Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điện: Nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men động cơ BLDC rotor ngoài trong truyền động trực tiếp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:161

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm xây dựng lưu đồ thiết kế với các vòng hiệu chỉnh bằng phương trình toán và kết quả mô phỏng phản ánh tương đối chính xác chế độ làm việc xác lập của động cơ. Sử dụng chuỗi Fourier như một công cụ để phân tích mật độ từ thông tại khe hở không khí với một giá trị độ phủ nam châm được lựa chọn, sẽ tối thiểu các sóng hài bậc cao, từ đó giảm được mô men đập mạch.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điện: Nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men động cơ BLDC rotor ngoài trong truyền động trực tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG MÔ MEN ĐỘNG CƠ BLDC ROTOR NGOÀI TRONG TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG MÔ MEN ĐỘNG CƠ BLDC ROTOR NGOÀI TRONG TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Phạm Hùng Phi 2. TS. Phùng Anh Tuấn Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả tính toán trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 06 tháng 9 năm 2021 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH TS. Phạm Hùng Phi TS. Phùng Anh Tuấn Nguyễn Việt Anh i
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tập thể hướng dẫn khoa học là TS. Phạm Hùng Phi và TS. Phùng Anh Tuấn luôn dành nhiều công sức, thời gian quan tâm, động viên và tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Vũ Thanh, TS. Bùi Minh Định đã hỗ trợ và đóng góp các ý kiến quý báu để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án. Tác giả chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử, Viện Điện và phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình nghiên cứu sinh thực hiện luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu quốc tế về Khoa học & Kỹ thuật tính toán (DASI) đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng chương trình phần mềm ANSYS/Maxwell 2D để thực hiện các bài toán mô phỏng FEM cho động cơ BLDC. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các Anh/Chị/Em đồng nghiệp, bạn bè đã động viên, giúp đỡ về mọi mặt, góp phần vào sự thành công của luận án. Cuối cùng, tác giả xin gửi tới bố mẹ, vợ và các con lời cảm ơn sâu sắc nhất, những người thân đã luôn ở bên cạnh động viên, hỗ trợ về tinh thần và vật chất trong những lúc khó khăn, mệt mỏi. Để tác giả yên tâm trong quá trình nghiên cứu, góp phần không nhỏ vào thành công của luận án. Tác giả luận án Nguyễn Việt Anh ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ........................................................................ vi DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. x DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 4 1.1. Giới thiệu.......................................................................................................... 4 1.1.1. Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (BLDC) ........... 6 1.1.2. Đặc điểm điều khiển của động cơ BLDC .................................................. 8 1.1.3. Ứng dụng động cơ BLDC trong truyền động trực tiếp ............................. 9 1.2. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế ........................................................... 12 1.2.1. Các nghiên cứu trong nước ...................................................................... 12 1.2.2. Các nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 12 1.3. Các tồn tại và đề xuất nghiên cứu động cơ BLDC rotor ngoài ...................... 15 1.4. Vật liệu dẫn từ trong động cơ BLDC ............................................................. 16 1.4.1. Khái niệm mạch từ ................................................................................... 16 1.4.2. Vật liệu từ tính ......................................................................................... 25 1.4.3. Nam châm vĩnh cửu ................................................................................. 29 1.4.4. Mô hình mạch từ của nam châm vĩnh cửu .............................................. 35 1.5. Kết luận .......................................................................................................... 41 Chương 2: MÔ HÌNH MẠCH TỪ ĐỘNG CƠ BLDC ............................................ 42 2.1. Giới thiệu........................................................................................................ 42 2.2. Mô hình dịch chuyển nam châm vĩnh cửu qua rãnh stator ............................ 