Khám phá động cơ nam châm vĩnh cửu: Khái niệm và phân tích lý thuyết

Khám phá động cơ nam châm vĩnh cửu: Khái niệm và phân tích lý thuyết

Động cơ PM ngày nay cũng đã tham gia vào lĩnh vực Công nghiệp. Không giống như Động cơ cảm ứng, trong động cơ PM, rôto có nam châm gắn kèm tạo ra từ trường khi hoạt động bắt đầu. Bài báo này cung cấp thông tin chi tiết về các khái niệm, nguyên lý và thành phần chính liên quan đến động cơ PM.

I. So sánh động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ cảm ứng

Sự khác biệt cơ bản nhất giữa động cơ PM và động cơ cảm ứng liên quan đến phương pháp tạo từ trường. Động cơ cảm ứng sử dụng từ trường quay được tạo ra trong các cuộn dây stato để tạo ra dòng điện bên trong rôto, sau đó tương tác với từ trường stato để tạo ra lực dẫn động. Một trong những đặc điểm riêng biệt của động cơ cảm ứng là phải có sự chênh lệch vận tốc giữa rôto và từ trường để tạo ra dòng điện. Vì lý do này, chúng hoạt động tốt khi kết hợp với các bộ truyền động tần số thay đổi để đạt được sự thay đổi về tốc độ.

Động cơ nam châm còn được gọi là động cơ PM, tạo ra các trường với sự trợ giúp của nam châm trong rôto và do đó không cần trường stato để liên kết từ thông. Thiết kế thích nghi tự nhiên này mang lại hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng đòi hỏi sự thay đổi tốc độ. Dựa trên vị trí đặt nam châm, có hai dạng chính của động cơ nam châm vĩnh cửu: Động cơ nam châm vĩnh cửu bề mặt và Động cơ nam châm vĩnh cửu bên trong. Độ bền, công suất từ ​​và đặc tính điện từ của động cơ thay đổi tùy theo loại.

II. Từ thông, liên kết từ thông và từ trường

Để hiểu được hoạt động của động cơ PM, chúng ta cần hiểu một số khái niệm quan trọng liên quan đến từ thông, liên kết từ thông và từ trường.

Một trường được tạo ra khi dòng điện chạy qua một dây dẫn. Từ thông là thước đo tốc độ truyền một đặc tính qua một diện tích. Đối với động cơ, từ thông là tốc độ lan truyền của từ trường trên diện tích bề mặt của dây dẫn.

Liên kết từ thông là tương tác của từ trường với vật liệu, giống như đi qua một cuộn dây. Nó phụ thuộc vào số vòng trong cuộn dây và từ thông, thường được biểu diễn bằng ký hiệu ϕ cho biết giá trị của từ thông theo thời gian. Công thức để tìm liên kết từ thông là λ = N × ϕ, trong đó λ là liên kết từ thông, N là số vòng và ϕ là từ thông.

Biểu đồ từ trường cho thấy từ trường di chuyển xung quanh không gian của dây dẫn như thế nào. Trong động cơ nam châm, nam châm được gắn vào bề mặt của rôto để tạo ra từ trường.

III. Độ tự cảm và suất điện động (EMF)

Khi thảo luận về đặc điểm của động cơ PM, điều quan trọng là phải xem xét đến các khái niệm về độ tự cảm và EMF.

Độ tự cảm, L: Là hằng số tỷ lệ của điện áp cảm ứng liên quan đến những thay đổi trong dòng điện. Nói cách khác, độ tự cảm là liên kết từ thông trên một đơn vị dòng điện. Nó liên quan đến các đặc tính hình học: đường đi của dòng điện và được đo bằng Henry (H). Độ tự cảm trong động cơ PM có thể được phân biệt thành độ tự cảm trục d và độ tự cảm trục q theo vị trí của rôto và các cực từ.

