

Hơn nữa, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ, đặc tính tốt và mật độ công suất cao. Nhiều viện nghiên cứu khoa học và doanh nghiệp đang tích cực tiến hành nghiên cứu và phát triển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, và phạm vi ứng dụng của chúng sẽ được mở rộng hơn nữa.

1. Cơ sở phát triển của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

a.Ứng dụng vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm hiệu suất cao

Vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm đã trải qua ba giai đoạn: SmCo5, Sm2Co17 và Nd2Fe14B. Hiện nay, vật liệu nam châm vĩnh cửu, đại diện là NdFeB, đã trở thành loại vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm được sử dụng rộng rãi nhất nhờ các đặc tính từ tính tuyệt vời của chúng. Sự phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu đã thúc đẩy sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu.

So với động cơ không đồng bộ ba pha truyền thống dùng kích từ điện, nam châm vĩnh cửu thay thế cực kích từ điện, đơn giản hóa cấu trúc, loại bỏ vành trượt và chổi than của rotor, hiện thực hóa cấu trúc không chổi than, đồng thời giảm kích thước rotor. Điều này cải thiện mật độ công suất, mật độ mô-men xoắn và hiệu suất làm việc của động cơ, đồng thời làm cho động cơ nhỏ hơn và nhẹ hơn, mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng và thúc đẩy sự phát triển của động cơ điện theo hướng công suất cao hơn.

b.Ứng dụng lý thuyết điều khiển mới

Trong những năm gần đây, các thuật toán điều khiển đã phát triển nhanh chóng. Trong số đó, thuật toán điều khiển vector đã giải quyết được vấn đề chiến lược điều khiển của động cơ AC về nguyên lý, giúp động cơ AC có hiệu suất điều khiển tốt. Sự xuất hiện của điều khiển mô-men trực tiếp làm cho cấu trúc điều khiển đơn giản hơn, đồng thời có đặc điểm là hiệu suất mạch mạnh mẽ khi thay đổi tham số và tốc độ phản ứng động mô-men nhanh. Công nghệ điều khiển mô-men gián tiếp giải quyết vấn đề xung mô-men lớn của mô-men trực tiếp ở tốc độ thấp, đồng thời cải thiện tốc độ và độ chính xác điều khiển của động cơ.

c.Ứng dụng các thiết bị điện tử công suất và bộ xử lý hiệu suất cao

Công nghệ điện tử công suất hiện đại là cầu nối quan trọng giữa ngành công nghiệp thông tin và các ngành công nghiệp truyền thống, đồng thời là cầu nối giữa dòng điện yếu và dòng điện mạnh được điều khiển. Sự phát triển của công nghệ điện tử công suất cho phép hiện thực hóa các chiến lược điều khiển truyền động.

Vào những năm 1970, một loạt các bộ biến tần đa năng đã xuất hiện, có thể chuyển đổi điện năng tần số công nghiệp thành điện năng tần số biến đổi với tần số điều chỉnh liên tục, tạo điều kiện cho việc điều chỉnh tốc độ biến đổi của điện xoay chiều. Các bộ biến tần này có khả năng khởi động mềm sau khi tần số được thiết lập, và tần số có thể tăng từ 0 đến tần số thiết lập ở một tốc độ nhất định, và tốc độ tăng có thể được điều chỉnh liên tục trong một phạm vi rộng, giải quyết vấn đề khởi động của động cơ đồng bộ.

2. Tình hình phát triển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong và ngoài nước

Động cơ đầu tiên trong lịch sử là động cơ nam châm vĩnh cửu. Vào thời điểm đó, hiệu suất của vật liệu nam châm vĩnh cửu tương đối kém, lực cưỡng bức và độ từ dư của nam châm vĩnh cửu quá thấp, nên chúng nhanh chóng được thay thế bằng động cơ kích thích điện.

Vào những năm 1970, vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm, đại diện là NdFeB, có lực kháng từ lớn, độ từ dư, khả năng khử từ mạnh và tích năng lượng từ lớn, đã đưa động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất lớn lên sân khấu lịch sử. Hiện nay, nghiên cứu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng hoàn thiện, hướng tới tốc độ cao, mô-men xoắn cao, công suất lớn và hiệu suất cao.

Trong những năm gần đây, với sự đầu tư mạnh mẽ của các học giả trong nước và chính phủ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã phát triển nhanh chóng. Với sự phát triển của công nghệ vi máy tính và công nghệ điều khiển tự động, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Do sự tiến bộ của xã hội, yêu cầu của con người đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng khắt khe hơn, thúc đẩy động cơ nam châm vĩnh cửu phát triển theo hướng có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng hơn và khả năng điều khiển chính xác hơn. Nhờ sự cải tiến của quy trình sản xuất hiện tại, vật liệu nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao đã được phát triển hơn nữa, giúp giảm đáng kể chi phí và dần dần được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực của cuộc sống.

