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.