Động Cơ Nam Châm Vĩnh Cửu - PM Motor Là Gì? Ưu Nhược Điểm Khi Sử Dụng

Bạn có từng thắc mắc về những chiếc xe Tesla sang trọng lướt đi êm ru, hay máy giặt nhà bạn quay vù vù mà chẳng hề kêu một tiếng? Bí mật đằng sau đó chính là những "trái tim" nhỏ bé nhưng đầy quyền năng: Động cơ Nam Châm Vĩnh Cửu (PM Motor). Nghe có vẻ "ảo diệu" nhỉ? Nhưng đừng lo, bài viết này sẽ đưa bạn "xuyên không" vào thế giới của PM Motor, từ khám phá cách chúng hoạt động thần kỳ cho đến ưu nhược điểm khi sử dụng, tất tần tật sẽ được "giải mã" dễ hiểu như đang trò chuyện với một người bạn.

Bạn có thể không phải là chuyên gia kỹ thuật, nhưng chắc chắn bạn sẽ từng trầm trồ trước những sản phẩm của các "ông lớn" như Tesla, Siemens, ABB, Bosch, Nidec... Và tin được không, PM Motor chính là một phần công nghệ then chốt đằng sau thành công của họ đấy! Vậy thì còn chần chừ gì nữa, hãy cùng "bóc tách" bí ẩn của PM Motor và xem chúng có thể "biến hóa" cuộc sống của bạn như thế nào nhé!

1. Động cơ nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là pm motor là gì?

Chắc hẳn nhiều bạn đang băn khoăn không biết động cơ nam châm vĩnh cửu hay pm motor là gì? Đây là 1 loại động cơ thường được sử dụng tương tự như động cơ khởi động ở bên trong xe ô tô, kính chắn gió, trong máy giặt, máy thổi dùng ở bên trong lò sưởi hoặc máy điều hòa không khí. Động cơ pm có thể dùng để nâng và hạ cửa sổ, đồng thời, nó cũng được sử dụng khá rộng rãi trong các loại đồ chơi.

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu

Khi cường độ từ trường của 1 nam châm vĩnh cửu được giữ cố định thì nó sẽ không thể được điều khiển bởi 1 lực từ bên ngoài, bởi lẽ, không gì có thể điều khiển được loại động cơ DC này. Do đó, motor DC sử dụng nam châm vĩnh cửu chỉ được dùng khi không cần phải điều khiển tốc độ động cơ của motor bằng cách kiểm soát lực từ trường của nó.

Động cơ phân đoạn nhỏ cũng như động cơ KW phân đoạn nhỏ từ lâu đã được xây dựng bằng các cực của nam châm vĩnh cửu DC.

2. Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu

Theo thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu gồm có 2 loại:

• Động cơ pm DC có kích từ bằng điện cùng với dải công suất lớn.
• Động cơ pm DC với dải công suất nhỏ.

Theo kết cấu, động cơ pm DC có thể chia thành: 

• Máy điện đồng bộ có cực ẩn
• Máy  điện  đồng bộ có cực lồi.

Theo chức năng: 

• Máy phát điện đồng bộ
• Động cơ điện đồng bộ
• Máy bù đồng bộ.

Nam châm vĩnh cửu được ứng dụng trong nhiều loại động cơ

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu

a) Cấu tạo pm motor

Stator của nam châm vĩnh cửu bên trong động cơ pm DC như đã được chỉ ra từ trong chính cái tên của động cơ DC: Cực trường của động cơ này thường được làm bằng 1 thanh nam châm vĩnh cửu. Một động cơ pm DC sẽ bao gồm 2 phần, 1 stator và 1 armature.

Ở đây, các stator chính là một xi lanh thép, còn các nam châm lại được gắn kết trong chu vi, tức là mặt trong của chiếc xi lanh này. Các nam châm vĩnh cửu thường được gắn kết theo cách tương tự như đầu N và cực S của mỗi thanh nam châm được quay về mặt nạ của động cơ.

Điều đó có nghĩa là nếu cực N của một thanh nam châm đang quay mặt vào phần cong thì cực S của nam châm tiếp theo lại đang quay mặt vào phần ứng. Ngoài việc giữ cho thanh nam châm ở ngoại biên ngay bên trong của nó, đồng thời stator hình trụ thép cũng sẽ trở thành con đường miễn cưỡng với mức chuyển động thấp dành cho thông lượng từ.

