Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài "Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc" là nghiên cứu, thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ ba pha trên cơ sở tối ưu các thông số kết cấu, điều khiển trong quá trình hoạt động của động cơ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021 Hà Nôi - 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thế Công TS. Trần Tuấn Vũ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp gắn liền với sự phát triển của các hệ thống điều khiển. Xuất phát từ những yêu cầu mới khắt khe, các nhà máy sản xuất thông minh, tự động với các thiết bị máy móc hiện đại như CNC, robot… đang dần thay thế các loại máy móc lạc hậu và phương thức điều khiển, vận hành cũ. Xu hướng này kéo theo nhu cầu sử dụng động cơ servo trong điều khiển truyền động đang ngày càng phát triển. Cách mạng công nghiệp 4.0 được đánh dấu bởi sự xuất hiện và mở rộng không ngừng của máy móc hiện đại, thiết bị sản xuất thông minh cùng với bước phát triển đột phá của nền công nghiệp cơ khí và điện tử chính xác, các hoạt động sản xuất được giao phần lớn cho robot thực hiện. Việc xuất hiện của động cơ servo đã góp phần thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu ngành tự động hoá ở nước ta, nhằm tăng chất lượng sản phẩm, mức độ an toàn, tiết kiệm chi phí nhân công và tăng năng suất sản phẩm. Tự động hóa nói riêng cũng như cách mạng công nghiệp 4.0 nói chung là một xu thế không thể đảo ngược. Hệ thống servo được tích hợp động cơ với bộ điều khiển đặc biệt cần thiết trong sản xuất hiện đại bởi chúng có khả năng điều khiển chính xác các thiết bị (như cánh tay robot) ở tốc độ cao với cơ chế cho phép thực hiện 3 loại điều khiển: vị trí, mômen, tốc độ hoặc kết hợp các cơ chế điều khiển này. Động cơ servo là bộ phận quan trọng trong hệ thống servo. Việc thiết kế động cơ servo phải đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe trong các hệ thống này như mômen cao hơn, kích thước nhỏ hơn, thời gian đáp ứng nhanh. Chính vì vậy, “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là cấp thiết và có tính thời sự. Động cơ servo đòi hỏi nhiều tiêu chí và hoạt động trong một dải mômen - tốc độ rộng. Đề tài nghiên cứu thiết kế tối ưu bằng cách tối ưu các thông số kết cấu, điều khiển trong quá trình hoạt động. Cách tiếp cận này bao gồm kết hợp tối ưu thuật toán và mô hình đa vật lý để đạt được thiết kế tối ưu. Kết quả tối ưu nhận được bằng mô phỏng và kiểm nghiệm trên mô hình thực nghiệm. 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu, thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha trên 1
cơ sở tối ưu các thông số kết cấu, điều khiển trong quá trình hoạt động của động cơ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mẫu thử ảo. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp xây dựng mô hình, mô phỏng và thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Kiểm nghiệm kết quả bằng phân tích phần tử hữu hạn và mô phỏng. Chế tạo mẫu thử, thử nghiệm đánh giá kết quả thiết kế tối ưu. Ý nghĩa thực tiễn Ở Việt Nam, trong lĩnh vực sản xuất động cơ điện, chủ yếu sản xuất động cơ không đồng bộ với tốc độ tối đa 3000 (v/ph). Động cơ servo chưa được nghiên cứu và sản xuất hoàn chỉnh. Việc nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu động cơ servo, trên cơ sở mô phỏng và thực nghiệm, làm cơ sở cho nghiên cứu, thiết kế, chế tạo loại động cơ này trong lĩnh vực ứng dụng. 6. Dự kiến các kết quả đạt được - Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu ngay từ bước mô hình áp dụng cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha. - Xây dựng thuật toán tối ưu hai hàm mục tiêu đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha. Kết quả tối ưu được thể hiện trên phân bổ tối ưu đa mục tiêu Pareto. - Xây dựng mô hình mẫu thử ảo thông qua mô phỏng nhiệt - điện từ, thử nghiệm mẫu thử động cơ servo không đồng bộ 3 pha. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về động cơ servo 2