3. Công nghệ hiện tại

a. Công nghệ thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

So với động cơ kích từ điện thông thường, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không có cuộn dây kích từ điện, vòng cực góp và tủ kích từ, giúp cải thiện đáng kể không chỉ độ ổn định và độ tin cậy mà còn cả hiệu suất.

Trong số đó, động cơ nam châm vĩnh cửu tích hợp có ưu điểm là hiệu suất cao, hệ số công suất cao, mật độ công suất đơn vị cao, khả năng mở rộng tốc độ từ yếu mạnh và tốc độ phản ứng động nhanh, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng để truyền động động cơ.

Nam châm vĩnh cửu cung cấp toàn bộ từ trường kích thích của động cơ nam châm vĩnh cửu, và mô men răng cưa sẽ làm tăng độ rung và tiếng ồn của động cơ trong quá trình vận hành. Mô men răng cưa quá mức sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ thấp của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ và khả năng định vị chính xác cao của hệ thống điều khiển vị trí. Do đó, khi thiết kế động cơ, mô men răng cưa nên được giảm thiểu tối đa thông qua việc tối ưu hóa động cơ.

Theo nghiên cứu, các phương pháp chung để giảm mô-men xoắn răng cưa bao gồm thay đổi hệ số cung cực, giảm độ rộng khe stato, điều chỉnh khe xiên và khe cực, thay đổi vị trí, kích thước và hình dạng của cực từ, v.v. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi giảm mô-men xoắn răng cưa, nó có thể ảnh hưởng đến các hiệu suất khác của động cơ, chẳng hạn như mô-men xoắn điện từ có thể giảm theo. Do đó, khi thiết kế, cần cân bằng các yếu tố khác nhau càng nhiều càng tốt để đạt được hiệu suất động cơ tốt nhất.

b.Công nghệ mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Sự hiện diện của nam châm vĩnh cửu trong động cơ nam châm vĩnh cửu khiến các nhà thiết kế gặp khó khăn trong việc tính toán các thông số, chẳng hạn như thiết kế hệ số từ thông rò rỉ không tải và hệ số hồ quang cực. Thông thường, phần mềm phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng để tính toán và tối ưu hóa các thông số của động cơ nam châm vĩnh cửu. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn có thể tính toán các thông số động cơ rất chính xác và rất đáng tin cậy để phân tích tác động của các thông số động cơ đến hiệu suất.

Phương pháp tính toán phần tử hữu hạn giúp chúng ta tính toán và phân tích trường điện từ của động cơ dễ dàng hơn, nhanh hơn và chính xác hơn. Đây là một phương pháp số được phát triển dựa trên phương pháp sai phân và đã được sử dụng rộng rãi trong khoa học và kỹ thuật. Sử dụng các phương pháp toán học để rời rạc hóa một số miền nghiệm liên tục thành các nhóm đơn vị, sau đó nội suy trong từng đơn vị. Bằng cách này, một hàm nội suy tuyến tính được hình thành, tức là một hàm xấp xỉ được mô phỏng và phân tích bằng phần tử hữu hạn, cho phép chúng ta quan sát trực quan hướng của các đường sức từ và sự phân bố mật độ từ thông bên trong động cơ.

c.Công nghệ điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Việc cải thiện hiệu suất của hệ thống truyền động động cơ cũng có ý nghĩa to lớn đối với sự phát triển của lĩnh vực điều khiển công nghiệp. Nó cho phép hệ thống hoạt động ở hiệu suất tốt nhất. Đặc điểm cơ bản của nó được thể hiện ở tốc độ thấp, đặc biệt là trong trường hợp khởi động nhanh, tăng tốc tĩnh, v.v., nó có thể tạo ra mô-men xoắn lớn; và khi truyền động ở tốc độ cao, nó có thể đạt được khả năng điều khiển tốc độ công suất không đổi trong một dải rộng. Bảng 1 so sánh hiệu suất của một số động cơ chính.

Như có thể thấy từ Bảng 1, động cơ nam châm vĩnh cửu có độ tin cậy tốt, dải tốc độ rộng và hiệu suất cao. Nếu kết hợp với phương pháp điều khiển tương ứng, toàn bộ hệ thống động cơ có thể đạt được hiệu suất tốt nhất. Do đó, cần lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp để đạt được hiệu quả điều chỉnh tốc độ, để hệ thống truyền động động cơ có thể hoạt động trong phạm vi điều chỉnh tốc độ tương đối rộng và dải công suất không đổi.

