Nghiên cứu về cải thiện mật độ mô men của máy điện từ trở

Máy điện từ trở (reluctance machine) là loại máy điện hoạt động dựa trên nguyên lý sự khác biệt về từ trở và điện cảm… 106 trang · Đại học Đà Nẵng · 2022.

• Tác giả: Ngô Đức Kiên
• Người hướng dẫn: Hsieh Min-Fu
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Cải Thiện Mật Độ Mô-Men Cho Máy Điện Từ Trở
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài khoa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ
• 2.1. PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ
• 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO MẬT ĐỘ MÔ-MEN CỦA MÁY ĐIỆN TỬ TRỞ
• 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• 3.1. Mô hình toán học của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• 3.2. Mô hình toán học của máy điện từ trở đồng bộ
• 3.3. Mô hình toán học của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ
• 3.4. Mô hình toàn học của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thông tăng cường
• 4. THIẾT KẾ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 4.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH BAN ĐẦU
• 4.1.1. Rào chắn từ thông xẻ (CFB)
• 4.1.2. Rào chắn từ thông trong (IFB)
• 4.2. TỐI ƯU ĐẶC TÍNH MÔ-MEN
• 4.2.1. Dịch chuyển rào chắn từ thông xẻ (CFB)
• 4.2.2. Góc dịch chuyển của CFB (độ cơ)
• 4.2.3. Dịch chuyển của rào chắn từ thông nam châm (MFB)
• 4.2.4. Mở rộng rào chắn từ thông nam châm (CFB)
• 4.2.5. Mở rộng MFB với sự dịch chuyển của nam châm vĩnh cửu
• 4.2.6. Tổng hợp kết quả và lựa chọn phương án tối ưu đặc tính mô-men
• 5. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ THIẾT KẾ ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ SỬ DỤNG CƠ CHẾ TỪ THÔNG TĂNG CƯỜNG
• 5.1. CÁC MÔ HÌNH ĐƯỢC KHẢO SÁT
• 5.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NAM CHÂM VĨNH CỬU RÀO CHẮN TỪ THÔNG ĐẾN HIỆU NĂNG
• 5.2.1. Phân bố từ trường trong máy điện
• 5.2.2. Sự biến đổi của điện cảm
• 5.2.3. Sự biến đổi của mô-men
• 6. CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN CỦA MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ SỬ DỤNG CƠ CHẾ TỪ THÔNG TĂNG CƯỜNG
• 6.1. SỰ KHỬ TỪ CỤC BỘ
• 6.2. KHẢ NĂNG CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN
• 7. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 8. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy điện từ trở

Máy điện từ trở (reluctance machine) là loại máy điện hoạt động dựa trên nguyên lý sự khác biệt về từ trở và điện cảm giữa các trục. Loại máy này không sử dụng dây quấn trên rotor mà thay vào đó là các rào chắn từ thông. Thiết kế đầu tiên của máy điện từ trở đồng bộ được công bố vào năm 1923. Mặc dù máy điện từ trở có lợi thế trong việc giảm tổn thất dây quấn, nhưng hiệu suất của nó vẫn chưa thực sự ấn tượng. Để cải thiện hiệu suất, các nhà nghiên cứu đã thêm các thanh nam châm vào các rào chắn từ thông, tạo ra máy điện từ trở nam châm vĩnh cửu hỗ trợ. Việc này không làm thay đổi bản chất của máy điện từ trở mà chỉ cải thiện hiệu suất, giúp tăng mật độ mô-men. Việc cải thiện mật độ mô-men là một thách thức lớn đối với máy điện từ trở, và các phương pháp nâng cao mật độ mô-men sẽ được thảo luận trong các phần tiếp theo.

1.1 Phân loại máy điện từ trở

Máy điện từ trở có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc và nguyên lý hoạt động. Một trong những loại phổ biến nhất là máy điện từ trở đồng bộ, trong đó rotor không có dây quấn mà chỉ có các rào chắn từ thông. Việc sử dụng các rào chắn từ thông giúp tạo ra sự khác biệt về từ trở và điện cảm, từ đó tạo ra mô-men. Các loại máy điện từ trở khác nhau có thể có cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác nhau, nhưng đều dựa trên nguyên lý cơ bản là sự khác biệt về từ trở. Việc phân loại này giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư hiểu rõ hơn về các đặc tính và ứng dụng của từng loại máy điện từ trở.