Phân loại động cơ servo Sơ đồ phân loại động cơ servo được biểu diễn ở hình 1.1. Hình 1.1. Phân loại động cơ servo Ứng dụng của động cơ servo Công nghệ servo ngày càng phát triển vì vậy ứng dụng của động cơ servo ngày càng được mở rộng. Một số hãng trên thế giới như Siemens, Mitsubishi, Panasonic đã chế tạo động cơ servo và được ứng dụng trong những ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao như: gia công kim loại, băng tải, robot, CNC, cửa tự động. Các chế độ làm việc của động cơ Sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường So với động cơ công nghiệp thường được thiết kế theo các thông số định mức như mômen, điện áp, dòng điện… (điểm ), động cơ servo được thiết kế để hoạt động trong dải tốc độ rộng nhằm đảm bảo mômen trong hai vùng làm việc cực đại và liên tục. Đặc tính làm việc mômen – tốc độ điển hình của động cơ servo được biểu diễn như hình 1.3. Hình 1.3. Đặc tính mômen – tốc độ của động cơ servo ---- Đường đặc tính tối đa của động cơ Đường đặc tính làm việc liên tục của động cơ 3
1.2 Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các vật liệu bán dẫn dùng cho điện tử công suất, công suất tính toán của các chip điện tử và phương pháp toán ứng dụng trong động cơ, việc điều khiển chính xác mômen/tốc độ động cơ trong dải hoạt động rộng trở nên dễ dàng. Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo trên thế giới tiếp tục phát triển không ngừng: - Phát triển phần mềm mô hình hóa và kết nối các hiện tượng đa vật lý (cơ-nhiệt-điện từ-rung-ồn) trong động cơ bằng các mô hình giải tích và phần tử hữu hạn với sự thỏa hiệp giữa cấp chính xác và thời gian tính toán]. - Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán tối ưu (SQP - Sequential Quadratic Programming, GA - Genetic Algorithms, PSO – Particle Swarm Optimization, Space-Mapping) để giải các bài toán thiết kế tối ưu hóa động cơ đơn hoặc đa mục tiêu: giảm khối lượng/giá, tăng hiệu suất động cơ, tăng mômen cực đại và công suất tại tốc độ cao. 1.3 Kết luận chương 1 Nội dung chương 1 đã trình bày tổng quan về động cơ servo, các ứng dụng, đặc tính làm việc, phân loại và sự khác nhau giữa động cơ servo và động cơ thường. Phân tích các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo. Dựa trên kết quả các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo, đề tài “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là cấp thiết với các kết luận: Các nghiên cứu tối ưu đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc không có nhiều, các bài toán tối ưu chủ yếu là các mục tiêu riêng biệt như giảm khối lượng hay tăng hiệu suất của động cơ… Các nghiên cứu chưa sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc kết hợp mô hình hóa mẫu thử ảo để giảm thời gian tính toán và các vòng lặp chế tạo mẫu. Từ đó tác giả đề xuất hướng nghiên cứu với các bước tiến hành của luận án như sau: - Nghiên cứu thiết kế tối ưu hai mục tiêu đối với động cơ servo: cực đại mômen, cực tiểu khối lượng, xác định phân bổ Pareto. - Kiểm nghiệm thiết kế bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEA). - Mô phỏng nhiệt động cơ. - Sản xuất mẫu thử prototype động cơ servo, đo đạc, thử nghiệm, so sánh kết quả. 4