43 2.2.1. Mô hình toán học ..................................................................................... 43 2.2.2. Phân bố từ trường vô hướng dọc theo miệng rãnh .................................. 54 2.2.3. Phân bố mật độ từ thông trong khe hở không khí ................................... 55 2.2.4. Ảnh hưởng của độ cong ........................................................................... 57 2.3. Quá trình năng lượng trong động cơ BLDC .................................................. 61 2.3.1. Xây dựng mạch từ tương đương .............................................................. 61 2.3.2. Mạch từ tương đương chưa xét đến phản ứng phần ứng ......................... 63 2.3.3. Mạch từ tương đương có xét đến phản ứng phần ứng ............................. 68 2.4. Kiểm nghiệm từ thông tại điểm làm việc nam châm bằng PTHH ................. 70 iii
2.5. Kết luận .......................................................................................................... 74 Chương 3: MÔ MEN ĐẬP MẠCH (COGGING TORQUE) TRONG ĐỘNG CƠ BLDC........................................................................................................................ 75 3.1. Mô men đập mạch .......................................................................................... 75 3.2. Cơ sở hình thành mô men đập mạch .............................................................. 76 3.3. Ảnh hưởng của chiều rộng miệng rãnh .......................................................... 79 3.4. Ảnh hưởng của độ phủ nam châm ................................................................. 82 3.4.1. Chuỗi Fourier lượng giác ......................................................................... 82 3.4.2. Khai triển chuỗi Fourier để phân tích ảnh hưởng của độ phủ nam châm 83 3.4.3. So sánh kết quả tính toán giải tích và mô phỏng FEM ............................ 84 3.5. Kết luận .......................................................................................................... 89 Chương 4. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ................................... 90 4.1. Xây dựng thuật toán thiết kế động cơ ............................................................ 90 4.1.1. Các kích thước cơ bản ............................................................................. 90 4.1.2. Ứng dụng thiết kế cho quạt trần .............................................................. 92 4.1.3. Lưu đồ thuật toán thiết kế ........................................................................ 93 4.2. Tính toán thông số động cơ được đề xuất trong luận án .............................. 105 4.3. Thiết lập mô phỏng ...................................................................................... 113 4.3.1. RMxprt ................................................................................................... 113 4.3.2. Maxwell ................................................................................................. 114 4.3.3. Kiểm nghiệm kết quả tối ưu đường kính ngoài rotor ............................ 115 4.3.4. Kết quả mô phỏng thiết kế ..................................................................... 117 4.3.5. Đánh giá kết quả mô phỏng ................................................................... 120 4.4. Thực nghiệm ................................................................................................ 121 4.4.1. Đặc tính B-H thép kĩ thuật điện Posco 1300 chế tạo mạch từ stator ..... 122 4.4.2. Chế tạo động cơ thực nghiệm ................................................................ 126 4.5. Kết luận ........................................................................................................ 129 TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 130 Tổng kết .............................................................................................................. 130 Những mặt hạn chế ............................................................................................. 130 Khả năng phát triển từ luận án ............................................................................ 130 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 132 iv
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 137 A1. Thông số động cơ phục vụ mô phỏng tại mục 2.4 ....................................... 137 A2. Thông số động cơ phục vụ mô phỏng tại mục 3.3 ....................................... 137 A3. Số liệu mô phỏng tại mục 3.4.3.................................................................... 139 A4. Thông số động cơ phục vụ mô phỏng tại mục 4.3.3 .................................... 140 A5. Kết quả tính toán thông số động cơ BLDC bằng phương pháp giải tích theo thuật toán thiết kế hình 4.12 và dùng để mô phỏng tại mục 4.3.4 ...................... 141 v
DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU Ký hiệu viết tắt AC : Dòng điện xoay chiều (Alternating current). Back-EMF : Sức phản điện động (Back-Electromotive Force). BLDC : Động cơ một chiều không chổi than (Brushless Direct Current). BCNN : Bội chung nhỏ nhất. DC : Dòng điện một chiều (Direct Current). ƯCLN : Ước chung lớn nhất. MMF : Sức từ động (Magnetomotive Force). PM : Nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet). : Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent PMSM magnet synchorous motor). PM-BLDC : Động cơ một chiều không chổi than sử dụng nam châm vĩnh cửu. PWM : Điều chế độ rộng xung. PTHH : Phần tử hữu hạn. Ký hiệu chữ Đơn vị A : Tiết diện. mm2 Am : Tiết diện nam châm. mm2 As : Tiết diện răng stator. mm2 Ag : Tiết diện khe hở không khí. mm2 Aslot : Tiết diện rãnh. mm2 Aw : Tiết diện dây dẫn. mm2 a : Số sợi chập. - bs0 : Chiều rộng miệng rãnh stator. mm bs1 : Đường kính trên rãnh stator. mm bs2 : Đường kính dưới rãnh stator. mm bz : Chiều rộng răng stator. mm B : Mật độ từ thông. T Bf : Mật độ từ thông tản ở khe hở không khí. T Bg : Mật độ từ thông tại khe hở không khí. T vi
Bm : Mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm. T Br : Mật độ từ dư nam châm. T Br-s : Mật độ từ thông tổng của gông rotor và stator. T Bs : Mật độ từ thông stator. T Byr : Mật độ từ thông gông rotor. T Bys : Mật độ từ thông gông stator. T D : Đường kính động cơ. mm Dir : Đường kính trong rotor. mm Dis : Đường kính trong stator. mm Dor : Đường kính ngoài rotor. mm Dos : Đường kính ngoài stator. mm d : Đường kính dây dẫn. mm E, e : Sức điện động cảm ứng. V F : Sức từ động. vòng f : Tần số. Hz G : Điện dẫn. S/m g : Chiều dài khe hở không khí. mm gC : Chiều dài khe hở không khí theo hệ số Carter. mm H : Cường độ từ trường. A/m Hc : Lực kháng từ. A/m Hm : Cường độ từ trường tại điểm làm việc nam châm. A/m hs : Chiều cao răng, rãnh stator. mm hs0 : Chiều cao miệng rãnh stator. mm hs1 : Chiều cao cổ rãnh stator. mm hs2 : Chiều cao rãnh stator. mm hm : Chiều dày nam châm. mm Ia,b,c : Dòng điện pha A, B, C. A ia,b,c J : Mật độ dòng điện. A/mm2 k : Hệ số. - kC : Hệ số Carter. - kdd : Hệ số điền đầy rãnh. - khd : Hệ số hình dáng. - vii
kE : Hệ số sức điện động cảm ứng. - L : Điện cảm. H Lc : Điện cảm chính. H Lm : Chiều dài nam châm (theo trục động cơ). mm Ls : Chiều dài hướng trục stator. mm Lr : Chiều dài hướng trục rotor. mm Laa : Điện cảm chính. H Lham : Điện cảm rò rỉ do sóng hài bậc cao. H Lend : Điện cảm tản đầu cuối. H Lslot : Điện cảm tản rãnh stator. H Ltotal : Điện cảm toàn phần. H l : Chiều cao. mm m : Khối lượng. kg mFe : Khối lượng sắt. kg N (Nz; NS, Nr) : Số răng, rãnh, cực. - n : Tốc độ quay. vòng/phút nd : Số phần động cơ được chia theo UCLN (Ns, Nr) - P : Từ dẫn. - P : Công suất tác dụng. W Pc : Công suất khe hở không khí. W Pe : Công suất điện từ. W Pco : Công suất cơ. W p : Số cực. - pFe : Suất tổn hao sắt. W/kg Q : Công suất phản kháng. VAr R : Điện trở. Ω Rs : Bán kính cong đáy rãnh dưới. mm ℜ : Từ trở. - T : Mô men. N.m Te : Mô men điện từ. N.m Tm : Mô men cơ. N.m Ts : Số thanh dẫn trong một rãnh. - Tph : Tổng số thanh dẫn trong một pha. - Tcogging : Mô men đập mạch. N.m t : Thời gian. s Ua,b,c : Điện áp pha A, B, C. V viii
V : Thể tích. m3 v : Vận tốc. m/s W : Năng lượng. J Wf : Khoảng cách giữa 2 cực (Nam châm). mm, rad wyr : Chiều dày gông rotor. mm wys : Chiều dày gông stator. mm X : Điện kháng. Ω α : Tỷ số cung cực trên bước cực (Độ phủ nam châm). - 𝛼0 : Góc mở rãnh. - 𝛼𝑡𝑡 : Giá trị tương đối của cung răng hữu ích. rad ŋ : Hiệu suất. % 𝜇 : Hệ số từ thẩm. H/m 𝜇0 : Hệ số từ thẩm của không khí. H/m 𝜇𝑟 : Hệ số từ thẩm tương đối. H/m 𝜏𝑚 : Chiều dài cung cực. mm 𝜏𝑝 : Bước cực. mm 𝜏𝑠 : Bước rãnh. mm 𝜔đ𝑚 : Tốc độ góc định mức đầu trục. rad/s Φ : Từ thông. Wb ρ : Điện trở suất. Ω.m 2p : Số cực. - ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất điển hình của vật liệu nam châm vĩnh cửu .............................. 35 Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa động cơ từ trường xuyên tâm và mô hình rãnh .......... 58 Bảng 2.2. Bảng thông số tương đương giữa mạch điện và mạch từ ........................ 62 Bảng 2.3. Bảng khảo sát số lượng thanh dẫn ........................................................... 70 Bảng 3.1. Thông số khảo sát bs0 và 𝛼 ...................................................................... 79 Bảng 3.2. Giá trị các hệ số Kn-α ................................................................................ 