Mục lục
Xe điện có thể duy trì mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp nhờ vị trí bố trí các nam châm bên trong rô-to. Công nghệ then chốt đằng sau các loại xe điện hiện đại và các hệ thống truyền động công nghiệp hiệu suất cao chính là Động cơ nam châm vĩnh cửu bên trong (IPM).
Trong thời đại của xe năng lượng mới, công nghệ IPM đang ngày càng thu hút sự quan tâm của các kỹ sư thiết kế động cơ và các chuyên gia mua sắm hệ thống truyền động xe điện. Nguyên lý hoạt động của IPM, cũng như điểm khác biệt chính so với động cơ nam châm vĩnh cửu gắn bề mặt (SPM), sẽ được giải thích trong phần sau.
Việc lựa chọn giữa IPM và SPM là một trong những quyết định quan trọng nhất trong thiết kế xe điện, bởi sự khác biệt về vị trí nam châm sẽ quyết định mô-men xoắn đầu ra của động cơ, đường cong hiệu suất và độ tin cậy ở tốc độ cao.
Nền tảng của động cơ nam châm vĩnh cửu: Vai trò của nam châm đất hiếm
Động cơ nam châm vĩnh cửu (PM), là một loại động cơ dòng điện xoay chiều, tạo ra từ trường nhờ các nam châm được nhúng hoặc gắn trên bề mặt rôto. Đối với xe điện, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được sử dụng rộng rãi nhờ mật độ mô-men xoắn và hiệu suất cao, khiến nó trở thành một trong những loại động cơ truyền động phổ biến nhất.
Các động cơ thường được trang bị nam châm neodymium (NdFeB), loại nam châm này được gọi là nam châm siêu mạnh trong ngành công nghiệp. Nam châm neodymium có khả năng tạo ra từ trường mạnh đáng kể ngay cả khi có kích thước nhỏ, do từ trường được tập trung với cường độ từ trường cao trên mỗi đơn vị diện tích.
Nhờ hiệu suất cao và mật độ từ thông lớn, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu có thể thu nhỏ kích thước động cơ xuống chỉ còn một phần ba so với các mẫu truyền thống mà vẫn duy trì mức hiệu suất tương đương. Điều này giúp thiết kế xe điện trở nên nhẹ hơn và giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của xe nhờ hiệu suất cao. Bên cạnh đó, tuổi thọ từ tính của nam châm đất hiếm có thể kéo dài khoảng 400 năm, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định trong suốt toàn bộ thời gian sử dụng.
Ngoài nam châm neodymium, nam châm samarium-cobalt (SmCo) cũng được sử dụng trong một số ứng dụng ở nhiệt độ cao. Mặc dù độ từ tính của nam châm SmCo yếu hơn một chút so với nam châm neodymium, nhưng nhờ khả năng chịu nhiệt cao, nó rất phù hợp cho các ứng dụng có nhiệt độ hoạt động thường xuyên vượt quá 150°C. Do nhiệt độ trong môi trường hoạt động của động cơ truyền động xe điện (EV) thường biến động, nên khi lựa chọn nam châm, cần xem xét cả độ từ tính và hiệu suất nhiệt.
IPM và SPM: được xác định bởi vị trí của nam châm
Có hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu, đó là IPM và SPM. Cả hai loại này đều tạo ra từ thông thông qua các nam châm vĩnh cửu, nhưng vị trí lắp đặt nam châm lại khác nhau. IPM nhúng nam châm vào bên trong rôto, trong khi SPM gắn nam châm trực tiếp lên bề mặt rôto. Sự khác biệt về cấu trúc này làm thay đổi các đặc tính hiệu suất, chiến lược điều khiển và lĩnh vực ứng dụng của hai loại động cơ này, đây là một trong những tiêu chí phân loại đặc trưng nhất trong thiết kế động cơ điện.
Về mặt sản xuất, cấu trúc rôto trong SPM tương đối đơn giản. Nam châm được gắn trực tiếp lên bề mặt ngoài của rôto, với một số thiết kế sử dụng ống bọc bằng sợi carbon hoặc thép không gỉ để bảo vệ, giúp ngăn chặn hiện tượng nam châm bị bong ra do lực ly tâm khi quay ở tốc độ cao. Quy trình sản xuất rôto của IPM phức tạp hơn. Việc gia công các rãnh nam châm bên trong lõi là cần thiết vì hiệu suất động cơ có thể bị ảnh hưởng bởi vị trí và độ chính xác góc của các nam châm được nhúng, đây là một trong những lý do dẫn đến chi phí sản xuất cao.