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo Lý thuyết tối ưu Việc tối ưu hóa hay tìm giá trị cực đại (hoặc cực tiểu) của một mục tiêu được thay bằng mô hình toán học của yêu cầu (mục tiêu) đó giúp giải quyết một cách logic hơn. Nó phải xác định chính xác bằng các công thức: ( )= ( ), ( ), … , ( ) (2.1) − { , ,…, } ∈ ℝ (2.2) ∈ − , ,…, , = 1, … , (2.3) Ràng buộc: ( ) ≤ 0, = 1, … , (2.4) ℎ ( ) = 0, = 1, … , Trong đó các hàm mục tiêu (f1(X), f2(X), ...) là một hoặc nhiều tiêu chí xác định mục tiêu, các biến hoặc các tham số thiết kế (X = {x1, x2, ..., xn}) và các ràng buộc tuyến tính, phi tuyến (gj(X), hk(X)). Tối ưu đa mục tiêu Giải quyết vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu không dẫn đến một giải pháp toàn cục duy nhất. Do tính chất mâu thuẫn của các mục tiêu, có thể có được số lượng giải pháp vô hạn trong đó mỗi giải pháp duy nhất gán các mức độ ưu tiên khác nhau cho các mục tiêu. Các giải pháp được gọi là điểm trong phân bổ tối ưu Pareto. Điểm tối ưu trong phân bổ Pareto được định nghĩa như sau: Điểm x*∈ X là tối ưu Pareto khi và chỉ khi không tồn tại điểm khác x ∈ X , sao cho f(x) ≤ f(x*) và fi(x) < fi(x*) cho ít nhất một hàm mục tiêu. Hình 2.1 thể hiện tối ưu hai mục tiêu được định nghĩa bởi biểu đồ phân bổ Pareto. Sau đó, tùy thuộc vào người ra quyết định để chọn một điểm từ biểu đồ phân bổ tối ưu Pareto. Thuật toán quy hoạch đa thức bậc 2 (SQP) là một trong những phương pháp hiệu quả để giải quyết các vẫn đề tối ưu hóa ràng buộc phi tuyến. Nội dung cơ bản của thuật toán quy hoạch đa thức bậc 2 bắt ngồn từ Wilson (Wilson -1963) và được phổ biến bởi Han (Han-1977) và Powell (Powell-1978). 5
Hình 2.1. Biểu đồ phân bổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto Vấn đề lập trình phi tuyến: ( ) (2.5) ( ) = 0 j = 1, … . , m (2.6) ( ) ≤ 0 j = m + 1, . … , n (2.7) Một trong các phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu hiệu quả là thuật toán ràng buộc ɛ (ɛ-constraint). Trong phương pháp này, một trong các hàm mục tiêu được chọn để tối ưu hóa f1(x) trong khi các hàm khác f2(x), f3(x) được chuyển thành các ràng buộc bổ sung biến bài toán đa mục tiêu thành đơn mục tiêu, dẫn đến một giải pháp được chứng minh là luôn tối ưu trong phân bổ Pareto. Thay đổi có hệ thống các giá trị của hàm mục tiêu thành các ràng buộc bổ sung f2(x) ≤ {ɛ1, ɛ2,.., ɛn} dẫn đến việc tạo ra một biên giới Pareto phân bố đều. Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ-constraint được thể hiện trong Hình 2. 2.2. Hình 2.2. Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ -constraint Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động cơ servo Phương pháp thiết kế tối ưu đề xuất được thể hiện như lưu đồ thuật toán như trên hình 2.7. 6
Hình 2.7. Lưu đồ thuật toán thiết kế tối ưu được đề xuất Kết quả thiết kế tối ưu được kiểm nghiệm bằng mô phỏng phần tử hữu hạn FEA. Khi có kết quả kiểm tra mô phỏng nhiệt của các bộ phận trong động cơ, nếu đạt sẽ cho ra kết quả thiết kế kết cấu làm mát cho động cơ. Nếu không đạt sẽ tối ưu thiết kế làm mát và tiếp tục mô phỏng nhiệt. Bước tiếp theo là xây dựng mô hình 3D cho động cơ và tiến hành chế tạo mẫu thử. Sau khi chế tạo hoàn thiện động cơ, sẽ tiến hành thử nghiệm, đo các thông số tại các điểm hoạt động của động cơ. Kết quả thử nghiệm được so sánh với kết quả thiết kế để kiểm tra phương pháp thiết kế tối ưu và sai số trong quá trình chế tạo mẫu thử. 2.1.3.1. Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế Thiết kế động cơ servo xoay chiều 3 pha, thỏa mãn các yêu cầu: - Công suất cực đại 1 HP (750W) trong dải tốc độ [500 : 1000] rpm; - Công suất liên tục 0,5HP (375W); 7