Mặc dù cuộn dây của từ trường không bắt buộc ở bên trong động cơ DC nam châm vĩnh cửu, nhưng đôi khi nó cũng được sử dụng để lắp vào động cơ cùng với thanh nam châm vĩnh cửu. Bởi vì nếu nam châm vĩnh cửu bị mất đi sức mạnh của mình thì những cường độ từ tính bị mất đi này có thể được bù đắp lại bởi sự kích thích của từ trường thông qua các cuộn dây từ trường này. Nói chung, vật liệu từ tính như là đất hiếm từ tính thường được sử dụng cho loại nam châm vĩnh cửu.

Rotor của động cơ pm DC cũng có cấu tạo tương tự giống như động cơ DC khác. Rôto hay là bộ phận của động cơ DC chạy bằng nam châm vĩnh cửu cũng bao gồm các phần như: cốt lõi, cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch. Lõi gia cố của động cơ được làm bằng 1 lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa bằng thép. Bằng cách cố định chặt các tấm thép tròn vào 1 chỗ, 1 chiếc lõi hình trụ có khe lúc này cũng được hình thành.

Động cơ 3 pha không chổi than được làm từ nam châm vĩnh cửu

Các tấm thép mỏng, có độ bóng và cách điện được sử dụng để làm giảm tổn hao của dòng điện dòng xoáy bên trong phần cố định của thiết bị động cơ DC nam châm vĩnh cửu. Các khe này nằm ở ngoại vi phía mặt ngoài của chiếc lõi phần ứng dụng, chúng thường được sử dụng để làm dây dẫn cuộn dây cho phần vỏ ở trong đó.

Các dây dẫn cuộn nối được kết nối theo cách thích hợp làm tăng cuộn dây phần ứng. Các đầu cuối của cuộn dây được kết nối với các bộ phận chuyển mạch đặt trên trục động cơ.

Giống như các động cơ DC khác, 1 lớp carbon hoặc than chì khác sẽ được đặt cùng với áp suất lò xo ở trên các phân đoạn của bộ phận chuyển mạch nhằm mục đích cung cấp dòng điện lên cho phần mềm.

b) Nguyên lý hoạt động của động cơ pm motor

Như đã nói ở trên, nguyên lý hoạt động của động cơ pm DC cũng tương tự như nguyên lý làm việc chung của toàn bộ động cơ DC. Đó là khi 1 sợi dây dẫn mang vào trong 1 từ trường thì 1 lực cơ học sẽ xuất hiện bởi dây dẫn và hướng của lực này cũng sẽ được điều chỉnh bởi quy tắc bàn tay trái của Fleming.

Như trong 1 động cơ DC nam châm vĩnh cửu, động cơ có phần ứng được đặt bên trong từ trường của thanh nam châm vĩnh cửu. Các armature khi đó sẽ quay theo hướng của momen lực tạo ra. Ở đây, mỗi sợi dây dẫn của bộ phận chịu lực cũng sẽ tác động đến lực cơ 1 lực F = BIL (N). Trong đó:

• B chính là cường độ từ trường, đơn vị tính là Tesla (weber/ m²),
• I là dòng điện chạy trong dây dẫn đó, được tính bằng Ampe (A),
• L là chiều dài của sợi dây dẫn, được tính bằng mét (m).

Mỗi dây dẫn của bộ phận động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt còn phải chịu 1 lực tổng hợp của tất cả các lực đó để tạo ra một mô men, nhằm tác động làm quay phần ứng.

Sơ đồ điều khiển hoạt động của động cơ pm motor

Mạch điện tương đương của nam châm vĩnh cửu DC motor hoặc pm DC motor cũng tương tự như trong động cơ pm DC, từ trường được sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu, chúng ta không cần cuộn dây từ trường được vẽ trong mạch tương đương đối với động cơ DC nam châm vĩnh cửu.