Hình dạng của hai thiết kế nam châm này cũng khác nhau. SPM chủ yếu sử dụng nam châm hình vòng hoặc hình cung, trong khi IPM sử dụng nam châm hình chữ nhật hoặc hình hộp chữ nhật có rãnh gia công. Bên cạnh đó, có các nghiên cứu cho thấy IPM chỉ cần 66,71 TP3T vật liệu nam châm so với SPM, điều này mang lại lợi thế về chi phí trong bối cảnh giá đất hiếm ngày càng tăng.
Sự chuyển đổi do xe hybrid và xe điện mang lại
Hiệu suất tốc độ cao là ưu điểm lớn nhất của IPM, điều này rất quan trọng trong lĩnh vực ứng dụng trên phương tiện giao thông. Mặt khác, đường cong công suất-tốc độ của SPM có dạng hyperbol, có nghĩa là công suất tăng dần cho đến khi đạt mức ổn định trong một dải tốc độ hẹp, và sau đó giảm dần. Trước đây, SPM chiếm ưu thế trên thị trường động cơ nam châm vĩnh cửu, nhưng tình hình đã thay đổi gần đây. Nhu cầu về IPM tăng lên do sự phát triển của xe hybrid và xe điện. Động cơ IPM có khả năng duy trì công suất đầu ra ổn định trong dải tốc độ rộng, do đó phù hợp cho các ứng dụng như động cơ kéo và động cơ phụ.
Ưu điểm của động cơ IPM thể hiện rõ hơn trong các ứng dụng trên phương tiện giao thông, bởi nó cho phép kiểm soát tốt hơn trạng thái từ hóa của mạch từ, từ đó mang lại dải mô-men xoắn rộng hơn và ổn định hơn. Do đó, bằng cách điều chỉnh cường độ dòng điện, có thể kiểm soát hiệu suất hoạt động của động cơ điện – đây là công nghệ thiết yếu trong các hệ thống truyền động của xe điện hiện đại.
Nhu cầu thị trường đối với IPM dự kiến sẽ tăng lên trong thập kỷ tới cùng với tốc độ phổ cập xe điện (EV) ngày càng gia tăng trên toàn cầu. Hầu hết các nền tảng xe điện thế hệ mới của các thương hiệu ô tô lớn đều sử dụng IPM làm động cơ truyền động chính, và xu hướng này được dự báo sẽ củng cố vị thế thống trị của IPM trong lĩnh vực động cơ truyền động.
Các tính chất cấu trúc của SPM
Các nam châm được gắn trên bề mặt rôto, nơi có độ bền cơ học tương đối thấp. Cấu trúc này giới hạn tốc độ cơ học hoạt động an toàn tối đa của động cơ. Ngoài ra, giá trị điện cảm đo được tại đầu rôto là hằng số bất kể vị trí của rôto, điều này khiến việc tạo mô-men xoắn của SPM chủ yếu dựa vào cơ chế mô-men từ duy nhất.
Mặc dù có những hạn chế về hiệu suất này, SPM vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng không yêu cầu độ bền cơ học cao, chẳng hạn như các thiết bị gia dụng và máy bơm nước tốc độ thấp, bởi vì quy trình sản xuất đơn giản và chi phí thấp hơn.
Những ưu điểm về mặt cấu trúc của IPM
Cấu trúc của IPM với nam châm được nhúng bên trong rôto mang lại hiệu suất cơ học cao hơn, do đó, loại động cơ này phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao. Chúng có tỷ số cảm ứng Lq/Ld tương đối cao, đây là chỉ số quan trọng để đo lường sự chênh lệch độ kháng từ dọc theo các trục rôto khác nhau.
Nhờ cấu trúc đặc biệt, IPM có thể tạo ra mô-men xoắn thông qua cả cơ chế mô-men từ và cơ chế mô-men từ trở, giúp nó thích ứng với các nhu cầu khác nhau của xe điện. Nhờ đó, mô-men xoắn đầu ra lý tưởng có thể được duy trì trong mọi điều kiện, từ khi lái xe ở tốc độ thấp trong thành phố cho đến khi di chuyển ở tốc độ cao trên đường cao tốc.
Chiến lược điều khiển mô-men xoắn tối đa trên mỗi ampe (MTPA) thường được áp dụng để tận dụng tối đa lợi thế mô-men xoắn kép của IPM. Cả hai nguồn mô-men xoắn từ tính và mô-men xoắn điện trở đều cần được duy trì ở trạng thái cân bằng thông qua việc điều chỉnh động vectơ dòng điện nhằm đạt được hiệu suất đầu ra tối ưu. Do đó, các thuật toán điều khiển cho IPM, vốn đòi hỏi các cảm biến chính xác hơn và sức mạnh tính toán cao hơn, phức tạp hơn so với các thuật toán dành cho SPM.
