Tại sao động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại trở thành động cơ truyền động chính?

Tại sao động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại trở thành động cơ truyền động chính?

Động cơ điện có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, và truyền năng lượng cơ học đó đến bánh xe thông qua hệ thống truyền động để dẫn động xe. Đây là một trong những hệ thống truyền động cốt lõi của xe năng lượng mới. Hiện nay, các động cơ truyền động thường được sử dụng trong xe năng lượng mới chủ yếu là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ không đồng bộ xoay chiều. Hầu hết các xe năng lượng mới sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Các hãng xe tiêu biểu bao gồm BYD, Li Auto, v.v. Một số xe sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều. Động cơ điện là sản phẩm tiêu biểu của các hãng xe như Tesla và Mercedes-Benz.

Động cơ không đồng bộ chủ yếu bao gồm một stato cố định và một rôto quay. Khi cuộn dây stato được nối với nguồn điện xoay chiều, rôto sẽ quay và tạo ra công suất. Nguyên lý chính là khi cuộn dây stato được cấp điện (dòng điện xoay chiều), nó sẽ tạo ra một trường điện từ quay, và cuộn dây rôto là một dây dẫn kín liên tục cắt các đường sức từ của stato trong trường từ quay của stato. Theo định luật Faraday, khi một dây dẫn kín cắt đường sức từ, một dòng điện sẽ được tạo ra, và dòng điện này sẽ tạo ra một trường điện từ. Lúc này, có hai trường điện từ: một là trường điện từ stato được nối với dòng điện xoay chiều bên ngoài, và trường điện từ rôto được tạo ra do việc cắt các đường sức từ của stato. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng sẽ luôn chống lại nguyên nhân của dòng điện cảm ứng, tức là cố gắng ngăn các dây dẫn trên rôto cắt các đường sức từ của trường từ quay của stato. Kết quả là: các dây dẫn trên rôto sẽ "bắt kịp" với từ trường quay của stato. Điều này có nghĩa là rôto đuổi theo từ trường quay của stato, và cuối cùng động cơ bắt đầu quay. Trong quá trình này, tốc độ quay của rôto (n2) và tốc độ quay của stato (n1) không đồng bộ (chênh lệch tốc độ khoảng 2-6%). Do đó, nó được gọi là động cơ AC không đồng bộ. Ngược lại, nếu tốc độ quay bằng nhau, nó được gọi là động cơ đồng bộ.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng là một loại động cơ điện xoay chiều. Rôto của nó được làm bằng thép với nam châm vĩnh cửu. Khi động cơ hoạt động, stato được cấp điện để tạo ra từ trường quay, đẩy rôto quay. "Đồng bộ" có nghĩa là tốc độ quay của rôto trong quá trình hoạt động ổn định được đồng bộ với tốc độ quay của từ trường. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn, kích thước nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn, mô-men xoắn đầu ra lớn hơn và có tốc độ giới hạn và hiệu suất phanh tuyệt vời. Do đó, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã trở thành loại động cơ điện được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong xe điện. Tuy nhiên, khi vật liệu nam châm vĩnh cửu chịu rung động, nhiệt độ cao và dòng điện quá tải, độ thẩm từ của nó có thể giảm hoặc xảy ra hiện tượng khử từ, làm giảm hiệu suất của động cơ nam châm vĩnh cửu. Ngoài ra, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đất hiếm sử dụng vật liệu đất hiếm, và chi phí sản xuất không ổn định.

So với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ không đồng bộ cần hấp thụ năng lượng điện để kích thích khi hoạt động, điều này sẽ tiêu hao năng lượng điện và làm giảm hiệu suất của động cơ. Động cơ nam châm vĩnh cửu đắt hơn do phải sử dụng thêm nam châm vĩnh cửu.

Các mẫu xe sử dụng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ thường ưu tiên hiệu năng và tận dụng tối đa lợi thế về hiệu suất và hiệu quả của động cơ này ở tốc độ cao. Mẫu xe tiêu biểu là Model S đời đầu. Đặc điểm chính: Khi xe vận hành ở tốc độ cao, nó có thể duy trì tốc độ cao và sử dụng điện năng hiệu quả, giảm tiêu thụ năng lượng trong khi vẫn duy trì công suất tối đa;

Các mẫu xe sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường ưu tiên tiết kiệm năng lượng và tận dụng hiệu suất cũng như khả năng vận hành hiệu quả của động cơ này ở tốc độ thấp, phù hợp với các loại xe cỡ nhỏ và trung bình. Đặc điểm của chúng là kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và tuổi thọ pin dài. Đồng thời, chúng có khả năng điều chỉnh tốc độ tốt và duy trì hiệu suất cao khi phải thực hiện các thao tác khởi động, dừng, tăng tốc và giảm tốc liên tục.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chiếm ưu thế. Theo số liệu thống kê từ "Cơ sở dữ liệu hàng tháng về chuỗi ngành công nghiệp xe năng lượng mới" do Viện Nghiên cứu Công nghiệp Tiên tiến (GGII) công bố, công suất lắp đặt động cơ truyền động xe năng lượng mới trong nước từ tháng 1 đến tháng 8 năm 2022 đạt khoảng 3,478 triệu chiếc, tăng 101% so với cùng kỳ năm ngoái. Trong đó, công suất lắp đặt động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đạt 3,329 triệu chiếc, tăng 106% so với cùng kỳ năm ngoái; công suất lắp đặt động cơ không đồng bộ AC đạt 1,295 triệu chiếc, tăng 22% so với cùng kỳ năm ngoái.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã trở thành động cơ truyền động chính trong thị trường xe hơi điện thuần túy.