- Dòng điện cực đại ≤ 3 A; - Điện áp dây cực đại ≤ 380V; - Tốc độ lớn nhất 3500 rpm; - Động cơ làm mát tự nhiên; - Chi phí sản xuất thấp nhất. 2.1.3.2. Xây dựng bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha Động cơ servo hoạt động cần thời gian đáp ứng nhanh và mômen quá tải lớn. Vì vậy động cơ cần có khối lượng nhỏ và mômen lớn. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu của động cơ ba pha servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc nhôm, tốc độ tối đa 3500 rpm được xây dựng thể hiện như lưu đồ thuật toán hình 2.8: Hình 2.8. Lưu đồ thuật toán thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha 8
Trong đó: - 02 hàm mục tiêu: + Tối thiểu hóa khối lượng điện từ động cơ servo Welectrom =f (D, L, U, f2) + Tối đa hóa mômen cực đại của động cơ Tm = f (D, L, U, f2) - Với các biến thiết kế: + D: Đường kính trong của stator D = [40 – 150] (mm) + L: Chiều dài lõi sắt L = [30 – 180] (mm) +U: Điện áp dây U=[70 – 380](V) +f2: Tần số trượt của động cơ f2=[1 – 25] (Hz) - Các ràng buộc: + Công suất cực đại tại 1000 rpm là 1HP (750W) + Dòng điện cực đại cấp cho động cơ ≤ 3 A + Mật độ dòng điện cực đại ≤ 9 A/mm2 + Hệ số lấp đầy rãnh (sản xuất) ≤ 75% + Điện áp dây cực đại ≤ 380 V Hai mục tiêu mâu thuẫn nhau được chọn: tối đa hóa mômen cực đại và giảm thiểu khối lượng điện từ của động cơ (mạch từ stator/rotor, dây quấn stator bằng đồng và lồng rotor bằng nhôm). Các biến thiết kế thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng và mômen cực đại của động cơ. Xuất phát từ các yêu cầu thiết kế động cơ servo, tiến hành xây dựng mô hình giải tích động cơ servo không đồng bộ 3 pha trong môi trường matlab với các biến thiết kế, ràng buộc và hàm mục tiêu như trên. Áp dụng thuật toán tối ưu hóa ɛ-constraint chuyển hàm mục tiêu cực đại mômen Tm thành ràng buộc bổ sung với các bước nhảy ɛi = [12:0,5:19]. Hàm mục tiêu cực tiểu hóa khối lượng được giữ nguyên. Sử dụng thuật toán fmincon (SQP) tích hợp trong matlab để chạy tối ưu. Nếu quá trình chạy thuật toán ứng với từng bước nhảy ɛi (Tmi) hội tụ, kết quả tối ưu tương ứng đạt được chính là khối lượng cực tiểu (Wi) thỏa mãn các ràng buộc yêu cầu. Tập hợp các điểm khối lượng – mômen (Wi, Tmi) tạo thành đặc tính phân bổ tối ưu Pareto. Nếu quá trình chạy thuật toán không hội tụ về kết quả tối ưu, tiến hành lựa chọn lại điểm ban đầu và lặp lại quy trình. 9
Kết quả phân bổ tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu khối lượng và mômen cực đại được biễu diễn ở hình 2.10. Hình 2.10. Đặc tính phân bố tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu Trên đồ thị đặc tính phân bố tối ưu Pareto, điểm (♦) là điểm lựa chọn thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha. Động cơ được chọn có mômen cực đại là 15 N.m với khối lượng điện từ tối thiểu là 9,52 kg. 2.1.3.3. Đặc tính động cơ tối ưu *) Xây dựng các đặc tính chế độ cực đại (đường nét đứt ----). Đặc tính mômen cực đại – tốc độ được biểu diễn như hình 2.11 là tập hợp các giá trị mômen cực đại tại các điểm tốc độ khác nhau. Tại mỗi điểm tốc độ, mômen cực đại được xác định thông qua việc lựa chọn giá trị điện áp (U) và tần số (f) phù hợp thỏa mãn các ràng buộc về dòng điện trong dây quấn stator Is ≤ 3 A, điện áp dây U ≤ 380 V. *) Xây dựng các đặc tính chế độ liên tục (đường nét liền ). Chế độ làm việc liên tục phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện của động cơ không vượt qua độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài. Lựa chọn mật độ dòng điện J = 4,5 A/mm2, lựa chọn giá trị điện áp (U) và tần số (f) phù hợp để xác định mômen tại các điểm tốc độ khác nhau. Tập hợp các giá trị mômen tại các điểm, xây dựng được đặc tính mômen – tốc độ của động cơ hoạt động ở chế độ liên tục như hình 2.11. 10
