Động cơ điện thúc đẩy huyết mạch của ngành công nghiệp hiện đại, và trong số đó, Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đang nổi lên như một giải pháp vượt trội trong nhiều lĩnh vực. Chúng mang lại những ưu điểm gì so với các động cơ truyền thống? Những thiết kế khéo léo nào ẩn chứa trong cấu trúc của chúng? Những chiến lược điều khiển độc đáo nào khiến chúng nổi bật? Bài viết này cung cấp một phân tích toàn diện về cấu trúc, nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển và ứng dụng của PMSM.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một loại động cơ đồng bộ trong đó từ trường kích từ được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu. So với các động cơ đồng bộ kích từ điện truyền thống, PMSM loại bỏ nhu cầu về các cuộn dây kích từ và nguồn điện bổ sung, dẫn đến cấu trúc nhỏ gọn hơn và hiệu quả cao hơn. Khi so sánh với động cơ cảm ứng, PMSM cung cấp mật độ công suất cao hơn, tỷ lệ mô-men xoắn trên quán tính và độ chính xác điều khiển, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các bộ truyền động servo hiệu suất cao, xe điện, phát điện gió và các ứng dụng khác.
PMSM chủ yếu bao gồm hai phần: stato và roto. Mặc dù cấu trúc cơ bản của chúng tương tự như các động cơ đồng bộ thông thường, nhưng thiết kế roto thể hiện sự đổi mới cốt lõi của chúng.
Stato, thành phần cố định của PMSM, chủ yếu bao gồm lõi stato và cuộn dây stato. Lõi stato thường được cán từ các tấm thép silicon để giảm thiểu tổn thất sắt. Cuộn dây stato được nhúng trong các rãnh của lõi stato, tạo thành các cuộn dây AC đa pha, với cấu hình hai pha và ba pha là phổ biến nhất. Dựa trên sự phân bố cuộn dây, cuộn dây stato có thể được phân loại là:
Cuộn dây phân bố có nhiều rãnh trên mỗi cực trên mỗi pha (Q=2,3,...k). Ưu điểm của chúng nằm ở việc triệt tiêu hiệu quả các sóng hài bậc cao và cải thiện hiệu suất động cơ, mặc dù độ phức tạp trong sản xuất tăng lên.
Cuộn dây tập trung sử dụng một rãnh trên mỗi cực trên mỗi pha (Q=1). Mặc dù dễ sản xuất hơn, chúng tạo ra hàm lượng sóng hài cao hơn, đòi hỏi các biện pháp bổ sung để triệt tiêu sóng hài.
Roto, thành phần quay, có nam châm vĩnh cửu là sự đổi mới chính của nó. Dựa trên vị trí đặt nam châm, PMSM được phân loại là:
Trong SPMSM, nam châm được gắn trực tiếp trên bề mặt roto. Thiết kế này tạo ra từ trường khe hở không khí gần hình sin và đơn giản hóa thiết kế thông số điện cảm, nhưng lại có độ bền cơ học thấp hơn và nam châm dễ bị ảnh hưởng bởi khe hở không khí.
IPMSM nhúng nam châm bên trong roto, mang lại độ bền cơ học vượt trội và khả năng sử dụng mô-men từ trở để tăng mật độ mô-men xoắn. Tồn tại nhiều cấu hình nam châm bên trong khác nhau, bao gồm các kiểu sắp xếp một lớp, nhiều lớp và kiểu chữ V.
Phân loại thêm dựa trên tỷ lệ độ lồi chia PMSM thành:
PMSM hoạt động thông qua sự tương tác giữa từ trường quay của stato và từ trường nam châm vĩnh cửu của roto. Khi dòng điện AC đa pha đối xứng chạy qua cuộn dây stato, nó tạo ra một từ trường quay. Từ trường nam châm vĩnh cửu của roto đồng bộ với từ trường quay này, tạo ra mô-men xoắn thúc đẩy sự quay. Hoạt động đồng bộ xảy ra khi tốc độ roto khớp với tốc độ quay của từ trường stato.
Tương tự như động cơ cảm ứng, dòng điện AC ba pha trong cuộn dây stato PMSM tạo ra một từ trường quay. Tốc độ quay của từ trường phụ thuộc vào tần số nguồn điện và số cặp cực stato:
n = 60f / p
Trong đó n là tốc độ quay (vòng/phút), f là tần số (Hz) và p là số cặp cực.
Sự tương tác giữa từ trường nam châm vĩnh cửu của roto và từ trường quay của stato tạo ra mô-men xoắn điện từ. Độ lớn mô-men xoắn phụ thuộc vào cường độ từ trường, mối quan hệ góc của chúng và các thông số cấu trúc động cơ. SPMSM chủ yếu tạo ra mô-men xoắn nam châm vĩnh cửu, trong khi IPMSM tạo ra cả mô-men xoắn nam châm vĩnh cửu và mô-men từ trở do thiết kế cực lồi của chúng.
