Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu cải thiện đặc tính lực động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính
i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG MINH TẤN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH LỰC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TUYẾN TÍNH Chuyên ngành: Thiết bị điện Mã số: 62.52.50.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nguyễn Thế Công 2. PGS.TS. Lê Văn Doanh Hà N ội - 2012 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một luận án nào khác. Tác giả luận án Trương Minh Tấn iii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn. Một mặt do trình độ còn hạn chế, một mặt do thiếu thông tin tư liệu và tài liệu tham khảo, song được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ của các GS, PGS, TS trong Bộ môn Thiết bị Điện – Điện Tử, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành. Tác giả chân thành cảm ơn khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã dành thời gian và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Bộ môn Thiết bị Điện – Điện Tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và động viên tác giả trong thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả vô cùng biết ơn thầy giáo TS. Nguyễn Thế Công, PGS.TS. Lê Văn Doanh, những người đã định hướng, hướng dẫn, giúp tác giả hoàn thành các nhiệm vụ đặt ra cho luận án. Chân thành cảm ơn các GS, PGS, TS, các thầy cô giáo đã dành thời gian đọc và đóng góp những ý kiến quý báu làm luận án có tính khoa học hơn. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án Tác giả luận án Trương Minh Tấn iv MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa ……………………………………………………… i Lời cam đoan ……………………………………………………… ii Lời cảm ơn ………………………………………………………… iii Mục lục …………………………………………………………… iv Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt …………………………… viii Danh mục các bảng biểu ……………………………………………. xii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……………………………………… xiv Mở đầu …………………………………………………………… 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ………………………………………. 1 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài …………………… 4 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ………………… 5 4. Phương pháp nghiên cứu …………………………………… 6 5. Nội dung của luận án …………………………………………. 6 6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới …………………………. 7 Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu động cơ điện tuyến tính hiện nay……………… 9 1.1. Giới thiệu chung về động cơ tuyến tính ……………………. 10 1.2. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trên thế giới 13 1.3. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trong nước… 21 1.4. Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả ……………………… 22 Kết luận chương 1 ……………………………………………… 23 Chương 2: Khái quát chung về kiến thức cơ bản và thuật toán thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên …… 24 2.1. Đặt vấn đề…………………………………………………… 24 2.2. Cơ sở lý thuyết chung ………………………………………. 26 v 2.2.1. Vận tốc dài đồng bộ ………………………………… 26 2.2.2. Hệ số trượt ……………………………………………. 27 2.2.3. Sức điện động cảm ứng ………………………………. 27 2.2.4. Mô hình động cơ KĐB tuyến tính đơn biên thiết kế …… 28 2.2.5. Dây quấn ……………………………………………… 30 2.2.6. Mô hình mạch điện tương đương …………………… 33 2.2.7. Các thành phần lực trong động cơ ……………………. 36 2.2.8. Hiệu suất 38 2.3. Thuật toán thiết kế động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn biên không xét đến các thành phần hiệu ứng ……………… 38 2.4. Kết quả tính toán cụ thể …………………………………… 40 Kết luận chương 2 ……………………………………………… 43 Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên ……………………………………. 44 3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm …………………………… 44 3.2. Thí nghiệm trên mô hình …………….…………………… 47 3.2.1. Đo vận tốc của động cơ bằng encoder ….…………… 47 3.2.2. Đo lực trên mô hình thực nghiệm …… ……………… 49 3.2.3. Đặc tính cơ của động cơ……… …… ……………… 51 Kết luận chương 3 ………………………………………………. 54 Chương 4: Xây dựng mô hình trường động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên ……………………………………… 55 4.1. Đặt vấn đề ………………………………………………… 55 4.2. Cơ sở lý thuyết của trường điện từ ………………………… 56 4.2.1. Hệ phương trình Maxwell ……………………………. 56 4.2.2. Thiết lập mô hình – phân loại mô hình ……………… 58 4.3. Mô hình trường điện từ của động cơ KĐB tuyến tính … 60 vi 4.4. Phương pháp giải bài toán theo mô hình trường điện từ … 62 4.5. Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn FEMM để giải bài toán trường động cơ KĐB tuyến tính ……………… …… 64 4.5.1. Vài nét về phần mềm FEMM 64 4.5.2. Xây dựng mô hình trường động cơ KĐB tuyến tính đơn biên trên phần mềm FEMM . ………………… 65 4.5.3. Nghiên cứu từ trường trong động cơ KĐB tuyến tính thiết kế ………………………………… 68 4.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến đặc tính lực của động cơ KĐB tuyến tính ………… 77 4.5.4.1. Ảnh hưởng của độ rộng khe hở không khí ……… 77 4.5.4.2. Ảnh hưởng của độ dày tấm nhôm phía thứ cấp …. 79 4.5.4.3. Ảnh hưởng của cấu trúc răng rãnh của lõi thép …. 80 4.5.4.4. Ảnh hưởng của độ rộng lõi thép phần sơ cấp …… 82 4.5.4.5. Ảnh hưởng của dòng điện đặt vào dây quấn sơ cấp…………………………………………………… 83 4.5.4.6. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu làm tấm dẫn điện …………………………………………………… 84 4.5.5. So sánh lực theo mô hình trường và mô hình mạch … 85 Kết luận chương 4 ………………………………………………. 87 Chương 5: Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên đảm bảo về lực và giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy ………………. 89 5.1. Mô hình mạch điện tương đương động cơ KĐB tuyến tính có xét đến thành phần hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy 91 5.2. Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số cơ bản trong thiết kế đến hệ số hiệu ứng đầu cuối ……………………………… 94 vii 5.3. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu thông số động cơ theo giá trị lực yêu cầu và có xét đến yếu tố cực tiểu hệ số k HU …… 101 5.3.1. Phương pháp thành lập bài toán ……………………… 101 5.3.2. Thành lập bài toán thiết kế tối ưu …………………… 102 5.3.3. Lựa chọn phương pháp giải 107 5.3.4. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu ………………… 107 5.3.5. Kết quả ……………………………………………… 111 5.3.6. Tính kiểm tra lại trên mô hình FEM 2D ……………… 116 5.4. Tổng hợp kết quả tính toán và bàn luận ……………… 118 Kết luận chương 5 ……………………………………………… 119 Kết luận …………… ……………………………………………… 121 Danh mục các công trình đã công bố của luận án ………………… 123 Tài liệu tham khảo ………………………………………………… 124 Phụ lục 1: Một số hình ảnh về mô hình thực nghiệm 131 Phụ lục 2: Khảo sát từ trường tản phần thứ cấp của động cơ KĐB ba pha tuyến tính ………………………………………… 134 Phụ lục 3: Sự tương đương của thành phần dòng điện ngang trục I ds và dòng điện từ hóa I m 137 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Bảng 1: Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên gọi λ Bước răng δ Độ rộng khe hở không khí δ 0 Độ rộng khe hở không khí từ tính δ e Độ rộng khe hở không khí thực tế μ 0 Độ từ thẩm của không khí cu Điện trở suất của đồng Al Điện trở suất của nhôm η Hiệu suất Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện τ Bước cực ω Tốc độ góc p Bước dây quấn a Chiều rộng của rãnh b Chiều rộng của răng b min Chiều rộng của răng nhỏ nhất B gmax Mật độ từ thông trong gông lớn nhất B rmax Mật độ từ thông trong răng lớn nhất B δmax Mật độ từ thông lớn nhất trong khe hở không khí B δtb Mật độ từ thông trung bình trong khe hở không khí d Độ dày của tấm nhôm D w Đường kính dây dẫn e 1 Sức điện động cảm ứng pha phần sơ cấp E 1 Trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng pha phần sơ cấp ix f Tần số F s Lực điện từ G cu Trọng lượng đồng của dây quấn phần sơ cấp G fe Trọng lượng thép của phần sơ cấp G sc Trọng lượng của phần sơ cấp h g Chiều cao của gông h r Chiều cao của rãnh I 1 Dòng điện pha phần sơ cấp I’ 2 Dòng điện pha phần thứ cấp qui đổi về phần sơ cấp I m Dòng điện từ hóa j 1 Mật độ dòng điện trong dây quấn phần sơ cấp k c Hệ số Carter (hệ số khe hở không khí) k d Hệ số quấn rải k p Hệ số bước ngắn k HU Hệ số đánh giá mức độ tác động của hiệu ứng k w Hệ số dây quấn l ce Chiều dài phần đầu nối L s Chiều dài của phần sơ cấp l w Chiều dài dây quấn của 1 pha phần sơ cấp L w Chiều dài dây quấn phần sơ cấp m Số pha n Số dây dẫn song song n r Số thanh dẫn trong một rãnh 2p Số cực P 2 Công suất đầu ra P 1 Công suất đầu vào q 1 Số rãnh của một pha dưới một cực x R 1 Điện trở tác dụng của pha dây quấn phần sơ cấp R’ 2 Điện trở tác dụng của pha phần thứ cấp qui đổi về phần sơ cấp s Hệ số trượt S r Diện tích rãnh S wr Tổng tiết diện của dây đồng U 1 Điện áp hiệu dụng pha phần sơ cấp V r Vận tốc dài chuyển dịch của phần động V s Vận tốc dài đồng bộ của từ trường chạy w 1 Số vòng dây của một pha W s Độ rộng của lõi sắt phần sơ cấp X 1 Điện kháng tản của dây quấn phần sơ cấp X m Điện kháng từ hóa y Bước dây quấn [...]