II. Các phương pháp nâng cao mật độ mô men

Để cải thiện mật độ mô-men của máy điện từ trở, có hai phương pháp chính được áp dụng. Thứ nhất, các nhà thiết kế có thể tập trung vào việc tăng sự khác biệt giữa từ trở và điện cảm dọc và ngang trục, hay còn gọi là làm tăng 'saliency'. Việc này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều lớp chắn từ thông hơn trong rotor hoặc sử dụng các lá thép dọc trục ghép chồng lên nhau. Thứ hai, việc bổ sung các thanh nam châm vào các rào chắn từ thông cũng giúp cải thiện mật độ mô-men. Mục tiêu của các phương pháp này là gia tăng lượng mô-men mà máy điện có thể tạo ra, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của máy điện từ trở. Việc cải thiện mật độ mô-men không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm kích thước máy điện, phù hợp với các ứng dụng hiện đại.

2.1 Tăng cường saliency

Việc tăng cường 'saliency' là một trong những phương pháp quan trọng để cải thiện mật độ mô-men. 'Saliency' đóng vai trò cốt lõi trong nguyên lý làm việc của máy điện từ trở đồng bộ. Để thực hiện việc này, các nhà thiết kế có thể sử dụng nhiều lớp chắn từ thông trong rotor hơn so với bình thường. Điều này giúp tạo ra sự khác biệt lớn hơn giữa từ trở và điện cảm, từ đó gia tăng mô-men. Việc sử dụng các lá thép dọc trục ghép chồng lên nhau cũng là một phương pháp hiệu quả để tạo ra 'saliency' lớn hơn, giúp cải thiện mật độ mô-men của máy điện từ trở.

III. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp nâng cao mật độ mô-men đã mang lại những cải thiện đáng kể trong hiệu suất của máy điện từ trở. Các mô hình máy điện từ trở sử dụng cơ chế từ thông tăng cường đã cho thấy khả năng tạo ra mô-men lớn hơn so với các mô hình truyền thống. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu mà còn có thể được áp dụng trong thực tiễn, đặc biệt là trong ngành công nghiệp chế tạo máy điện. Việc cải thiện mật độ mô-men sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

3.1 Ứng dụng trong công nghiệp

Các kết quả nghiên cứu về máy điện từ trở có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Việc cải thiện mật độ mô-men sẽ giúp các nhà sản xuất chế tạo ra các máy điện có kích thước nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay, khi mà nhu cầu về các thiết bị điện nhỏ gọn và hiệu quả ngày càng tăng. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu cũng có thể được sử dụng để phát triển các sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu của thị trường và nâng cao khả năng cạnh tranh của các doanh nghiệp trong ngành chế tạo máy điện.

Nội dung chính

Nghiên cứu Cải thiện Mật độ Mô-men của Máy điện Từ trở Sử dụng Cơ chế Từ thông Tăng cường (FI-PMa-SynRM)

---

Tóm tắt nghiên cứu (200-250 từ)

Nghiên cứu khoa học "Cải thiện mật độ mô-men cho máy điện từ trở" (Mã số đề tài: T2021-06-02, do TS. Ngô Đức Kiên chủ nhiệm cùng nhóm nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng phối hợp với Đại học Quốc gia Thành Công, Đài Loan) tập trung giải quyết bài toán trọng tâm: Làm thế nào để nâng cao vượt trội mật độ mô-men của máy điện từ trở đồng bộ trong khi giảm thiểu tối đa khối lượng nam châm đất hiếm và loại bỏ nguy cơ khử từ không thể phục hồi?

Nhóm tác giả đã đề xuất và phân tích cấu hình máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thông tăng cường (FI-PMa-SynRM). Bằng phương pháp mô hình hóa toán học trên hệ tọa độ $d-q$, phân tích trường điện từ phần tử hữu hạn (FEA) 2D độ chính xác cao trên phần mềm chuyên dụng JMAG, kết hợp thử nghiệm thực nghiệm trên mẫu thử vật lý, nghiên cứu đã tối ưu hóa hình học rotor với rào chắn từ thông xẻ (CFB), rào chắn từ thông trong (IFB) và rào chắn từ thông nam châm (MFB).