84 Bảng 4.1. Giá trị chu vi bề mặt khe hở không khí với các loại động cơ phổ biến [70] .................................................................................................................................. 91 Bảng 4.2. Thông số yêu cầu thiết kế và thông số lựa chọn...................................... 92 Bảng 4.3. Số liệu khảo sát đường kính ngoài rotor Dor để thiết kế điểm làm việc vật liệu thép kỹ thuật điện ............................................................................................ 115 Bảng 4.4. So sánh kết quả tính toán và mô phỏng ................................................. 121 Bảng 4.5. Thông số mạch đo đặc tính B-H thép Posco 1300 ................................ 123 Bảng 4.6. Thông số B-H theo số lần đo ................................................................. 124 Bảng 4.7. Thông số mật độ từ thông của nam châm Ferrite .................................. 125 Bảng 4.8. Thông số sau khi chế tạo động cơ BLDC với độ phủ nam châm α=0,7 127 Bảng 4.9. Thông số động cơ Benney (Thailand) với độ phủ nam châm α=1 ........ 128 x
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Phân loại động cơ dựa trên nguồn cung cấp dòng điện AC / DC .............. 4 Hình 1.2. Dạng sóng kích thích cơ bản cho động cơ xoay chiều PM ........................ 5 Hình 1.3. Cấu tạo điển hình của PMSM .................................................................... 5 Hình 1.4. Cấu tạo động cơ BLDC rotor bên trong .................................................... 6 Hình 1.5. Cấu tạo động cơ BLDC rotor bên ngoài .................................................... 7 Hình 1.6. Cấu tạo động cơ BLDC kiểu từ trường dọc trục........................................ 7 Hình 1.7. Các thành phần cơ bản của hệ truyền động BLDC.................................... 8 Hình 1.8. Mạch phần ứng động cơ BLDC được cấp điện thông qua biến tần .......... 8 Hình 1.9. Trình tự chuyển mạch van bán dẫn và dạng sóng dòng điện tương ứng ... 9 Hình 1.10. a) Hệ truyền động giảm tốc; b) Hệ truyền động trực tiếp. ..................... 10 Hình 1.11. a) Máy giặt thông thường; b) Máy giặt truyền động trực tiếp của LG [14]............................................................................................................................ 11 Hình 1.12. Quạt trần sử dụng động cơ BLDC [16] ................................................. 11 Hình 1.13. Hình dạng lõi của động cơ BLDC [46].................................................. 14 Hình 1.14. Sự thay đổi hiệu suất theo số cực [49] ................................................... 14 Hình 1.15. Sự biến đổi của mô men điện từ với sự kết hợp giữa số rãnh và cực [48] .................................................................................................................................. 15 Hình 1.16. Vi phân phần tử đơn vị vật liệu từ [54] ................................................. 17 Hình 1.17. Khối vi phân theo đơn vị độ dài phần tử vật liệu từ [54] ...................... 17 Hình 1.18. Khối vi phân theo thể tích phần tử vật liệu từ [54]. ............................... 18 Hình 1.19. Cuộn dây được quấn quanh một mẫu vật liệu từ [54] ........................... 19 Hình 1.20. Từ trường sinh ra quanh một thanh dẫn [55] ......................................... 19 Hình 1.21. Mô hình nguồn từ cuộn dây mang dòng điện [55] ................................ 20 Hình 1.22. Từ trường đi qua khe hở không khí giữa hai cực [56] ........................... 21 Hình 1.23. Mô hình không gian từ dẫn khe hở không khí [56] ............................... 21 Hình 1.24. Mô hình tính toán từ dẫn khe hở không khí [56] ................................... 21 Hình 1.25. Đường sức từ trong rãnh (a) và phân chia hình học (b) [57] ................. 22 Hình 1.26. Ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh stator áp dụng theo hệ số Carter [58] .................................................................................................................................. 23 xi
