Hiện nay, nhờ những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và hệ thống điều khiển, xe điện (EV) đã trở thành một trong những giải pháp hàng đầu cho việc bảo vệ môi trường và hướng đến một tương lai bền vững. Trong ứng dụng này, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một trong những lựa chọn hàng đầu nhờ vào mật độ năng lượng cao và hiệu suất vượt trội. Đặc biệt, cấu trúc nam châm vĩnh cửu gắn chìm (IPM) mang lại độ bền cơ học cao hơn, đặc biệt trong các ứng dụng tốc độ cao, và tận dụng tốt mô-men được tạo ra bởi mạch từ. Một yếu tố quan trọng khác trong cấu trúc động cơ là hình dạng các cực từ hoặc cách phân bố các đoạn nam châm trong một cực từ. Các nghiên cứu đã so sánh các thiết kế truyền thống và cho thấy cấu trúc hình chữ V mang lại mật độ năng lượng cao nhất. Ngoài ra, các cấu trúc nhiều lớp đã được đề xuất để cải thiện mật độ năng lượng đồng thời duy trì tính đối xứng của động cơ, giúp đơn giản hóa quá trình chế tạo. Một cách tiếp cận khác trong việc tối ưu hóa động cơ IPM phi truyền thống là áp dụng các cấu trúc bất đối xứng. Phương pháp này nhằm tối ưu hóa mối quan hệ giữa mô-men được tạo ra bởi mạch từ và mô-men do các nam châm tạo ra.
Nghiên cứu này phân tích một thiết kế cho động cơ nam châm vĩnh cửu gắn chìm bất đối xứng (AIPM) có khả năng giảm sự lệch pha giữa hai thành phần mô-men mà không làm giảm mô-men đầu ra so với động cơ IPMSM truyền thống. Thiết kế này giúp cải thiện hiệu quả sử dụng thể tích nam châm đất hiếm. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) được áp dụng để xác minh các phân tích.
Kính mời quý độc giả theo dõi diễn dịch trong từng ảnh của bài đăng.
Khi lựa chọn động cơ điện cho xe, có 3 yêu cầu được đặt ra: thứ nhất, động cơ cần có mật độ năng lượng và hiệu suất cao, đảm bảo sự nhỏ gọn, giảm trọng lượng xe; thứ hai, động cơ cần có khả năng phản ứng nhanh với nhiều kỹ thuật điều khiển, đảm bảo độ an toàn trong vận hành; thứ ba, động cơ cần dải tốc độ rộng, đáp ứng yêu cầu chuyển động của xe. Ba yếu tố này rất phù hợp với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn chìm (IPM). Nhằm gia tăng khả năng tạo momen của động cơ, nhiều nhà thiết kế và nghiên cứu đã hướng tới một số thiết kế phi truyền thống. Trong nghiên cứu này, ta tập chung xem xét kiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn chìm bất đối xứng (AIPM).Ở phía trên, ta có đồ thị 2 thành phần momen chính ở động cơ IPM và AIPM trên hệ trục dq bao gồm: momen nam châm (PM torque) và momen từ trở (reluctance torque), cũng như biểu diễn toán học tương ứng của chúng. Có thể thấy rằng, do thiết kế bất đối xứng, vectơ từ thông Ψ_PM bị lệch khỏi trục D một góc α_s. Từ công thức, góc lệch giữa giá trị cực đại của momen nam châm và momen từ lực trong động cơ IPM là β, trong khi đối với AIPM là β-α_s. Điều này có nghĩa là các góc dòng điện tương ứng với giá trị cực đại của momen nam châm vĩnh cửu và momen từ trở trong cấu trúc AIPM gần nhau hơn so với trong cấu trúc IPM. Tổng momen là tổng của các thành phần momen, do đó tổng momen sẽ được tăng cường. Một ví dụ về đặc tính momen từ một nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật dịch chuyển từ trường cho thấy rằng, trong cấu trúc AIPM, các thành phần momen đạt giá trị cực đại gần nhau hơn so với trong cấu trúc IPM, dẫn đến momen tổng hợp của các thành phần mô-men trong AIPM cao hơn so với IPM.Quá trình thực hiện nghiên cứu này được chia làm ba bước. Đầu tiên, một động cơ IPM truyền thống được thiết kế phục vụ cho một ứng dụng xe ô tô điện. Sau đó, dựa trên cấu trúc IPM, một động cơ AIPM được đề xuất nhằm gia tăng momen điện từ và tuân thủ 2 ràng buộc sau: thể tích và độ dày nam châm không đổi; dây quấn và lõi thép stato được giữ nguyên đối với cả 2 cấu trúc. Cuối cùng, 2 cấu trúc IPM và AIPM được so sánh ở các khía cạnh sau: đồ thị thành phần momen, thông số vận hành, bản đồ hiệu suất, mật độ từ thông khe hở không khí và suất điện động cảm ứng.Trong quá trình thiết kế nam châm ở cả 2 mô hình IPM và AIPM, có 2 tham số chính được quan tâm trên 1 cực nam châm: góc giữa 2 nam châm (θma) và tỉ lệ độ dài giữa 2 phân đoạn nam châm đối với động cơ AIPM (Ppm). Sử dụng momen làm hàm mục tiêu tối đa, ta lựa chọn được các giá trị tối ưu trong bảng, dựa vào đồ thị sự phụ thuộc của momen bên dưới.
Bên trái là đồ thị 2 thành phần momen của động cơ IPM (màu xanh) và AIPM (màu cam) theo giá trị góc dòng điện. Ta có thể thấy hiệu ứng bất đối xứng xuất hiện khi mà góc lệch giữa điểm cực đại của momen nam châm và momen từ trở là 50 độ điện đối với động cơ AIPM, gần hơn 10 độ điện so với IPM. Tuy nhiên, độ đập mạch momen tổng của động cơ AIPM (8.1%) lớn hơn động cơ IPM (7.3%).Xét về các giá trị momen, tuy giá trị momen từ trở cực đại và momen nam châm cực đại của động cơ AIPM nhỏ hơn so với thành phần tương ứng của động cơ IPM. Song momen tổng của động cơ AIPM lớn hơn IPM 6.4%, điều này có được nhờ vị trí gần nhau hơn của 2 thành phần momen. Về phân bố hiệu suất, 2 cấu trúc có đặc điểm tương đối giống nhau.Về mật độ từ thông khe hở không khí, cấu trúc AIPM cho trị số lớn hơn IPM, đặc biệt THD của AIPM gấp đôi IPM. Hiện tượng tương tự đối với suất điện động cảm ứng pha.Nhìn chung, nhờ hiệu ứng bất đối xứng, động cơ AIPM cho đầu ra momen tổng lớn hơn động cơ IPM, mặc dù trị số của 2 momen thành phần nhỏ hơn. Tuy nhiên, động cơ AIPM cũng xuất hiện độ đập mạch momen, từ thông khe hở không khí và suất điện động cảm ứng lớn hơn đáng kể khi so với cấu trúc IPM. Điều này có thể ảnh hưởng tới chất lượng hoạt động của động cơ và cần xem xét tới trong quá trình lựa chọn thiết kế. Nghiên cứu đã đề xuất lần lượt 2 cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn chìm truyền thống và bất đối xứng. Sau đó, thực hiện so sánh chúng qua các tiêu chí vận hành. Trong tương lai, hướng nghiên cứu có thể tập chung vào việc tối ưu nhằm hạn chế tác hại về sóng hài mà vẫn cải thiện được momen đầu ra.