Phương pháp điều khiển vector được sử dụng rộng rãi trong thuật toán điều khiển tốc độ động cơ nam châm vĩnh cửu. Nó có ưu điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, hiệu suất cao, độ tin cậy cao, độ ổn định tốt và lợi ích kinh tế lớn. Nó được sử dụng rộng rãi trong truyền động động cơ, vận tải đường sắt và servo máy công cụ. Do mục đích sử dụng khác nhau, chiến lược điều khiển vector hiện tại cũng khác nhau.

4.Đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có cấu trúc đơn giản, tổn thất thấp và hệ số công suất cao. So với động cơ kích từ điện, do không có chổi than, bộ chuyển mạch và các thiết bị khác, nên không cần dòng điện kích từ phản kháng, do đó dòng điện stato và tổn thất điện trở nhỏ hơn, hiệu suất cao hơn, mô-men xoắn kích từ lớn hơn, hiệu suất điều khiển tốt hơn. Tuy nhiên, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có những nhược điểm như chi phí cao và khó khởi động. Nhờ ứng dụng công nghệ điều khiển vào động cơ, đặc biệt là ứng dụng hệ thống điều khiển vector, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể đạt được khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, đáp ứng động nhanh và điều khiển vị trí có độ chính xác cao, vì vậy động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sẽ thu hút nhiều người nghiên cứu sâu rộng hơn.

5. Đặc điểm kỹ thuật của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Anhui Mingteng

a. Động cơ có hệ số công suất cao và hệ số chất lượng lưới điện cao. Không cần bộ bù hệ số công suất, có thể tận dụng tối đa công suất của thiết bị trạm biến áp;

b. Động cơ nam châm vĩnh cửu được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và hoạt động đồng bộ. Không có xung tốc độ, và điện trở đường ống không tăng khi quạt và bơm chạy;

c. Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể được thiết kế với mô-men xoắn khởi động cao (hơn 3 lần) và khả năng quá tải cao khi cần thiết, do đó giải quyết hiện tượng "ngựa lớn kéo xe nhỏ";

d. Dòng điện phản kháng của động cơ không đồng bộ thông thường thường gấp khoảng 0,5-0,7 lần dòng điện định mức. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Mingteng không cần dòng điện kích từ. Dòng điện phản kháng của động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ không đồng bộ chênh lệch khoảng 50%, và dòng điện vận hành thực tế thấp hơn động cơ không đồng bộ khoảng 15%.

e. Động cơ có thể được thiết kế để khởi động trực tiếp và kích thước lắp đặt bên ngoài giống với động cơ không đồng bộ đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, có thể thay thế hoàn toàn động cơ không đồng bộ;

f. Việc thêm trình điều khiển có thể đạt được khởi động mềm, dừng mềm và điều chỉnh tốc độ vô cấp, với phản ứng động tốt và hiệu quả tiết kiệm điện năng được cải thiện hơn nữa;

g. Động cơ có nhiều cấu trúc tôpô, đáp ứng trực tiếp các yêu cầu cơ bản của thiết bị cơ khí trong phạm vi rộng và trong điều kiện khắc nghiệt;

h. Để cải thiện hiệu suất hệ thống, rút ​​ngắn chuỗi truyền động và giảm chi phí bảo trì, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dẫn động trực tiếp tốc độ cao và thấp có thể được thiết kế và sản xuất để đáp ứng các yêu cầu cao hơn của người dùng.

Công ty TNHH Thiết bị điện và máy móc từ tính vĩnh cửu Anhui Mingteng (https://www.mingtengmotor.com/) được thành lập vào năm 2007. Đây là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên nghiên cứu phát triển, sản xuất và kinh doanh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cực cao. Công ty sử dụng lý thuyết thiết kế động cơ hiện đại, phần mềm thiết kế chuyên nghiệp và chương trình thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu do chính mình phát triển để mô phỏng trường điện từ, trường chất lỏng, trường nhiệt độ, trường ứng suất, v.v. của động cơ nam châm vĩnh cửu, tối ưu hóa cấu trúc mạch từ, nâng cao hiệu suất năng lượng của động cơ, và đảm bảo cơ bản việc sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu một cách đáng tin cậy.

Bản quyền: Bài viết này là bản in lại của số công khai WeChat “Motor Alliance”, liên kết gốchttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg

Bài viết này không đại diện cho quan điểm của công ty chúng tôi. Nếu bạn có ý kiến ​​hoặc quan điểm khác, vui lòng phản hồi cho chúng tôi!