Điện áp cung cấp cho các armature lúc này sẽ có kháng armature phần còn lại của điện áp sẽ được cung cấp bởi bộ phận EMF của động cơ. Do đó, phương trình điện áp của động cơ pm được tính bởi I ​​là dòng điện ứng dụng và R tức là điện trở trong của động cơ, còn Eb là EMF và V chính là điện áp cung cấp cho động cơ.

4. Những ưu - nhược điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu so với động cơ cảm ứng

Động cơ nam châm vĩnh cửu DC hay còn gọi là động cơ pm DC hoạt động theo nguyên tắc của nam châm vĩnh cửu, dựa trên một thực tế là bất cứ khi nào một dây dẫn mang dòng điện hiện tại được đặt trong 1 từ trường thì sẽ có lực cơ học chạy qua dây dẫn đó. Tất cả các loại động cơ DC thông thường chỉ hoạt động theo nguyên tắc này. Do đó, để có thể xây dựng được 1 động cơ DC, chúng ta cần phải thiết lập 1 từ trường.

Từ trường vừa được thiết lập bằng các nam châm, còn nam châm có thể chọn bất kỳ loại nào, có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc loại khác. Khi nam châm vĩnh cửu được chúng ta sử dụng để tạo ra từ trường trong động cơ DC thì động cơ sẽ được gọi là động cơ DC nam châm vĩnh cửu hoặc gọi tắt là động cơ pm DC. 

Ưu điểm của động cơ DC hoặc motor pm DC nam châm vĩnh cửu so với động cơ cảm ứng như sau:

• Động cơ pm DC không cần sắp xếp để kích thích từ trường. Đồng thời, không có công suất đầu vào của mạch tiêu thụ để giúp kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động cơ DC.
• Động cơ pm DC không có cuộn dây từ trường, do vậy không gian dành cho cuộn dây trường được cũng sẽ được thu hẹp lại làm giảm kích thước của tổng thể động cơ.
• Động cơ pm DC có mức chi phí rẻ hơn và tiết kiệm hơn cho dành cho các ứng dụng xếp hạng kW phân số.

Động cơ pm DC có mức chi phí rẻ hơn và tiết kiệm hơn

Nhược điểm của nam châm vĩnh cửu DC motor hoặc pm DC Motor

• Trong trường hợp này, có thể thấy được, động cơ DC sẽ không được bù lại, do đó cường độ từ trường của động cơ có thể bị suy yếu đi do phản ứng dị ứng có thể gây mài mờ.
• Ngoài ra, động cơ pm DC còn có một cơ hội nhận được các cực từ bán dẫn vĩnh viễn (hoặc một phần) do dòng điện áp được tăng lên quá nhiều trong quá trình khởi động, làm đảo ngược dòng điện cũng như tình trạng quá tải của động cơ.
• Một bất lợi lớn khác rất dễ thấy của động cơ pm DC là, từ trường trong khoảng cách không khí được xem là cố định và giới hạn nên nó không thể kiểm soát được từ bên ngoài. Do đó, việc kiểm soát tốc độ của động cơ pm DC trong loại động cơ này là rất khó.

Động cơ pm DC nam châm vĩnh cửu hiện đang được sử dụng rộng rãi ở những động cơ DC nhỏ và không có yêu cầu kiểm soát một cách hiệu quả, chẳng hạn như ô tô đồ chơi, động cơ máy giặt, máy thổi nóng, các loại máy điều hòa không khí, trong ổ đĩa máy tính và còn nhiều hơn nữa.

5. Cách chọn lựa động cơ nam châm vĩnh cửu phù hợp:

a) Xác định công suất cần thiết:

• Công suất (P): P = Mô-men xoắn (T) x Tốc độ quay (N) / 9550
• Đơn vị: P (W), T (N.m), N (vòng/phút)
• Ví dụ:
  • Quạt điện: 50 - 100 W
  • Máy giặt: 200 - 500 W
  • Máy điều hòa: 500 - 1000 W

b) Chọn động cơ có tốc độ phù hợp:

• Tốc độ động cơ (N) = Tốc độ tải (Nload) / Tỷ số truyền (Gear ratio)
• Nload: Tốc độ cần thiết cho ứng dụng của bạn
• Tỷ số truyền: Tỷ lệ giữa tốc độ quay của động cơ và tốc độ quay của tải

c) Xác định mô-men xoắn cần thiết:

• Mô-men xoắn (T) = Lực (F) x Khẩu độ (R)
• F: Lực cần thiết để khởi động và duy trì tải trọng
• R: Khoảng cách từ trục động cơ đến điểm tác dụng của lực

d) Chọn động cơ có điện áp phù hợp:

• Điện áp động cơ phải phù hợp với nguồn điện sẵn có
• Điện áp động cơ thường là 12V, 24V, 48V, 110V, 220V

e) Lựa chọn kích thước động cơ phù hợp:

• Kích thước động cơ phải phù hợp với không gian lắp đặt
• Kích thước động cơ thường được mô tả bằng đường kính và chiều dài

f) So sánh giá cả của các loại động cơ khác nhau:

• Cân nhắc ngân sách của bạn khi chọn động cơ
• Giá cả động cơ phụ thuộc vào công suất, tốc độ, mô-men xoắn, điện áp và thương hiệu

6. Khắc phục sự cố động cơ nam châm vĩnh cửu:

a) Động cơ không hoạt động:

• Kiểm tra nguồn điện: Đảm bảo nguồn điện có đủ điện áp và dòng điện cho động cơ.
• Kiểm tra kết nối dây điện: Đảm bảo dây điện được kết nối đúng cách với động cơ và bộ điều khiển.
• Kiểm tra cầu chì: Đảm bảo cầu chì không bị cháy.

b) Động cơ hoạt động yếu:

• Kiểm tra mô-men xoắn: Đảm bảo mô-men xoắn của động cơ đủ lớn để khởi động và duy trì tải trọng.
• Kiểm tra tốc độ: Đảm bảo tốc độ động cơ phù hợp với nhu cầu sử dụng.
• Kiểm tra điện áp: Đảm bảo điện áp cung cấp cho động cơ đủ cao.

c) Động cơ phát ra tiếng ồn lớn:

• Kiểm tra ổ đỡ: Đảm bảo ổ đỡ được bôi trơn đầy đủ và không bị mòn.
• Kiểm tra bánh răng: Đảm bảo bánh răng không bị mòn hoặc hư hỏng.
• Kiểm tra các bộ phận khác: Đảm bảo các bộ phận khác của động cơ được gắn chặt và không bị rung lắc.

d) Động cơ bị rung lắc:

• Sử dụng cân bằng động để cân bằng động cơ.
• Kiểm tra các bộ phận gắn kết: Đảm bảo các bộ phận gắn kết động cơ được siết chặt.

7. Xu hướng phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu:

a) Nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao:

• Sử dụng vật liệu nam châm mới như đất hiếm để tăng lực từ.
• Tối ưu hóa thiết kế nam châm để tăng hiệu quả.

b) Điều khiển động cơ tiên tiến:

• Phát triển các thuật toán điều khiển mới để cải thiện hiệu suất và độ chính xác của động cơ.
• Sử dụng các bộ điều khiển thông minh để điều khiển động cơ hiệu quả hơn.

c) Tích hợp động cơ:

• Tích hợp động cơ nam châm vĩnh cửu với các bộ phận khác như bộ truyền động, bộ mã hóa và bộ cảm biến để tạo ra hệ thống truyền động nhỏ gọn và hiệu quả.
• Sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu trong các robot, xe điện và các thiết bị khác.

8. Bảng so sánh các loại động cơ nam châm vĩnh cửu:

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

• Động Cơ Điện 1 Pha Các Công Suất, Ứng Dụng Cấu Tạo Và Chất Lượng Sản Phẩm
• Motor DC 12v 24v: Tốc Độ, Tính Năng, Ký Hiệu Mã Hàng
• Cách Đấu Điện Motor 1 Pha, Đấu tụ, Đảo Chiều Tùy Ý
• Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Motor 3 Pha, Lợi Ích, Khái Niệm
• Động Cơ Parma, Thương Hiệu Bán Chạy Nhất Việt Nam, Quy Mô Tập Đoàn
• Giá Motor 3 Pha Hitachi Toshiba Mitsubishi Nhật, ABB, Siemens Đức, Giá Quấn Lại Motor Toàn Quốc