Hình 1.27. Giá trị hệ số carter với tỉ số chiều rộng miệng rãnh và bước rãnh [55] . 24 Hình 1.28. Từ trường tập trung của một răng [55] .................................................. 25 Hình 1.29. Đặc tính B-H vật liệu từ [59] ................................................................. 26 Hình 1.30. Đồ thị quan hệ giữa đường cong từ hóa với độ từ hóa [59] .................. 27 Hình 1.31. Tổn thất vật liệu sắt từ theo tần số làm việc .......................................... 27 Hình 1.32. Cấu tạo dạng tấm mỏng của vật liệu sắt từ ............................................ 28 Hình 1.33. Đặc tính khử từ nam châm [59] ............................................................. 29 Hình 1.34. Ảnh hường từ trường ngoài lên điểm làm việc nam châm [59] ............ 30 Hình 1.35. Đặc tính vật liệu nam châm. .................................................................. 31 Hình 1.36. Họ các đường đẳng năng (BH)= constant trên góc phần từ thứ II [59] . 32 Hình 1.37. So sánh giá trị tích năng lượng cực đại các loại nam châm ................... 33 Hình 1.38. Đặc tính khử từ nam châm Ferrite theo nhiệt độ [59] ........................... 34 Hình 1.39. Trạng thái nam châm với mật độ từ dư (a), lực kháng từ (b). ............... 35 Hình 1.40. Đặc điểm đường từ dư nam châm vĩnh cửu theo nhiệt độ [62] ............. 36 Hình 1.41. Sự dao động quanh điểm làm việc nam châm vĩnh cửu [62] ................ 37 Hình 1.42. Nam châm vĩnh cửu dạng khối (a) và mô hình mạch từ thay thế (b) .... 38 Hình 1.43. Một số hình dạng nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ. ... 38 Hình 1.44. Hình dạng nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ BLDC .... 39 Hình 1.45. Cấu trúc mạch từ nam châm vĩnh cửu với khe hở không khí đều [63] . 39 Hình 2.1. Các vùng năng lượng giữa nam châm và rãnh stator [68] ....................... 43 Hình 2.2. Sự phân bố từ hóa dọc theo hướng x ....................................................... 45 Hình 2.3. Phân bố năng lượng từ tính vô hướng dọc theo bề mặt stator [68] ......... 48 Hình 2.4. So sánh từ trường vô hướng dọc theo chiều rộng miệng rãnh khi có hiện tượng chuyển tiếp N-S [68] ...................................................................................... 55 Hình 2.5. So sánh từ trường vô hướng dọc theo chiều rộng miệng rãnh khi có hiện tượng chuyển tiếp S-N qua miệng rãnh [68] ............................................................ 55 Hình 2.6. So sánh mật độ từ thông tại khe hở không khí (s = 0) ............................. 56 Hình 2.7. So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (s = 0,2) ............................... 56 Hình 2.8. So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (s = 0,5) ............................... 57 Hình 2.9. So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (s = 1) .................................. 57 Hình 2.10. Cấu trúc của động cơ PM từ trường hướng tâm [68] ............................ 58 xii
Hình 2.11. So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (ωt = 00) [68] ..................... 59 Hình 2.12. So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (ωt = 10) [68] ..................... 59 Hình 2.13. So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (ωt = 20) [68] ..................... 60 Hình 2.14. So sánh mật độ thông lượng khe hở không khí (ωt = 40) [68]............... 60 Hình 2.15. Sơ đồ trải ¼ động cơ BLDC - 12 rãnh, 16 cực ...................................... 61 Hình 2.16. Đường khử từ nam châm vĩnh cửu ........................................................ 61 Hình 2.17. Mạch từ tương đương động cơ BLDC - 12 rãnh, 16 cực ...................... 62 Hình 2.18. Mạch từ tương đương rút gọn khi chưa xét đến phản ứng phần ứng .... 64 Hình 2.19. Mặt cắt nam châm sử dụng trong động cơ BLDC ................................. 64 Hình 2.20. Từ trường tại điểm làm việc nam châm với độ phủ 𝛼 khác nhau, khi gông từ rotor mỏng ................................................................................................... 66 Hình 2.21. Từ trường tại điểm làm việc nam châm với độ phủ 𝛼 khác nhau, khi gông từ rotor dày ...................................................................................................... 66 Hình 2.22. Đường đi của từ thông khi chưa xét đến phán ứng phần ứng................ 66 Hình 2.23. Mô hình động cơ BLDC rotor ngoài với chiều rộng miệng rãnh là 6mm .................................................................................................................................. 67 Hình 2.24. Từ trường tại điểm làm việc nam châm (Bm) và tại khe hở không khí (Bg) tương ứng với chiều rộng miệng rãnh 6 mm .................................................... 68 Hình 2.25. Mạch từ tương đương rút gọn khi xét đến phản ứng phần ứng ............. 68 Hình 2.26. Mật độ và dòng từ thông tương ứng phản ứng phần ứng khử từ trong động cơ BLDC - 12 rãnh,16 cực .............................................................................. 69 Hình 2.27. Mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm theo thông số khảo sát tại bảng 2.3 (---: Bỏ qua phản ứng phần ứng; —: Có xét đến phản ứng phần ứng khử từ).............................................................................................................................. 