Điện áp ngược: Điện áp được tạo ra trong các cuộn dây stato do chuyển động tương đối giữa từ trường của rôto và các cuộn dây stato trong quá trình quay của động cơ. Trong trường hợp động cơ PM, từ trường đến từ các nam châm vĩnh cửu trên rôto; do đó, điện áp sẽ được tạo ra trong các cuộn dây stato trong suốt thời gian rôto chuyển động. Điều này gây ra một điện áp ngược tăng tuyến tính theo sự gia tăng tốc độ của động cơ, do đó trở thành một yếu tố chính trong việc xác định tốc độ hoạt động tối đa của động cơ.

IV. trục d và trục q: Các trục chính trong Điện từ động cơ

Có hai trục quan trọng được sử dụng để mô tả các đặc tính điện từ của động cơ PM.

Trục D (Trục trực tiếp): Nằm dọc theo hướng từ thông chính của động cơ. Độ tự cảm trục D sẽ tương ứng với giá trị độ tự cảm khi từ thông chảy qua cực từ.

Trục Q (Trục vuông góc): Tương ứng với hướng tạo mô-men xoắn chính của động cơ. Độ tự cảm trục Q sẽ tương ứng với giá trị độ tự cảm khi từ thông chảy giữa các cực từ.

Đối với động cơ PM nam châm bên trong, giá trị độ tự cảm trục d và trục q khác nhau vì sự hiện diện của nam châm làm giảm vật liệu lõi dọc theo trục d, do đó làm giảm độ tự cảm. Đối với động cơ PM bề mặt, giá trị độ tự cảm trục d và trục q gần như giống hệt nhau vì nam châm nằm ở bên ngoài rôto và không ảnh hưởng đến kết nối của từ trường stato với lõi.

V. Độ mặn từ và mô-men xoắn từ

Độ nổi từ là thước đo sự thay đổi tương đối của độ tự cảm trục d và trục q liên quan đến vị trí rotor. Một trong những cân nhắc thiết kế quan trọng nhất đối với động cơ PM là độ nổi từ. Trong hầu hết các trường hợp, nó đạt cực đại ở góc điện 90 độ, tại đó sự khác biệt giữa độ tự cảm trục q và trục d là lớn nhất.

Hai thành phần chính của mô men xoắn phát triển trong động cơ PM là mô men xoắn từ và mô men xoắn từ trở. Mô men xoắn từ là do sự tương tác giữa từ thông rotor và dòng điện của cuộn dây stato. Mô men xoắn từ trở có nguồn gốc từ sở thích của trục rotor là được căn chỉnh dọc theo trường từ thông stato. Mô men xoắn đầu ra thực tế của động cơ sẽ được quyết định bởi cả hai.

VI. Biến thiên điện cảm và suy yếu từ thông trong động cơ PM

Sự khác biệt cơ bản nhất trong động cơ PM nằm ở chỗ khi dòng tải tăng, giá trị độ tự cảm trục d và q giảm do bão hòa từ trong vật liệu lõi. Vượt quá một độ lớn từ thông nhất định, độ tự cảm của lõi không tăng thêm nữa và cũng có thể giảm.

Làm yếu từ thông là một kỹ thuật làm giảm trường từ thông để giảm EMF ngược để cho phép tốc độ cao hơn. Thông thường, hoạt động này cần thêm dòng điện trong động cơ và bằng cách thay đổi hướng dòng điện theo trục d, động cơ có thể làm yếu hoặc tăng cường từ thông theo nhu cầu vận hành.

VII. Lựa chọn kết cấu và vật liệu trong động cơ PM

Động cơ PM có thể được chia thành các loại cấu trúc: động cơ nam châm bên trong và động cơ nam châm bề mặt. Mỗi loại cấu trúc của động cơ PM có những ưu điểm và nhược điểm tương đối, sự lựa chọn thường liên quan đến ứng dụng. Ví dụ, trong các ứng dụng như vậy, nơi có nhu cầu về độ bền cơ học cao ở tốc độ cao, lý tưởng sẽ là thiết kế với nam châm được nhúng bên trong rôto, trong khi động cơ nam châm bề mặt dễ nhận biết hơn và có chi phí thấp hơn.