Hình 2.11. Đặc tính mômen – tốc độ của động cơ tối ưu Dựa vào kết quả các giá trị mômen tại các điểm tốc độ khác nhau, sẽ tính toán được công suất của động cơ tương ứng ở chế độ làm việc liên tục và ngắn hạn. Tập hợp các giá trị công suất tại các điểm tốc độ khác nhau, xây dựng được đặc tính công suất tại các điểm làm việc ngắn hạn và liên tục như hình 2.12. Công suất động cơ thỏa mãn yêu cầu đề bài đưa ra. Hình 2.12. Đặc tính công suất theo tốc độ 2.2 Mô phỏng phần tử hữu hạn Lý thuyết rãnh nghiêng rotor Mô phỏng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh thẳng Hình 2.16 biễu diễn kết quả mômen trung bình và độ nhấp nhô theo góc nghiêng rotor. Dựa vào đồ thị có thể chọn góc nghiêng tối ưu nhất. Tại điểm góc nghiêng 7,50C(tương ứng góc nghiêng 1 rãnh), độ nhấp mômen giảm nhiều trong khi mômen trung bình giảm không đáng kể. 11
Vì vậy, động cơ được lựa chọn nghiêng 1 rãnh rotor cho thiết kế tối ưu. Hình 2.16. Kết quả mô phỏng FEA mômen và độ nhấp nhô theo góc nghiêng Hình 2.17, hình 2.18 cho thấy mô phỏng FEA 2D của mômen cực đại tại n = 500rpm trong trường hợp rãnh thẳng và rãnh rotor nghiêng. Kết quả mômen trung bình thu được là 14,66 N.m, với 2,98 A, dao động mômen là 0,8 N.m khi rãnh nghiêng (Hình 2.17) so với 15,01 N.m (cùng dòng điện) và dao động mômen cực đại là 1,6 N.m khi rãnh thẳng (Hình 2.18). Dao động mômen giảm 50% với giá trị mômen trung bình giảm chỉ 2,3%. Hình 2.17. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh nghiêng Tiến hành mô phỏng FEA tại một số điểm hoạt động (tốc độ) khác nhau. So sánh với thiết kế tối ưu, kết quả được thể hiện như trong hình 2.21. Các kết quả mô phỏng FEA ở chế độ cực đại và liên tục khi so sánh với kết quả thiết kế tối ưu, sai số nhỏ hơn 10%. 12
Hình 2.18. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh thẳng Hình 2.21. So sánh mô phỏng FEA và thiết kế tối ưu 2.3 Kết luận chương 2 Nội dung chương 2 đã trình bày một phương pháp mới thiết kế tối ưu động cơ sử dụng các thuật toán trên cơ sở tối ưu các thông số kết cấu, điều khiển, ứng dụng cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán tối ưu hóa, nhằm giảm các vòng lặp chế tạo mẫu thử tốn kém về chi phí và thời gian của phương pháp thiết kế máy điện “truyền thống”. Dựa trên phân bổ Pareto đưa ra phương án lựa chọn tốt nhất giữa khối lượng điện từ và mômen cực đại sau khi đánh giá mô hình bằng thuật toán ɛ- constraint kết hợp thuật toán quy hoạch đa thức bậc 2 (SQP) trong matlab. Một thiết kế tối ưu được lựa chọn trên đặc tính phân bổ Pareto với khối lượng điện từ là 9,52 kg, mômen cực đại đạt được 15 N.m. Một thiết kế khác có thể làm tăng mômen cực đại nhưng với khối lượng lớn hơn. Đặc tính mômen – tốc độ của động cơ được xây dựng với các điểm hoạt động tối ưu của chế độ làm việc liên tục và chế độ 13
cực đại. Thiết kế rotor rãnh nghiêng được so sánh với rotor rãnh thẳng nhờ phân tích mô phỏng FEA. Góc nghiêng tối ưu lựa chọn cho thiết kế động cơ là 7,50C. Mô phỏng FEA tại một số điểm hoạt động khác nhau (tốc độ khác nhau) để kiểm nghiệm mô hình thiết kế tối ưu. Kết quả sai số giữa hai mô hình thấp hơn 10%. Các kết quả chương 2 được công bố trong bài báo số [3], [5]. CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO 3.1 Phân tích nhiệt trong động cơ Đặt vấn đề Tản nhiệt trong động cơ thông qua hai hình thức: truyền nhiệt trong vật rắn và tản nhiệt nhờ bức xạ, đối lưu. Giải quyết bài toán tản nhiệt cho động cơ là vấn đề quan trọng khi thiết kế. Quá trình tính toán nhiệt liên quan chặt chẽ đến việc làm nguội và xác định độ tăng nhiệt θ cho phép giữa dây quấn động cơ và môi trường bên ngoài. Nguyên lý cơ bản về truyền nhiệt và dẫn nhiệt trong động cơ 3.2 Mô hình phát nhiệt của động cơ Đặt vấn đề Mô hình nhiệt của động cơ Hình 3.2 cho thấy mô hình mạng nhiệt được xây dựng. Hình 3.2. Mô hình nhiệt động cơ 14