71 Hình 2.28. Mật độ từ thông tại điểm làm việc tương ứng thông số khảo sát tại bảng 2.3 (xét đến phản ứng phần ứng khử từ) .................................................................. 71 Hình 2.29. Mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm theo thông số khảo sát bảng 2.3. (---: Bỏ qua phản ứng phần ứng; —: Có xét đến phản ứng phần ứng trợ từ).............................................................................................................................. 72 Hình 2.30. Mật độ từ thông tại điểm làm việc tương ứng thông số khảo sát bảng 2.3 .................................................................................................................................. 72 xiii
(xét đến phản ứng trợ từ) .......................................................................................... 72 Hình 2.31. Đặc tính dòng điện và mô men khởi động theo thông số khảo sát bảng 2.3. ............................................................................................................................ 72 Hình 2.32. Mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm ở chế độ xác lập. ........... 73 Hình 2.33. Phân bố mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm ở chế độ xác lập. .................................................................................................................................. 73 Hình 2.34. Mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm ở chế độ quá độ. ............ 73 Hình 3.1. Vị trí tương đối giữa nam châm và răng stator sinh mô men đập mạch .. 75 Hình 3.2. Các giai đoạn điển hình của chu kỳ mô men đập mạch........................... 78 Hình 3.3. Từ trường tản trong rãnh và giản đồ đường đi từ thông .......................... 79 Hình 3.4. Giá trị mô men đập mạch theo chiều rộng miệng rãnh và độ phủ nam châm.......................................................................................................................... 79 Hình 3.5. Giá trị mô men đập mạch lớn nhất và nhỏ nhất của động cơ BLDC....... 80 (---: Mô men đập mạch ứng với bs0=4mm và α=0,8; —: Mô men đập mạch ứng với bs0=2mm và α=0,7) ................................................................................................... 80 Hình 3.6. Mật độ từ thông khe hở không khí động cơ BLDC theo bs0 và α ............ 80 Hình 3.7. Tốc độ định mức động cơ BLDC theo bs0 và α ....................................... 81 Hình 3.8. Mật độ từ thông trong động cơ BLDC tại bs0=2mm và α=0,7 ................ 81 Hình 3.9. Phân bố từ trường khe hở không khí theo góc điện ................................. 83 Hình 3.10. Mô men đập mạch theo biến đổi Fourier với độ phủ nam châm 𝛼 = 0,5 .................................................................................................................................. 85 Hình 3.11. Mô men đập mạch theo biến đổi Fourier với độ phủ nam châm 𝛼 = 0,75 .................................................................................................................................. 85 Hình 3.12. Mô men đập mạch theo biến đổi Fourier với độ phủ nam châm 𝛼 = 1 85 Hình 3.13. Đặc tính mô men tốc độ góc trong động cơ BLDC ứng với giá trị α và tốc độ đặt khác nhau ................................................................................................. 86 Hình 3.14. Đặc tính tốc độ động cơ BLDC với độ phủ nam châm α=0,5-1 ............ 86 Hình 3.15. Đặc tính mô men cơ động cơ BLDC với độ phủ nam châm α=0,5-1 ... 86 Hình 3.16. Đặc tính mô men đập mạch động cơ BLDC theo độ phủ nam châm α=0,5-1...................................................................................................................... 87 xiv
Hình 3.17. Đặc tính dòng điện (mA) động cơ BLDC theo độ phủ nam châm α=0,5- 1 ................................................................................................................................ 87 Hình 3.18. So sánh công suất điện động cơ BLDC theo độ phủ nam châm α=0,7 và α=1 ............................................................................................................................ 87 Hình 4.1. Lưu đồ thiết kế động cơ BLDC ............................................................... 93 Hình 4.2. Lưu đồ thuật toán thiết kế tối ưu chiều cao hướng trục stator ................. 94 Hình 4.3. Chuyển hóa năng lượng trong động cơ điện ............................................ 95 Hình 4.4. Cấu trúc rãnh quả lê ................................................................................. 98 Hình 4.5. Cấu trúc rãnh hình thang .......................................................................... 