Kết quả chỉ ra rằng với lượng nam châm vĩnh cửu chiếm tỷ lệ siêu nhỏ chỉ 0,72% thể tích máy điện, mô hình FI-PMa-SynRM tối ưu hóa đạt mô-men trung bình 15,95 Nm và giảm độ nhấp nhô mô-men (torque ripple) xuống 11,18%, đồng thời triệt tiêu nguy cơ khử từ cục bộ. Công trình mở ra hướng phát triển thế hệ động cơ điện hiệu suất cao, giá thành thấp, thích ứng với năng lực chuỗi cung ứng tại Việt Nam.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng (300-350 từ)

Bối cảnh công nghệ và rào cản hiện hữu

Trong xu thế chuyển dịch năng lượng và điện khí hóa giao thông toàn cầu, động cơ điện hiệu suất cao với mật độ công suất và mật độ mô-men lớn đóng vai trò then chốt. Tại Việt Nam, máy điện không đồng bộ (Induction Machine) vẫn chiếm tỷ trọng chi phối nhờ độ bền và giá thành thấp. Tuy nhiên, loại máy này có nhược điểm cố hữu là tổn thất đồng trên rotor lớn, kích thước cồng kềnh và hiệu suất giới hạn.

Ngược lại, máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu truyền thống (PMSM) đạt mật độ mô-men cao nhưng lại phụ thuộc nặng nề vào nam châm đất hiếm (như NdFeB). Điều này dẫn đến chi phí nguyên vật liệu đắt đỏ, rủi ro đứt gãy chuỗi cung ứng và hiện tượng khử từ không thể phục hồi (irreversible demagnetization) khi vận hành ở nhiệt độ cao hoặc dòng quá tải.

Khoảng trống nghiên cứu và tính cấp thiết

Máy điện từ trở đồng bộ (SynRM) là giải pháp thay thế hấp dẫn nhờ rotor không cuộn dây, triệt tiêu tổn thất đồng rotor. Tuy nhiên, SynRM thuần túy có mật độ mô-men thấp và hệ số công suất kém. Việc bổ sung nam châm hỗ trợ thông thường (PMa-SynRM) thường đưa nam châm vào sâu trong các rào chắn từ thông dọc theo trục $q$, nơi từ trường phản ứng phần ứng có xu hướng đối kháng và dễ gây khử từ nam châm.

Cơ chế từ thông tăng cường (Flux Intensifying - FI) bố trí nam châm trên trục $d$ sao cho từ thông phần ứng cùng chiều hỗ trợ từ thông nam châm, nhưng việc ứng dụng cơ chế này trên nền tảng máy điện từ trở đồng bộ có kết cấu rào chắn tối ưu vẫn chưa được đánh giá thấu đáo. Nghiên cứu này lấp đầy khoảng trống học thuật và kỹ thuật trên, tạo tiền đề công nghệ tự chủ cho ngành chế tạo máy điện trong nước.

---

Methodology và tiếp cận nghiên cứu (350-400 từ)

Khung thiết kế và phương pháp tiếp cận

Nghiên cứu ứng dụng quy trình tiếp cận đa tầng: từ xây dựng mô hình giải tích toán học lý thuyết, phân tích mô phỏng trường điện từ số trị chi tiết đến kiểm chứng thực nghiệm độc lập.

Mô hình hóa giải tích (d-q frame) 
Mô phỏng phần tử hữu hạn FEA (JMAG) 
Tối ưu hóa đa thông số (CFB, IFB, MFB) 
Nghiên cứu đối chứng (Ablation Study: 4 cấu hình) 
Kiểm chứng thực nghiệm (Lab NCKU, Taiwan)

1. Mô hình toán học trên hệ trục $d-q$: Xây dựng hệ phương trình điện áp, từ thông móc vòng và mô-men điện từ riêng biệt cho 4 lớp máy điện (PMSM, SynRM, PMa-SynRM, và FI-PMa-SynRM). Với FI-PMa-SynRM, từ thông dọc trục được mô tả bởi $\lambda_d = L_d i_d + \lambda_m$ và biểu thức mô-men tổng quát: $$T = \frac{3}{2} p \left[ \lambda_m I_q + (L_d - L_q) I_d I_q \right]$$ Khác biệt mấu chốt là điều kiện mô-men cực đại trên mỗi ampe (MTPA) đạt được ở miền góc dòng điện âm ($I_d > 0$), giúp trợ từ trực tiếp cho nam châm.

2. Mô phỏng trường điện từ phần tử hữu hạn (FEA): Sử dụng phần mềm phân tích điện từ trường chuyên sâu JMAG Corporation (Nhật Bản). Mô hình được chia lưới mịn với độ chính xác cao:

   • FI-PMa-SynRM: 12.467 phần tử, 6.712 nút.
   • Inset SPMSM: 10.147 phần tử, 5.553 nút.
   • SynRM model: 12.615 phần tử, 6.786 nút.
   • Modified SynRM: 11.845 phần tử, 6.396 nút.