Xét từ việc lựa chọn động cơ cho các mẫu xe phổ thông trong và ngoài nước, các loại xe năng lượng mới do các hãng trong nước như SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors, v.v. sản xuất đều sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chủ yếu được sử dụng ở Trung Quốc. Thứ nhất, vì động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hiệu suất hoạt động ở tốc độ thấp tốt và hiệu suất chuyển đổi cao, rất phù hợp với điều kiện làm việc phức tạp với việc khởi động và dừng thường xuyên trong giao thông đô thị. Thứ hai, do nam châm vĩnh cửu neodymium sắt boron trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đòi hỏi sử dụng tài nguyên đất hiếm, trong khi nước ta sở hữu 70% tài nguyên đất hiếm của thế giới, và tổng sản lượng vật liệu nam châm NdFeB đạt 80% của thế giới, nên Trung Quốc càng ưa chuộng sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

Các hãng nước ngoài như Tesla và BMW sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ không đồng bộ xoay chiều để hợp tác phát triển. Xét về cấu trúc ứng dụng, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là lựa chọn chủ đạo cho các loại xe năng lượng mới.

Chi phí vật liệu nam châm vĩnh cửu chiếm khoảng 30% tổng chi phí của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nguyên liệu thô để sản xuất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chủ yếu bao gồm nam châm vĩnh cửu sắt boron, thép silic tấm, đồng và nhôm. Trong đó, vật liệu nam châm vĩnh cửu nam châm vĩnh cửu sắt boron chủ yếu được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu cho rôto, chiếm khoảng 30% chi phí; thép silic tấm chủ yếu được sử dụng để chế tạo lõi rôto theo yêu cầu, chiếm khoảng 20%; cuộn dây stato chiếm khoảng 15%; trục động cơ chiếm khoảng 5%; và vỏ động cơ chiếm khoảng 15%.

Tại sao lại như vậy?Động cơ nam châm vĩnh cửu OSG, máy nén khí trục vítHiệu quả hơn?

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chủ yếu bao gồm các bộ phận stato, rôto và vỏ. Giống như các động cơ AC thông thường, lõi stato có cấu trúc nhiều lớp để giảm tổn hao sắt do dòng điện xoáy và hiệu ứng từ trễ khi động cơ hoạt động; cuộn dây cũng thường có cấu trúc đối xứng ba pha, nhưng việc lựa chọn thông số khá khác biệt. Phần rôto có nhiều dạng khác nhau, bao gồm rôto nam châm vĩnh cửu có lồng sóc khởi động, và rôto nam châm vĩnh cửu thuần túy được đặt chìm hoặc gắn nổi trên bề mặt. Lõi rôto có thể được làm thành cấu trúc đặc hoặc nhiều lớp. Rôto được trang bị vật liệu nam châm vĩnh cửu, thường được gọi là nam châm.

Trong điều kiện hoạt động bình thường của động cơ nam châm vĩnh cửu, từ trường của rôto và stato ở trạng thái đồng bộ. Không có dòng điện cảm ứng trong phần rôto, và không có tổn hao đồng, tổn hao trễ từ, hay tổn hao dòng điện xoáy trong rôto. Không cần phải xem xét vấn đề tổn hao và nhiệt độ của rôto. Nói chung, động cơ nam châm vĩnh cửu được cấp nguồn bởi một bộ biến tần chuyên dụng và tự nhiên có chức năng khởi động mềm. Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu là động cơ đồng bộ, có đặc điểm điều chỉnh hệ số công suất thông qua cường độ kích thích, do đó hệ số công suất có thể được thiết kế đến một giá trị xác định.

Xét về khía cạnh khởi động, do động cơ nam châm vĩnh cửu được khởi động bằng nguồn điện biến tần hoặc bộ biến tần hỗ trợ, quá trình khởi động của động cơ nam châm vĩnh cửu rất dễ dàng; nó tương tự như việc khởi động động cơ biến tần và tránh được các nhược điểm khi khởi động của các động cơ không đồng bộ lồng sóc thông thường.

Tóm lại, hiệu suất và hệ số công suất của động cơ nam châm vĩnh cửu có thể đạt rất cao, cấu trúc rất đơn giản, và thị trường đã rất sôi động trong mười năm qua.

Tuy nhiên, sự cố mất kích thích là một vấn đề không thể tránh khỏi trong động cơ nam châm vĩnh cửu. Khi dòng điện quá lớn hoặc nhiệt độ quá cao, nhiệt độ của cuộn dây động cơ sẽ tăng lên tức thời, dòng điện sẽ tăng mạnh, và nam châm vĩnh cửu sẽ nhanh chóng mất kích thích. Trong điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu, thiết bị bảo vệ quá dòng được thiết lập để tránh vấn đề cháy cuộn dây stato động cơ, nhưng sự cố mất kích thích và ngừng hoạt động của thiết bị là không thể tránh khỏi.