Điều khiển PMSM nhằm mục đích điều chỉnh chính xác tốc độ, mô-men xoắn và vị trí. Với bản chất phi tuyến, liên kết chặt chẽ của chúng, việc điều khiển PMSM đặt ra những thách thức độc đáo. Các phương pháp điều khiển phổ biến bao gồm:
Phương pháp đơn giản này điều khiển tốc độ động cơ bằng cách duy trì tỷ lệ điện áp trên tần số không đổi. Mặc dù tiết kiệm chi phí, nó cung cấp độ chính xác và hiệu suất động hạn chế, khiến nó không phù hợp với các ứng dụng hiệu suất cao.
Kỹ thuật tiên tiến này phân tách dòng điện stato thành các thành phần kích từ và mô-men xoắn để điều khiển độc lập. FOC mang lại độ chính xác cao và phản hồi động nhưng yêu cầu các thuật toán phức tạp liên quan đến các phép biến đổi tọa độ và xác định thông số.
Sử dụng từ thông roto làm tham chiếu, phương pháp này phân tách dòng điện stato thành các thành phần trục d và trục q để điều khiển kích từ và mô-men xoắn riêng biệt, cho phép phản hồi mô-men xoắn nhanh nhưng yêu cầu dữ liệu vị trí roto chính xác.
Biến thể này sử dụng từ thông stato làm tham chiếu, loại bỏ sự phụ thuộc trực tiếp vào vị trí roto nhưng làm tăng độ phức tạp của thuật toán.
DTC điều chỉnh trực tiếp mô-men xoắn bằng cách điều khiển các vector điện áp stato để khớp với các giá trị mô-men xoắn và từ thông tham chiếu. Mặc dù có cấu trúc đơn giản với động lực học tuyệt vời, nó tạo ra độ gợn mô-men xoắn đáng kể, đòi hỏi các biện pháp giảm thiểu.
Loại bỏ cảm biến vị trí giúp giảm chi phí và độ phức tạp. Các kỹ thuật không cảm biến phổ biến bao gồm:
Phương pháp này ước tính vị trí roto từ các quan sát sức điện động ngược nhưng gặp khó khăn ở tốc độ thấp do biên độ tín hiệu nhỏ dễ bị nhiễu.
Bằng cách tiêm các tín hiệu tần số cao và theo dõi các biến thể điện cảm do các hiệu ứng lồi gây ra, phương pháp này hoạt động tốt đối với IPMSM nhưng đòi hỏi tần số chuyển mạch cao hơn.
Được sử dụng cho PMSM có sức điện động ngược hình thang, phương pháp đơn giản này tạo ra độ gợn mô-men xoắn đáng kể. Các triển khai vòng kín yêu cầu cảm biến Hall để phản hồi vị trí.
So với động cơ cảm ứng truyền thống, PMSM cung cấp:
Loại bỏ dòng kích từ làm giảm tổn thất, đặc biệt đáng chú ý khi tải nhẹ. Các nghiên cứu cho thấy PMSM đạt được hiệu suất cao hơn khoảng 2% so với động cơ cảm ứng hiệu suất cao (IE3) trong các điều kiện tương đương.
Nam châm vĩnh cửu năng lượng cao cho phép từ trường mạnh hơn trong các kích thước nhỏ gọn, cung cấp nhiều năng lượng hơn trên một đơn vị thể tích.
Thiết kế roto nhỏ gọn với quán tính thấp tạo điều kiện cho các hoạt động khởi động-dừng và tăng tốc nhanh chóng, tăng cường phản hồi động.
Các phương pháp điều khiển tiên tiến như FOC và DTC cho phép điều chỉnh chính xác tốc độ, mô-men xoắn và vị trí, đáp ứng các ứng dụng servo khắt khe.
PMSM vượt trội trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
Lý tưởng cho các hệ thống đẩy EV, PMSM cải thiện phạm vi và khả năng tăng tốc. Các nhà sản xuất lớn như Tesla và BYD đã áp dụng công nghệ này.
Tuabin gió PMSM truyền động trực tiếp loại bỏ hộp số, giảm tổn thất cơ học và bảo trì đồng thời cải thiện độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt.
Là các thành phần cốt lõi trong các hệ thống servo hiệu suất cao, PMSM đáp ứng các yêu cầu khắt khe của robot công nghiệp và máy công cụ CNC.
Được sử dụng rộng rãi trong máy điều hòa không khí, máy giặt và tủ lạnh dựa trên biến tần, PMSM tăng cường hiệu quả năng lượng đồng thời giảm tiếng ồn và kéo dài tuổi thọ.
Với hiệu quả, mật độ công suất và độ chính xác điều khiển vượt trội, PMSM đại diện cho một bước tiến đáng kể trong công nghệ động cơ. Khi vật liệu nam châm vĩnh cửu và thuật toán điều khiển tiếp tục phát triển, các ứng dụng sẽ mở rộng hơn nữa sang di động điện, sản xuất thông minh và hàng không vũ trụ. Nghiên cứu đang diễn ra trong thiết kế động cơ, chiến lược điều khiển và kỹ thuật không cảm biến hứa hẹn sẽ thúc đẩy sự phát triển liên tục của PMSM.
Người liên hệ: Mr. Alex Yip
Tel: +86 2386551944