Thông số kết cấu	Ký hiệu / Đơn vị	Giá trị thiết kế
Số đôi cực	$p$	2 (4 cực)
Bán kính ngoài Stator / Rotor	$R_{so} / R_{ro}$	80 mm / 47 mm
Khe hở không khí	$g$	0,5 mm
Chiều dài lõi thép	$L_{stk}$	32 mm
Vật liệu Stator / Rotor	-	20CS1500HF / 50CS1300
Vật liệu nam châm	Loại	N35H ($1,5 \times 24$ mm)
Thể tích máy điện / Nam châm	$V_{total} / V_{mag}$	0,6434 L / 0,0046 L (0,72%)

3. Phương pháp phân tích phân tách độc lập (Ablation / Decoupling Analysis): Nhờ cấu trúc nam châm chôn trên bề mặt (inset) tách biệt cơ học với hệ rào chắn từ bên trong, nhóm nghiên cứu đã phân lập chính xác tỷ lệ đóng góp của mô-men từ trở thuần túy và mô-men tương tác nam châm.

4. Đo đạc kiểm chứng thực nghiệm: Thực hiện trên mẫu thử vật lý tại phòng thí nghiệm của GS. Min-Fu Hsieh (Đại học Quốc gia Thành Công, Đài Loan) ở dòng điện hiệu dụng 32,5 A và góc dòng điện $-55^\circ$, phân tích phổ sóng hài dòng điện (FFT) và so sánh trực tiếp dạng sóng mô-men đo được với kết quả mô phỏng FEA.

---

Phát hiện chính của nghiên cứu (400-450 từ)

1. Tối ưu hóa rào chắn từ thông và giảm sóng hài mô-men

Qua việc quét tham số hình học (parametric sweep), nghiên cứu xác định quy luật đáp ứng của mô-men đối với các rào chắn từ thông:

• Rào chắn từ thông xẻ (CFB): Độ dày CFB tăng từ 0,5 mm đến 6 mm hầu như không làm suy giảm mô-men trung bình nhưng tác động mạnh mẽ đến biên độ dao động mô-men.
• Rào chắn từ thông trong (IFB): Khi tăng chiều dày IFB lên trên 2,5 mm, độ nhấp nhô mô-men giảm đột ngột và ổn định ở mức tối ưu tại 5,5 mm.
• Dịch chuyển và mở rộng MFB: Phương án tối ưu nhất là mở rộng MFB với góc dịch chuyển $\theta_{3m} = -1^\circ$ (góc cơ) kết hợp dịch chuyển thanh nam châm. Cấu hình này giúp động cơ đạt mô-men trung bình 15,95 Nm và giảm độ nhấp nhô mô-men xuống mức ấn tượng 11,18%.

    [Đặc tính mô-men theo các phương án tối ưu hình học MFB]
    Mô-men trung bình (Tavg): Ổn định ở mức cao (~15.95 Nm)
    Độ nhấp nhô mô-men (Ripple): Giảm sâu nhất tại góc -1 độ cơ (11.18%)

2. Tác động phân tách giữa rào chắn từ và nam châm vĩnh cửu

So sánh đối chứng không tải giữa FI-PMa-SynRM và Inset SPMSM cho thấy một phát hiện then chốt: Từ thông móc vòng của nam châm trong Inset SPMSM lớn hơn trong FI-PMa-SynRM. Điều này chứng minh các lớp rào chắn từ thông bên trong đã tái phân bố lại mật độ từ thông, định hướng đường sức từ đi qua các cực dẫn từ, tăng cường độ lồi từ trở (saliency ratio $L_d/L_q$) mà không làm bão hòa cục bộ mạch từ.

3. Vượt trội về mật độ mô-men thể tích

So sánh định lượng giữa cấu hình đề xuất FI-PMa-SynRM và Modified SynRM cho thấy sự bứt phá vượt bậc:

• Mật độ mô-men thể tích: Đạt mức 24,79 kNm/m³ ở FI-PMa-SynRM so với 21,53 kNm/m³ ở Modified SynRM (cải thiện hơn 15,1%).
• Mật độ mô-men khối lượng: Đạt 13,45 Nm/kg so với 10,98 Nm/kg (cải thiện hơn 22,5%). Sự gia tăng này đạt được chỉ với việc bổ sung 0,0046 L nam châm N35H (chiếm 0,72% thể tích).