99 Hình 4.6. Mô hình minh họa từ thông tản trong các rãnh stator [58] .................... 100 Hình 4.7. Mô hình tổng quát từ thông tản rãnh hình thang ................................... 101 Hình 4.8. Mô hình quy đổi bối dây từ Tp vòng dây trên một răng........................ 103 Hình 4.9. Mô hình quy đổi để tính điện cảm tản phần đầu cuối ............................ 103 Hình 4.10. Lưu đồ thuật toán kiểm tra η và kE ...................................................... 105 Hình 4.11. Sơ đồ dây quấn động cơ BLDC - 12 rãnh, 16 cực ............................... 107 Hình 4.12. Thuật toán thiết kế và kết quả tính toán động cơ BLDC theo thông số bảng 4.2 .................................................................................................................. 112 Hình 4.13. Thuật toán thiết kế và kết quả tính toán động cơ BLDC sau khi hiệu chỉnh thông số kE và η ........................................................................................... 113 Hình 4.14. Động cơ BLDC thiết kế trên môi trường RMxprt ............................... 114 Hình 4.15. Động cơ BLDC thiết kế trên môi trường Maxwell 2D ........................ 114 Hình 4.16. Mật độ từ thông tại khe hở không khí theo Dor.................................... 115 Hình 4.17. Mật độ từ thông tại gông rotor theo Dor ............................................... 116 Hình 4.18. Mật độ từ thông tại răng stator theo Dor............................................... 116 Hình 4.19. Kích thước mạch từ stator được chế tạo theo thông số ở phụ lục A4 . 117 Hình 4.20. Đặc tính mô men và tốc độ động cơ BLDC được thiết kế tương ứng với giá trị 187,5 rpm ..................................................................................................... 117 Hình 4.21. Đặc tính dòng điện, điện áp động cơ thiết kế tương ứng với tốc độ 187,5 rpm .......................................................................................................................... 118 Hình 4.22. Đặc tính công suất cơ, công suất điện, hiệu suất động cơ tương ứng với tốc độ 187,5 rpm ..................................................................................................... 118 xv
Hình 4.23. Mật độ từ thông tại khe hở không khí tương ứng với tốc độ 187,5 rpm tại thời điểm t=0s và t=0,7s .................................................................................... 118 Hình 4.24. Mật độ từ thông trên động cơ BLDC tương ứng với tốc độ 187,5 rpm ................................................................................................................................ 119 Hình 4.25. Cấu trúc cực từ động cơ BLDC: (a) cực từ nguyên bản; (b) cực từ được vát mép ................................................................................................................... 119 Hình 4.26. Đặc tính mô men, tốc độ động cơ thiết kế với tốc độ 187,5 rpm ........ 119 Hình 4.27. Đặc tính dòng điện, điện áp động cơ thiết kế với tốc độ 187,5 rpm .... 120 Hình 4.28. Đặc tính công suất cơ, công suất điện, hiệu suất động cơ với tốc độ 187,5 rpm ................................................................................................................ 120 Hình 4.29. Mật độ từ thông tại khe hở không khí với tốc độ 187,5 rpm tại thời điểm t=0s và t=0,7s.......................................................................................................... 120 Hình 4.30. So sánh đặc tính mô men, dòng điện trước và sau khi vát mép cực stator ................................................................................................................................ 121 Hình 4.31. Sơ đồ nguyên lý đo đặc tính B-H thép Posco 1300 [20] ..................... 122 Hình 4.32. Quá trình chế tạo lõi thép và đo thực nghiệm đặc tính B-H ................ 123 Hình 4.33. Đặc tính B-H và độ từ thẩm tương đối của thép C45 .......................... 125 Hình 4.34. Đặc tính B-H và độ từ thẩm tương đối của thép Posco 1300 .............. 125 Hình 4.35. Chế tạo mạch từ stator và dây quấn ..................................................... 126 Hình 4.36. Chế tạo gông từ rotor và gắn nam châm hình thành rotor ................... 126 Hình 4.37. Lắp ráp hoàn thiện động cơ BLDC rotor ngoài - 12 rãnh, 16 cực ....... 126 Hình 4.38. Động cơ BLDC nguyên mẫu với độ phủ nam châm α=1 .................... 127 Hình 4.39. Động cơ BLDC chế tạo thực nghiệm với độ phủ nam châm α=0,7 .... 127 xvi
