Lý giải tại sao xe điện vẫn cần nam châm đất hiếm dù 'nam châm ảo' ra đời

Gần đây, một số báo cáo đưa tin về công ty khởi nghiệp Vimag Labs tại Bengaluru, Ấn Độ, đã có thể thay thế nam châm đất hiếm trong động cơ điện bằng một dạng “nam châm ảo”. CEO Manish Seth của công ty cho biết: “Chúng tôi loại bỏ nam châm vĩnh cửu, thay vào đó là các cuộn dây đồng và sử dụng phần mềm để tạo ra từ trường bên trong động cơ.”

Ý tưởng này dựa trên việc điều khiển điện áp và dòng điện qua các cuộn dây để sinh ra từ trường mạnh tương tự nam châm vĩnh cửu, nhờ phần mềm điều khiển chính xác dòng điện.

Một động cơ cần từ trường để vận hành. Có hai cách phổ biến để tạo ra từ trường này: dùng nam châm vĩnh cửu hoặc dùng cuộn dây đồng quấn quanh vật liệu ferromagnet, gọi là nam châm điện. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, chúng biến vật liệu này tạm thời thành nam châm. Đó chính là nguyên lý hoạt động của nam châm điện.

Trong động cơ điện, sự chuyển đổi điện năng sang cơ năng diễn ra bằng việc tạo ra lực quay ở bộ phận gọi là rotor (phần quay) nhờ từ trường tương tác với phần tĩnh gọi là stator. Khoảng không giữa rotor và stator là nơi từ trường được thiết lập để biến chuyển động điện thành chuyển động cơ.

Việc sử dụng nam châm điện thay cho nam châm vĩnh cửu không phải là điều mới. Các nhà máy thủy điện, nhiệt điện và hạt nhân đã dùng nguyên lý này hơn một thế kỷ qua để phát điện. Trong các hệ thống này, tua bin làm quay rotor có cuộn dây quấn quanh lõi ferromagnet. Dòng một chiều chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường có cực bắc và cực nam, khi quay, từ trường này tạo ra điện áp xoay chiều trong stator.

Để duy trì dòng điện một chiều cho cuộn dây ở rotor quay, người ta dùng bộ chỉnh lưu gắn cố định trên rotor, chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều, được cung cấp từ máy phát thứ hai trên cùng trục tua bin.

Ý tưởng ‘nam châm ảo’ chủ yếu là dùng phần mềm để điều khiển dòng điện qua cuộn dây. Phần mềm không trực tiếp tạo ra từ trường mà kiểm soát cường độ và hướng của từ trường bằng cách điều chỉnh dòng điện qua nam châm điện.

Trong khi đó, nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường ngay lập tức, không cần năng lượng điện bổ sung để duy trì từ trường này. Do đó, motor dùng nam châm vĩnh cửu tiết kiệm năng lượng hơn vì các bước trung gian như điều chỉnh dòng điện qua phần mềm và các tổn hao điện trở không xuất hiện.

BMW và Renault đã thử phát triển động cơ kích từ điện (sử dụng nam châm điện). Mẫu xe Tesla Model S đời đầu dùng động cơ cảm ứng ba pha do Nikola Tesla phát minh từ năm 1888, tuy nhẹ và bền, nhưng hiệu suất không cao bằng loại động cơ dùng nam châm vĩnh cửu.

Hiệu suất động cơ rất quan trọng với xe điện vì bất kỳ cải thiện nhỏ nào cũng giúp tăng quãng đường đi được hoặc giảm kích cỡ và trọng lượng pin – thành phần nặng và đắt tiền nhất của xe. Vì thế, động cơ nam châm vĩnh cửu chiếm ưu thế trên thị trường xe điện hiện nay do hiệu suất hàng đầu.

Bên cạnh nam châm điện, motor kháng từ chuyển mạch (SRM) cũng là một lựa chọn, với rotor không có nam châm hay cuộn dây, cho trọng lượng rotor thấp nhưng xoắn lực không đều, gây tiếng ồn và hiệu suất thấp hơn. Honda và một start-up Canada là Enedym đang hợp tác phát triển SRM phù hợp cho xe điện. Hitachi Astemo cũng nghiên cứu động cơ kháng từ đồng bộ để giảm phụ thuộc vào nam châm đất hiếm.

Tuy nhiên, các giới hạn về hiệu suất, mô men khởi động và tốc độ tối đa vẫn cản trở sự phổ biến của động cơ không dùng nam châm vĩnh cửu trong xe điện.

Thị trường xe điện bốn bánh còn phải chờ xem Vimag Labs từ Bengaluru có thể cạnh tranh được với các động cơ nam châm vĩnh cửu truyền thống về hiệu suất và chi phí hay không. Dù cả kỹ thuật lẫn phần mềm đều phát triển, nam châm đất hiếm vẫn giữ vị trí chủ đạo do hiệu quả rõ rệt và chi phí tổng thể hợp lý.

G. Bhuvaneswari , Giáo sư Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, Đại học Mahindra, Hyderabad và từng công tác tại IIT-Delhi, là người đánh giá sâu sắc về vấn đề này.

Bài viết được biên tập với sự hỗ trợ của công cụ trí tuệ nhân tạo (AI), tổng hợp từ các nguồn tin dẫn bên dưới và đã qua kiểm duyệt của toà soạn Quang Minh Việt Nam.