4. Khả năng triệt tiêu nguy cơ khử từ không hồi phục

Quan sát mật độ từ cảm $B$ tại các điểm tới hạn trên thanh nam châm N35H ở chế độ tải cực đại (MTPA tại góc dòng điện $-55^\circ$) khẳng định: Từ trường do dòng stator tạo ra dọc trục $d$ có tác dụng trợ từ (flux intensifying), giúp điểm làm việc của nam châm luôn nằm an toàn phía trên đầu gối đường cong khử từ ($B-H curve$), bảo toàn từ tính vĩnh cửu trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.

---

Đóng góp khoa học và giá trị ứng dụng (250-300 từ)

Đóng góp về mặt lý thuyết và học thuật

• Sáng tỏ cơ chế điện từ học của FI-PMa-SynRM: Cung cấp bức tranh toàn diện về sự tương hỗ và phân tách độc lập giữa mô-men từ trở ($T_{rel}$) và mô-men nam châm ($T_{mag}$) trong cấu trúc rotor chôn bề mặt kết hợp rào chắn đa lớp.
• Hoàn thiện mô hình toán học và tối ưu hóa hình học: Đưa ra công thức tính toán và phương pháp định cỡ góc tiếp tuyến cho CFB, IFB, MFB nhằm triệt tiêu sóng hài bậc cao của lực điện từ.
• Công bố quốc tế uy tín: Toàn bộ kết quả cốt lõi của đề tài đã được thẩm định và xuất bản trên tạp chí khoa học quốc tế uy tín thuộc danh mục SCIE (Nhóm Q2).

Đóng góp thực tiễn và định hướng chính sách công nghiệp

• Lời giải cho bài toán chi phí chế tạo: Giảm hơn 80-90% khối lượng nam châm đất hiếm so với động cơ PMSM thông thường cùng công suất, mở đường cho việc ứng dụng nam châm Ferrite giá rẻ.
• Tự chủ công nghệ tại Việt Nam: Cấu trúc rotor lá thép dập kết hợp nam châm thanh phẳng đơn giản hoàn toàn tương thích với dây chuyền công nghệ gia công cơ khí - điện tử hiện có tại Việt Nam.
• Phục vụ đào tạo chuyên sâu: Cung cấp học liệu thực nghiệm, mô hình số hóa phục vụ giảng dạy đại học và sau đại học ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa tại Đại học Đà Nẵng.

---

Đối tượng quan tâm và giá trị mang lại (200-250 từ)

• Nhà nghiên cứu học thuật và Giảng viên ngành Kỹ thuật Điện: Tiếp cận bộ dữ liệu phân tích phần tử hữu hạn mẫu, phương pháp mô hình hóa máy điện dị hướng cao và tài liệu tham khảo chuẩn mực cho các đề tài máy điện từ trở tiên tiến.
• Kỹ sư R&D và Nhà sản xuất Thiết bị Điện / Xe điện (EV): Sở hữu giải pháp thiết kế động cơ truyền động có mật độ mô-men cao, khả năng quá tải tốt, loại bỏ rủi ro hư hỏng do nhiệt độ làm mất từ tính nam châm, giúp tối ưu giá thành sản phẩm thương mại.
• Các nhà hoạch định chính sách và Quản lý Năng lượng: Có căn cứ khoa học vững chắc để định hướng tiêu chuẩn hiệu suất năng lượng động cơ công nghiệp (IE4, IE5), thúc đẩy các giải pháp giảm phát thải và giảm phụ thuộc vào nguồn tài nguyên khoáng sản đất hiếm nhập khẩu.

---

Các câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của đề tài này là gì?

Trả lời: Đề tài chứng minh rằng chỉ cần sử dụng một lượng nam châm đất hiếm siêu nhỏ (0,72% thể tích máy điện) bố trí theo cơ chế từ thông tăng cường kết hợp rào chắn từ tối ưu, mật độ mô-men của máy điện từ trở tăng hơn 22,5% trong khi triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ khử từ không hồi phục.

2. Phương pháp nghiên cứu có điểm gì đặc biệt?

Trả lời: Nhóm nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng trường điện từ 2D phần tử hữu hạn (FEA) trên phần mềm JMAG với phương pháp nghiên cứu đối chứng phân tách (Ablation Study) qua 4 mô hình rotor độc lập, sau đó chế tạo mẫu thử thực tế để kiểm chứng tại phòng thí nghiệm chuyên nghiệp quốc tế (NCKU, Đài Loan).