... đổi động cơ quay sang động cơ tuyến tính Theo cấu trúc hình học, động cơ điện tuyến tính có thể chia thành 2 loại chính: dạng phẳng và dạng ống Theo nguồn kích thích, động cơ điện tuyến tính có thể chia thành 4 loại chính: Động cơ điện một chiều tuyến tính, động cơ điện đồng bộ tuyến tính, động cơ không đồng bộ tuyến tính, động cơ bước tuyến tính 11 Động cơ điện tuyến tính Hình học Kích thích Động cơ. .. điện tuyến tính Hình học Kích thích Động cơ một chiều tuyến tính Động cơ đồng bộ tuyến tính Động cơ không đồng bộ tuyến tính Động cơ bước tuyến tính Đơn biên Động cơ tuyến tính phẳng Động cơ tuyến tính dạng ống Song biên Hình 1.2: Phân loại động cơ điện tuyến tính [25] Ngoài ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng dụng cụ thể mà động cơ điện tuyến tính còn được chia theo: - Loại stator ngắn, hình 1.3a... vẫn chưa có cơ sở nào thực hiện việc nghiên cứu chế tạo loại động cơ này Định hướng nghiên cứu khả năng phát triển loại động cơ tuyến tính có chế độ hoạt động đơn giản, an toàn và hiệu quả phù hợp với điều kiện về điện áp, tần số ở Việt Nam là định hướng đúng đắn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đặt vấn đề: Nghiên cứu cải thiện đặc tính lực của động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính nằm trong... trong động cơ KĐB ba pha tuyến tính đến mức nhỏ nhất nhằm nâng cao chất lượng thiết kế động cơ, đặc biệt là chất lượng đường đặc tính lực của động cơ Góp phần tăng hiệu quả sử dụng của động cơ trong công nghiệp * Đối tượng nghiên cứu: Luận án sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn biên loại stator ngắn, ứng dụng trong thiết bị vận chuyển * Phạm vi nghiên cứu: ... động cơ điện tuyến tính Động cơ tuyến tính về bản chất là động cơ quay thông dụng Nếu thực hiện cắt và trải dài động cơ điện quay tròn như hình 1.1, ta sẽ được động cơ điện tuyến tính Nguyên lý làm việc của động cơ điện tuyến tính cũng giống như động cơ quay thông dụng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Lực Lorentz F = qv x B trong động cơ điện tuyến tính là lực đẩy tác động lên phần động theo phương... động cơ điện tuyến tính đều nằm ở phần động Điều này dẫn đến rotor (phần thứ cấp, phần chứa hệ thống lồng ngắn mạch của động cơ KĐB tuyến tính hoặc hệ thống nam châm vĩnh cửu của động cơ đồng bộ tuyến tính) sẽ nằm ở phần tĩnh trải theo chiều dài của động cơ Đây 12 cũng chính là hai loại động cơ tuyến tính thường được sử dụng trong thực tiễn cuộc sống, trong đó phổ biến hơn cả là động cơ KĐB tuyến tính. .. án bao gồm các chương sau: Mở đầu: Nêu mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu động cơ điện tuyến tính hiện nay Chương 2: Khái quát chung về kiến thức cơ bản và thuật toán thiết kế động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn biên Trình bày nội dung cơ bản về kiến thức động cơ KĐB tuyến. .. nghiệm động cơ KĐB tuyến tính đơn biên Kết quả tính toán lực từ mô hình thực nghiệm được dùng để đánh giá tính chính xác của kết quả thiết kế Chương 4: Xây dựng mô hình trường động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn biên 7 Nghiên cứu tổng quan các phương pháp nghiên cứu từ trường trong máy điện, đặt biệt phương pháp nghiên cứu từ trường trong động cơ điện Xây dựng mô hình trường điện từ của động cơ KĐB tuyến. .. 6 7 Hình 1.2: Phân loại động cơ điện tuyến tính 11 Hình 1.3: Phân loại theo ứng dụng riêng của động cơ tuyến 11 tính Hình 1.4: So sánh giữa chuyển động thẳng tạo gián tiếp và 13 trực tiếp 8 Hình 2.1: Mô hình động cơ KĐB tuyến tính đơn biên 25 9 Hình 2.2: Quan hệ giữa bán kính động cơ KĐB quay và 26 chiều dài động cơ KĐB tuyến tính 10 Hình 2.3: Mô hình của động cơ KĐB tuyến tính đơn biên 29 11 Hình... sơ cấp 45 28 Hình 3.5: Mô hình lắp ráp động cơ KĐB tuyến tính 3 pha 46 đơn biên 29 Hình 3.6: Động cơ KĐB tuyến tính 3 pha đơn biên thiết kế 46 30 Hình 3.7: Mô hình đo vận tốc 47 31 Hình 3.8: Mô hình thực nghiệm đo vận tốc động cơ 48 32 Hình 3.9: Mô hình đo lực 49 33 Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm đo lực động cơ 49 34 Hình 3.11: Đặc tính cơ của động cơ KĐB tuyến tính 52 35 Hình 4.1: Phần tử tam giác . BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG MINH TẤN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH LỰC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TUYẾN TÍNH . kính động cơ KĐB quay và chiều dài động cơ KĐB tuyến tính 26 10 Hình 2.3: Mô hình của động cơ KĐB tuyến tính đơn biên 29 11 Hình 2.4: Dây quấn một lớp của động cơ KĐB tuyến tính đơn biên 3 pha, . 10 1.2. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trên thế giới 13 1.3. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trong nước… 21 1.4. Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả ………………………