Hiệu suất của động cơ PM phụ thuộc phần lớn vào vật liệu từ tính. Vật liệu từ tính vĩnh cửu thường được sử dụng trong động cơ PM như neodymium iron boron (NdFeB) và samari coban (SmCo) có đặc điểm khác nhau: hiệu suất từ ​​tính và khả năng chịu nhiệt độ cao khác nhau. Về vấn đề này, việc lựa chọn vật liệu từ tính có liên quan sâu sắc đến kịch bản ứng dụng và do đó, cần lựa chọn phù hợp trong quá trình thiết kế động cơ.

VIII. Điều khiển và ứng dụng của PM Motors

Với sự phát triển tiên tiến trong lĩnh vực công nghệ truyền động, các bộ truyền động AC tốc độ thay đổi hiện đại cũng có khả năng tự cảm biến và thậm chí là điều khiển vòng kín bằng cách phát hiện hoặc theo dõi vị trí cực của động cơ để tối đa hóa mô-men xoắn đầu ra và tối ưu hóa hiệu suất. Sơ đồ điều khiển này có nhiều ứng dụng trong động cơ servo được áp dụng trong các ứng dụng điều khiển vị trí, đòi hỏi cả độ chính xác cao và phản ứng tốc độ nhanh.

Động cơ servo thường có thiết kế nam châm vĩnh cửu bên trong và được ghép nối với một bộ khuếch đại cụ thể. Cả hai được tối ưu hóa và điều chỉnh bởi nhà sản xuất, được thiết kế để hoạt động tối ưu. Trong các ứng dụng thực tế, động cơ servo thường được triển khai trong máy CNC, rô bốt và thiết bị tự động hóa.

IX. Hiện tượng khử từ và khả năng bảo vệ của nam châm vĩnh cửu

Mặc dù những vật liệu này được gọi là "nam châm vĩnh cửu", nhưng tên gọi này không phải là vĩnh cửu theo đúng nghĩa. Khi điều kiện bên ngoài thay đổi, ví dụ như ứng suất cơ học, nhiệt độ cao hoặc nhiễu điện từ mạnh, từ tính của chúng có thể yếu đi hoặc mất đi.

Ứng suất cơ học: Nam châm vĩnh cửu có thể mất từ ​​tính do thay đổi cấu trúc bên trong khi chịu tác động mạnh hoặc rơi rớt.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên vật liệu là mỗi vật liệu đều có một nhiệt độ, được gọi là “nhiệt độ Curie”, tại đó vật liệu không còn tính từ nữa.

Tính chất từ ​​của nam châm có thể bị ảnh hưởng và có thể dẫn đến mất từ ​​tính.

Do đó, điều cần thiết là phải xem xét các khía cạnh khử từ này và kết hợp các chiến lược khi phát triển và sử dụng động cơ PM.

X.Enneng： Thúc đẩy sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao

ENNENG là nhà sản xuất động cơ nam châm, một công ty có tên chính thức là Qingdao Enneng Magnet Motor Co., Ltd. Công ty có trụ sở tại khu vực Thanh Đảo của Trung Quốc. Các loại sản xuất bao gồm các loại tiêu chuẩn, phổ biến và tùy chỉnh như không hộp số và có hộp số. Động cơ được sản xuất tại ENPMSM phục vụ cho các ngành công nghiệp trong nhà máy điện, luyện kim, mỏ hóa chất, mỏ và mỏ dầu. Enneng nổi tiếng với sự tập trung vào đổi mới, có một nhóm nghiên cứu và phát triển với các bằng sáng chế kỹ thuật đã mua lại. Cam kết tiến bộ của công ty đã khiến công ty được công nhận là một trong “Trăm doanh nghiệp sáng tạo” nổi bật tại Thanh Đảo.

Kết luận

Động cơ PM rất hiệu quả và chính xác; do đó, nhu cầu của chúng trong các ứng dụng tiêu dùng rất cao. Hiểu được các nguyên lý và khái niệm của các động cơ này rất quan trọng để thiết kế và đảm bảo hiệu suất tốt hơn. Với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng của động cơ PM sẽ tìm thấy nhiều ứng dụng hơn và đóng góp đáng kể vào hệ thống điện.