Hướng phát triển trong tương lai của IPM và SPM
IPM là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng tốc độ cao như động cơ kéo, vì nó có thể cung cấp mô-men xoắn tương đương với lượng vật liệu nam châm ít hơn. Ngoài mô-men xoắn từ tính, mô-men xoắn từ trở cũng được sử dụng trong IPM để tạo ra mô-men xoắn đầu ra cao. Công nghệ điều khiển vectơ cũng được áp dụng trong IPM để thích ứng với những thay đổi khác nhau về nhu cầu trong quá trình vận hành của các động cơ tốc độ cao.
Khi so sánh các đường cong hiệu suất, SPM có thể đạt hiệu suất cao ở tốc độ thấp và ổn định nhờ thiết kế mạch từ đơn giản, trong khi IPM có thể duy trì hiệu suất cao trong dải tốc độ rộng hơn. Do đó, hiệu suất của IPM cao hơn ở tốc độ cao. IPM có thể duy trì hiệu suất cao trong dải tốc độ rộng bằng cách điều chỉnh trạng thái từ hóa của mạch từ. Các nam châm được bọc kín bên trong rôto và sẽ không bị bung ra do lực ly tâm. Do đó, độ tin cậy cơ học được cải thiện nhờ độ bền cao của cấu trúc rôto tổng thể. IPM có thể tiết kiệm khoảng 30% năng lượng tiêu thụ so với các thiết kế truyền thống ở cùng công suất đầu ra, đây là một lợi thế hấp dẫn đối với ngành công nghiệp xe điện (EV) đang tập trung vào phạm vi di chuyển và hiệu suất năng lượng.
Việc áp dụng công nghệ làm suy yếu từ trường của IPM trong điều kiện vận hành tốc độ cao có thể làm suy yếu từ trường hiệu dụng của rôto sau khi vượt quá tốc độ cơ bản, từ đó giúp động cơ duy trì công suất đầu ra ổn định trong một dải tốc độ rộng hơn. Do đó, hiệu suất cao của xe điện có thể được duy trì, dù là khi leo dốc ở tốc độ thấp hay khi di chuyển ở tốc độ cao, và đây chính là lý do tại sao IPM được ưa chuộng trong lĩnh vực xe năng lượng mới.
Làm thế nào để lựa chọn?
Đối với các ứng dụng không yêu cầu dải tốc độ rộng hoặc ngân sách là yếu tố được ưu tiên hàng đầu, nên lựa chọn SPM do cấu trúc đơn giản và chi phí thấp hơn.
Nếu cần đạt hiệu suất cao trong dải tốc độ rộng, đặc biệt là đối với các ứng dụng đòi hỏi vận hành ở tốc độ cao và mô-men xoắn lớn, chẳng hạn như động cơ truyền động xe điện (EV) hoặc các ứng dụng năng lượng mới, thì nên xem xét sử dụng IPM nhờ hiệu suất ở tốc độ cao, mật độ mô-men xoắn cao hơn và độ tin cậy cơ học tốt hơn.
IPM đảm bảo khả năng tản nhiệt ở một mức độ nhất định nhờ cấu trúc bao bọc lõi, giúp duy trì nhiệt độ nam châm ở mức thấp hơn và ngăn ngừa sự suy giảm hiệu suất từ tính do nhiệt độ cao. Ngược lại, SPM có khả năng tản nhiệt kém do nam châm tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài. Đây cũng là lý do tại sao IPM được ưa chuộng hơn trong các ứng dụng có mật độ công suất cao.
Tóm lại, đối với các ứng dụng có yêu cầu thấp về dải tốc độ và độ ổn định mô-men xoắn, chẳng hạn như các thiết bị gia dụng và máy bơm nước tốc độ thấp, SPM được ưa chuộng hơn nhờ lợi thế về chi phí. Đối với động cơ truyền động hoặc các hệ thống truyền động công nghiệp hoạt động trong dải tốc độ rộng, mặc dù chi phí ban đầu khi sử dụng IPM là cao, nhưng chi phí này có thể được bù đắp nhờ hiệu quả hoạt động được cải thiện trong dài hạn và việc giảm lượng vật liệu nam châm sử dụng.
Trước khi đưa ra quyết định, nên trao đổi với nhà cung cấp vật liệu từ tính về các yêu cầu vận hành, chẳng hạn như tốc độ mục tiêu và giới hạn ngân sách. Điều này sẽ đảm bảo lựa chọn được phương án phù hợp nhất, đồng thời tránh được việc phải thiết kế lại do sự không phù hợp về thông số kỹ thuật trong tương lai.
Vietnamese 
English 
Spanish 
French 
Italian 
Portuguese 
Arabic 
Turkish 
Chinese 
Thai 
Japanese 
Korean