3. Kết quả tối ưu rào chắn từ thông có thể áp dụng mở rộng không?

Trả lời: Hoàn toàn có thể. Quy luật điều chỉnh góc dịch chuyển rào chắn từ thông xẻ ($\theta_C$) và mở rộng rào chắn nam châm ($\theta_{3m}$) có thể áp dụng làm chuẩn thiết kế cho các dòng động cơ từ trở có số cực khác nhau ($2p = 4, 6, 8$) phục vụ nhiều dải công suất.

4. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu này là gì?

Trả lời: Các bước nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào: (1) Thay thế hoàn toàn nam châm đất hiếm bằng nam châm Ferrite giá rẻ; (2) Tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp độ bền cơ học rotor ở tốc độ siêu cao; (3) Xây dựng thuật toán điều khiển vector không cảm biến góc quay (sensorless MTPA control).

5. Ứng dụng thực tế khả thi nhất của động cơ FI-PMa-SynRM là gì?

Trả lời: Động cơ FI-PMa-SynRM đặc biệt lý tưởng cho hệ truyền động xe máy điện, ô tô điện, máy nén điều hòa biến tần, máy bơm công nghiệp và cánh tay robot công nghiệp – những nơi đòi hỏi kích thước nhỏ gọn, dải điều tốc rộng và độ tin cậy vận hành cao.

---

Kết luận (150 từ)

Báo cáo nghiên cứu khoa học đề tài mã số T2021-06-02 của nhóm tác giả TS. Ngô Đức Kiên đã giải quyết xuất sắc bài toán cân bằng giữa chi phí vật liệu và hiệu năng vận hành trong thiết kế máy điện hiện đại. Bằng việc làm chủ công nghệ mô phỏng phần tử hữu hạn và cơ chế từ thông tăng cường trên máy điện từ trở đồng bộ (FI-PMa-SynRM), công trình đã cung cấp một thiết kế động cơ vượt trội về mật độ mô-men (24,79 kNm/m³), độ nhấp nhô mô-men thấp (11,18%) và tính kinh tế cao.

Đây là đóng góp học thuật giá trị, được bảo chứng bằng công bố quốc tế SCIE Q2, đồng thời mang tính ứng dụng thực tiễn to lớn cho nền công nghiệp chế tạo thiết bị điện tại Việt Nam. Quý doanh nghiệp và viện nghiên cứu quan tâm phát triển thử nghiệm thương mại hóa xin vui lòng kết nối trực tiếp với nhóm tác giả tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU i. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Trên thế giới, các loại máy điện sử dụng châm vĩnh cửu đã được nghiên cứu và sử dụng từ lâu tại các nước phát triển. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu là máy điện nam châm vĩnh cửu thông dụng trên cơ chế từ thông suy giảm, có một số nghiên cứu máy điện dùng cơ chế từ thông tăng cường nhưng sử dụng nhiều vật liệu nam châm đất hiếm nên ảnh hưởng đến giá thành sản xuất. Cùng với đó, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc cải thiện mật độ mô-men bằng việc sử dụng nam châm đất hiếm trong các máy điện nam châm vĩnh cửu, các nghiên cứu đối với máy điện từ trở sử dụng cơ chế từ thông tăng cường là không nhiều.

Đối với tình hình nghiên cứu trong nước, các nghiên cứu về máy điện sử dụng nam châm vĩnh cửu còn sơ khai, đặc biệt các nghiên cứu máy điện từ trở và sử dụng nam châm theo cơ chế từ thông tăng cường để cải thiện mật độ mô-men là hoàn toàn vắng bóng. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tại Việt Nam đang sử dụng phổ biến máy điện không đồng bộ bởi ưu điểm dễ chế tạo, vận hành, giá thành rẻ trong khi giá thành của nam châm vĩnh cửu là rất cao so với các vật liệu khác thường được sử dụng trong máy điện. Bên cạnh đó, các máy điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (chủ yếu là máy điện đồng bộ) sẽ đi kèm với thuật toán điều khiển khác với máy điện không đồng bộ. Một lý do khách quan khác đó là các tài liệu thiết kế và công nghệ chế tạo đang được sử dụng tại Việt Nam có xuất phát từ các nước Đông Âu (đặc biệt là Nga hay Liên Xô trước đây) chỉ chủ yếu tập trung vào các máy điện không sử dụng nam châm.