3.3 Tính toán độ tăng nhiệt ở chế độ ổn định 3.4 Mô phỏng nhiệt động cơ Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc liên tục *) Trường hợp nắp động cơ kín Hình 3.3 biểu diễn nhiệt độ theo thời gian của một số bộ phận trong động cơ servo không đồng bộ ở chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên tại tốc độ n=500rpm, mômen đạt được của động cơ M = 4,8 N.m. Nhiệt độ môi trường là 400C, sau khoảng thời gian 3,8h nhiệt độ động cơ đạt bão hòa. Hình 3.3. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên Kết quả phân tích nhiệt cho thấy, nhiệt độ của dây quấn stator là 154,80C, thanh dẫn lồng sóc là 1770C. Qua phân tích kết quả nhận được trong trường hợp nắp kín chúng ta nhận thấy nhiệt độ trên dây quấn stator và rotor ở ngưỡng và vượt quá điều kiện cho phép của cấp F (
mãn điều kiện cho phép của cấp F (
thời gian 900s, để nhiệt độ dây quấn đạt 1550C và nhiệt độ tại điểm cao nhất của động cơ ở thanh dẫn lồng sóc là 2070C. *) Khi thiết kế hở nắp động cơ Hình 3.11 thể hiện độ nhiệt độ theo thời gian của một số bộ phận chính của động cơ tại n = 500 rpm, làm mát tự nhiên, chế độ làm việc ngắn hạn khi thiết kế nắp hở. Khoảng thời gian nhiệt độ dây quấn động cơ đạt đến giới hạn ngưỡng nhiệt độ cho phép của cấp cách điện F trong trường hợp này là 990s, thời gian làm việc ngắn hạn của động cơ tăng lên 10% (so với 900s trong trường hợp nắp kín). Khi đó nhiệt độ dây quấn đạt 152,50C và nhiệt độ tại điểm cao nhất của động cơ ở thanh dẫn lồng sóc là 212,70C. Hình 3.11. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự nhiên khi thiết kế hở nắp 3.5 Kết luận chương 3 Nội dung chương 3 đã trình bày kết quả phân tích nhiệt của động cơ servo. Các kết quả mô phỏng nhiệt tại tốc độ 500 rpm, đối với chế độ hoạt động liên tục, sau một khoảng thời gian các bộ phận trong động cơ sẽ ổn định nhiệt. Tại các điểm hoạt động ngắn hạn bị giới hạn về nhiệt, tùy từng điểm tốc độ cụ thể mà thời gian hoạt động cho phép là khác nhau. Phân tích kết quả nhận được trong trường hợp nắp kín, nhận thấy nhiệt độ trên dây quấn stator và rotor ở ngưỡng và vượt quá điều kiện cho phép của cấp F (
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Đặt vấn đề Động cơ servo thường yêu cầu các thông số kỹ thuật phức tạp: hoạt động trong một dải mômen lớn - tốc độ rộng, thời gian quá độ nhỏ, trọng lượng nhỏ, điều khiển chính xác, thiết kế nhỏ gọn. Trong quy trình thiết kế kỹ thuật, tiếp theo bước thiết kế tối ưu với các hàm mục tiêu lựa chọn, thì việc sản xuất mẫu thử nhằm kiểm chứng thiết kế là bước rất quan trọng, hướng tới hoàn thiện sản phẩm, góp phần hỗ trợ các doanh nghiệp trong nước trong thiết kế, sản xuất và thương mại hóa 4.2 Xây dựng mô hình 3D động cơ mẫu thử Theo kết quả thiết kế tối ưu các thông số kích thước của động cơ servo được cho trong bảng 4.1. Bảng 4.1. Thông số kích thước của động cơ Thông số Kích thước Đường kính ngoài của stator [mm] 140,4 Đường kính trong của stator [mm] 83,2 Đường kính ngoài rotor [mm] 82,2 Đường kính trong rotor [mm] 17 Chiều dài của stator/rotor [mm] 90,1 Chiều dày răng stator [mm] 3,3 Chiều cao rãnh stator [mm] 18,1 Chiều dày răng rotor [mm] 3,02 Chiều cao rãnh rotor [mm] 8,05 Số rãnh stator 36 Số rãnh rotor 48 Số vòng dây quấn trong 1 rãnh 105 Sử dụng phần mềm Solidworks để mô phỏng động cơ thiết kế tối ưu trước khi tiến hành chế tạo mẫu thử. Mặt cắt mô phỏng 3D động cơ như trên hình 4.4. 18