MỞ ĐẦU ✓ Lý do chọn đề tài Ngày nay khi mối quan tâm về môi trường tăng lên, động cơ điện có hiệu suất cao hơn luôn được tìm kiếm để đáp ứng đối với hệ thống truyền động tiết kiệm năng lượng. Một nghiên cứu được công bố vào năm 2008 đã chỉ ra rằng động cơ điện chiếm 65% năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới [1]. Do đó, việc sử dụng các động cơ điện có hiệu suất cao chẳng hạn như động cơ điện nam châm vĩnh cửu gần đây đã nhận được sự quan tâm lớn. Động cơ nam châm vĩnh cửu không có cuộn dây rotor nên tổn thất đồng thấp hơn và có hiệu suất cao hơn so với động cơ cảm ứng. Đối với các ứng dụng tốc độ thấp, dưới 500 vòng/phút, động cơ nam châm vĩnh cửu có thể không cần hộp số. Theo truyền thống, để điều chỉnh tốc độ và mô men của hệ truyền động thì sử dụng động cơ cảm ứng kết hợp với hộp số. Tuy nhiên hệ truyền động này có nhược điểm gây ra tiếng ồn, tốn kém vật tư, nhân công bảo dưỡng và hiệu suất truyền động thấp. Do đó việc loại bỏ hộp số là cần thiết, để chuyển sang truyền động trực tiếp sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu ghép trực tiếp với tải đáp ứng tốc độ thấp (hoặc tốc độ cao). Hệ truyền động trực tiếp có một yêu cầu quan trọng là chất lượng mô men điện từ được tạo ra phải có giá trị gợn xung mô men nhỏ nhất để đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru, tiếng ồn thấp và ít rung lắc. Các gợn xung mô men trong động cơ điện nói chung là do các sóng điều hòa phụ thuộc thời gian và không gian của từ trường khe hở không khí gây ra. Sóng điều hòa phụ thuộc không gian còn được gọi là mô men đập mạch (cogging torque), sinh ra bởi sự tương tác giữa nam châm vĩnh cửu và rãnh stator [2]. Như vậy, mô men đập mạch là một hiện tượng cố hữu trong động cơ nam châm vĩnh cửu có rãnh. Mô men đập mạch ảnh hưởng đến việc tăng và giảm tốc độ động cơ trong từng thời điểm. Nó là một trong những nguồn tạo ra gợn xung mô men không mong muốn khi gây ra tiếng ồn, rung động âm thanh, làm biến dạng sóng điều hòa và mài mòn vòng bi ở tốc độ thấp [3]. Do đó vấn đề phải giảm thiểu mô men đập mạch để nâng cao hiệu năng động cơ nam châm vĩnh cửu bằng cách phân tích, tính toán các thông số tạo ra mô men đập mạch hoặc thiết kế động cơ theo công nghệ mới. Một trong những cách nâng cao hiệu năng động cơ được áp dụng để nghiên cứu, chính là phân tích, tính toán và lựa chọn các thông số tốt nhất khi thiết kế. Như vậy đề tài “Nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men động cơ BLDC rotor ngoài trong truyền động trực tiếp” là hết sức cần thiết trong bối cảnh này. ✓ Mục đích của luận án - Nghiên cứu ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh (bs0), tỷ số cung cực trên bước cực (α - độ phủ nam châm) đến mô men đập mạch ở động cơ BLDC rotor ngoài, nam châm Ferrite có mật độ từ dư nhỏ (𝐵𝑟 = 0,39𝑇). 1
- Nghiên cứu sự tác động của phản ứng phần ứng đến nam châm trong quá trình xác lập và quá độ, từ đó đưa ra phương án hiệu chỉnh số vòng dây để đảm bảo động cơ vận hành tin cậy. Xác định tỷ lệ chiều dài hướng trục stator và rotor sao cho phù hợp với nam châm. - Đề xuất giá trị hai thông số chiều rộng miệng rãnh (bs0), tỷ số cung cực trên bước cực (α) phù hợp trong thiết kế động cơ BLDC rotor ngoài để giảm mô men đập mạch. ✓ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: Xây dựng lưu đồ thiết kế với các vòng hiệu chỉnh bằng phương trình toán và kết quả mô phỏng phản ánh tương đối chính xác chế độ làm việc xác lập của động cơ. Sử dụng chuỗi Fourier như một công cụ để phân tích mật độ từ thông tại khe hở không khí với một giá trị độ phủ nam châm được lựa chọn, sẽ tối thiểu các sóng hài bậc cao, từ đó giảm được mô men đập mạch. - Ý nghĩa thực tiễn: Chế tạo hai mẫu động cơ theo quan điểm thiết kế của luận án và thử nghiệm thành công trong dải tần số từ 7,2 Hz đến 25 Hz. Các kỹ sư có thể sử dụng lưu đồ thiết kế BLDC rotor ngoài do luận án đề xuất để tính toán, thiết kế và điều chỉnh cấu trúc động cơ phù hợp với yêu cầu thực tế. ✓ Đối tượng nghiên cứu Động cơ BLDC rotor ngoài, công suất 38 W, tải (cánh quạt) nối trực tiếp, lưu lượng gió 230 m3/1 phút, 9 cấp tốc độ ứng với dải tần số từ 7,2 Hz đến 25 Hz. ✓ Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu giảm mô men đập mạch động cơ BLDC rotor ngoài khi xét đến các yếu tố chiều rộng miệng rãnh, tỷ lệ cung cực trên bước cực và thực nghiệm chế tạo động cơ công suất 38 W. ✓ Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, tham khảo tài liệu trong nước và quốc tế. Đặt ra bài toán, xây dựng và mô hình hóa động cơ. - Sử dụng phương pháp mạch từ tương đương và giải tích để nghiên cứu tính toán xác định mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm. Áp dụng phương pháp PTHH trên Ansys Maxwell để mô phỏng các đặc tính điện từ ở chế độ tĩnh và động. - Thực nghiệm chế tạo và kiểm chứng. Đánh giá, ưu nhược điểm mô hình và đề xuất. 2