Tuy nhiên về thực tế, xu thế hiện nay là tập trung nâng cao hiệu năng trong đó đặc biệt là mật độ mô-men lớn từ đó có thể giảm được kích thước máy điện để phù hợp với các ứng dụng hiện đại với lựa 1 chọn phổ biến là sử dụng nam châm. Đối với bài toán về giá thành của nam châm vĩnh cửu, hiện có hai xu hướng được quan tâm đó là sử dụng nam châm ferrite thay cho nam châm đất hiếm và giảm lượng nam châm đất hiếm. Với cả hai xu hướng này, rào cản lớn nhất đó là đặc tính cố hữu là nam châm sẽ bị khử từ khi máy điện vận hành và nó có thể rơi vào trạng thái khử từ không thể phục hồi, từ đó làm giảm chất lượng làm việc của máy điện. Xét riêng xu hướng thứ hai, có một giải pháp đó là vừa sử dụng nam châm đất hiếm với một lượng rất ít với cơ chế từ thông tăng cường, vừa tận dụng khả năng sản sinh mô-men từ trở với một kết cấu máy điện có chủ đích.

Từ thực tế rằng các nghiên cứu về kết cấu máy điện sử dụng nam châm vĩnh cửu còn rất hạn chế tại Việt Nam, cũng như yêu cầu giảm chi phí vật liệu thì đề xuất “Nghiên cứu cải thiện mật độ mô-men của máy điện từ trở” là cấp thiết và có ý nghĩa thiết thực trong học thuật cũng như kỹ thuật. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu và đánh giá cụ thể, có minh chứng rõ ràng về tiềm năng của của máy điện từ trở sử dụng nam châm vĩnh cửu với cơ chế từ thông tăng cường mà có thể mang tới những cải thiện như mật độ mô-men lớn, sử dụng ít nam châm vĩnh cửu đất hiếm (từ đó giảm giá thành sản xuất) mà hạn chế được sự khử từ không thể phục hồi của nam châm vĩnh cửu so với các máy điện sử dụng nam châm đất hiếm hiện nay. Việc nghiên cứu và đánh giá tiềm năng của dạng máy điện này dẫn tới đề xuất phát triển kiểu máy điện mới này trong công nghiệp phù hợp với nguồn cung vật liệu nam châm đất hiếm, khả năng chế tạo và tiềm lực kinh tế của Việt Nam. Một mục tiêu khác đó là có thể giới thiệu các kết quả nghiên cứu vào quá trình giảng dạy, thúc đẩy việc nghiên cứu các kiểu máy điện theo xu thế của thế giới.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu về máy điện từ trở với mục đích cải thiện mật độ mô-men của loại máy điện này thông qua việc áp dụng cơ chế từ thông tăng 2 cường. Do việc thiếu vắng cơ sở vật chất, điều kiện sản xuất, kiểm tra nên phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ mang tính lý thuyết trong đó tạo dựng mô hình mô phỏng, phân tích các vấn đề để trình bày và phát triển các kiến thức chuyên môn học thuật. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để phù hợp với đối tượng và phạm vi nghiên cứu, trong đề tài sẽ thực hiện việc mô hình hóa máy điện từ trở bằng phần mềm phân tích điện từ trường chuyên nghiệp JMAG của hãng JMAG Coporation, Nhật Bản. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là mô phỏng đối tượng trên phần mềm và kết hợp thử nghiệm cơ bản mẫu thử tại đơn vị phối hợp là phòng Lab của Giáo sư Min-Fu Hsieh tại Đại học Quốc gia Thành Công, Đài Loan.

TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ Chương này sẽ giới thiệu sơ lược qua về lịch sử và phân loại cơ bản của máy điện từ trở cũng như các phương pháp nâng cao mật độ mô-men của loại máy điện này với đặc điểm cố hữu của thông số kỹ thuật này là không cao khi so sánh với các loại máy điện sử dụng nam châm vĩnh cửu.1 PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ Máy điện từ trở (reluctance machine) là các loại máy điện dựa trên nguyên tắc sự khác biệt về từ trở (reluctance)/điện cảm (inductance) giữa trục d và q (dọc và ngang trục) bởi sự xuất hiện của các rào chắn từ thông (flux barrier). Loại máy điện từ trở nguyên thủy cơ bản nhất là một máy điện đồng bộ mà trên rotor không có dây quấn mà thay vào đó là các rào chắn từ thông hoàn toàn và được gọi là máy điện từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Machine hay SynRM) với thiết kế đầu tiên được công bố bởi Kostko vào năm 1923 [7]. Hình ảnh của cấu trúc đơn giản này được trình diễn trong Hình 1. Cấu hình máy điện từ trở đồng bộ nguyên thủy Máy điện từ trở cơ bản có lợi thế khi giảm được tổn thất dây quấn so với các 4 máy điện thông dụng, tuy nhiên hiệu năng của nó vẫn không thực sự ấn tượng.

Do đó,với sự phát triển của công nghệ vật liệu liên quan đến nam châm vĩnh cửu, người ta có thể cho thêm các thanh nam châm vào các rào chắn từ thông để cải thiện hiệu năng của máy điện từ trở đồng bộ [1,4,6,13]. Điểm được nhấn mạnh rằng việc thêm các thanh nam châm vào các rào chắn từ thông không có mục đích làm thay đổi hoàn toàn bản chất của máy điện từ trở thành máy điện nam châm vĩnh cửu, do đó loại máy điện này được đặt tên là máy điện từ trở nam châm vĩnh cửu hỗ trợ (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Machine hay PMa-SynRM). Cần lưu ý rằng việc phân biệt máy điện sử dụng nam châm hỗ trở hay máy điện nam châm là không thật sự rõ ràng. Một số hình ảnh ví dụ về kiểu loại máy điện này được trình diễn trong Hình 1.

Một số cấu hình động cơ từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO MẬT ĐỘ MÔ-MEN CỦA MÁY ĐIỆN TỬ TRỞ Việc không sử dụng dây quấn trên rotor mang đến một lợi ích to lớn khi giảm mạnh tổn thất dây quấn khi so sánh máy điện từ trở với các loại máy điện thông dụng khác như máy điện không đồng bộ, máy điện một chiều. Tuy nhiên điều này cũng đồng nghĩa mật độ mô-men là một vấn đề lớn của các máy điện từ trở đồng bộ. Để cải thiện mật độ mô-men, có hai phương pháp cơ bản được sử dụng đó là: 5 (1) Các nhà thiết kế sẽ tập trung vào việc tăng sự khác biệt từ trở/điện cảm dọc và ngang trục hay còn gọi là làm tăng “saliency”. Việc này xuất phát từ việc Hình 1.

Phương pháp làm tăng “saliency”. “saliency” đóng vai trò cốt lõi trong nguyên lý làm việc của máy điện từ trở đồng bộ. Để thực hiện việc này, các nhà thiết kế sẽ sử dụng nhiều lớp chắn từ thông trong rotor hơn so với bình thường [19] hoặc sử dụng các lá thép dọc trục ghép chồng lên nhau để tận dụng thay vì các lá thép ngang trục như các máy điện thông dụng [17]. Lớp tiếp giáp giữa các lá thép dọc trục vô hình trung trở thành các rào chắn từ thông tự nhiên thay thế các rào chắn từ thông cố định.3 trình bày một số hình ảnh ví dụ của một số máy điện sử dụng phương pháp tạo ra “saliency” lớn.

Mục đích của việc này là bổ sung thành phần mô-men do tương tác giữa từ thông móc vòng của nam châm vĩnh cửu với dòng điện phần ứng hay còn gọi là mô-men nam châm, từ đó làm gia tăng lượng mô-men mà máy điện có thể tạo ra được hay chính là cải thiện mật độ mô-men. Xét về lợi ích, phương án (1) làm cải thiện mật độ mô-men mà không hoặc gần như không làm tăng chi phí vật liệu bởi người thiết kế không bổ sung thêm bất kỳ dạng vật liệu nào khác vào rotor máy điện. Tuy nhiên, khi làm tăng không gian của rào chắn từ thông cũng đồng nghĩa có thể ảnh hưởng xấu đến độ bền cơ học của 6 rotor và có thể hạn chế tốc độ cũng như phạm vi ứng dụng của máy điện. Đối với phương án (2) việc bổ sung nam châm vĩnh cửu về cơ bản không thay đổi kết cấu hình học của rotor nhưng cải thiện mô-men của máy điện.

Tuy nhiên, phương án này sẽ đi cùng với việc làm tăng chi phí vật liệu. Bên cạnh đó, với đặc điểm cố hữu của nam châm vĩnh cửu là sự khử từ, đặc biệt trong một số điều kiện làm việc sự khử từ này trở thành khử từ không thể phục hồi (irreversible demagnetization) [5,14].4 trình diễn một ví dụ về đặc tính từ hóa của nam châm N35H cung cấp bởi hãng Arnold Magnetic Technologies [18] được sử dụng trong nghiên cứu của đề tài này. Đặc tính nam châm N35H. Thời gian gần đây một kỹ thuật được gọi là từ thông tăng cường (Flux Intensifiying) cho nam châm đã quan tâm đối với các máy điện đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu.