BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VŨ THANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN HÀ NỘI – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VŨ THANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: Kĩ thuật điện Mã số: 62520202 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. BÙI ĐÌNH TIẾU 2. TS. PHẠM HÙNG PHI HÀ NỘI – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tiêng tôi. Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa công bố công trình khác! Hà Nội, ngày tháng . năm 2015 Người cam đoan Nguyễn Vũ Thanh TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Bùi Đình Tiếu TS. Phạm Hùng Phi LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bầy tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS.TS Bùi Đình Tiếu TS. Phạm Hùng Phi. Những người thầy tận tâm, thấu hiểu tạo điều kiện nghiên cứu tốt để tác giả yên tâm thực luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Phạm Văn Bình, TS. Nguyễn Hồng Thanh TS Lê Huy Bình. Ba thầy cô dành thời gian quý báu để đọc đưa nhận x t chỉnh sửa qu gi gi p cho t c giả hoàn thiện luận án mình. Tác giả trân trọng cảm ơn TS. Bùi Đức Hùng, người hỗ trợ công nghệ chế tạo trợ giúp nhiệt tâm cho mô hình thực tế mà tác giả thực hiện. Người dành thời gian để quan tâm đóng góp ý kiến quý giá giúp cho tác giả hoàn thành tốt mô hình thực tế mình. Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS. Phùng Anh Tuấn, TS. Đặng Quốc Vương, TS. Bùi Minh Định ThS. Hà Xuân Hòa động viên lắng nghe trăn trở thắc mắc mà tác giả gặp phải trình thực luận án mình. Tác giả bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Văn Thịnh động viên bảo kinh nghiệm quý giá giúp cho tác giả vượt qua quãng đường khó khăn nghiên cứu khoa học. T c giả trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng Viện trưởng Viện nghiên cứu quốc tế khoa học k thuật t nh to n DASI tạo điều kiện thuận lợi cho ph p t c giả sử dụng chương trình phần mềm Ansoft Maxwell 2D ph ng nghiên cứu Viện để thực to n mô FEM cho động cơ. T c giả trân trọng cảm ơn Th.S Lê Xuân Đại công t c Viện DASI thuộc trường Đại học B ch khoa Hà Nội. Người hết l ng hỗ trợ t c giả việc triển khai thuật to n di truyền phần mềm Ansoft Maxwell 2D. Tác giả trân trọng cảm ơn Tập thể thầy cô, bạn đồng nghiệp môn Thiết Bị Điện – Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi thời gian sở vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung luận án mình. Cuối cùng, tác giả thực cảm động từ đ y l ng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Bậc sinh thành người vợ yêu qu c c thân yêu bên tác giả l c khó khăn nhất, lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ tài tinh thần, giúp tác giả đứng vững trình nghiên cứu hoàn thiện luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Vũ Thanh MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG . 15 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 16 MỞ ĐẦU 19 1. 2. CHƯ NG 1: TỔNG QUAN . 22 1.1 So sánh động IM động LSPMSM . 23 1.2 Mô hình hóa động LSPMSM . 25 1.3 Cấu tr c rotor động LSPMSM . 27 1.4 Thuật to n thiết kế . 29 1.5 Các nghiên cứu hỗ trợ thiết kế 29 1.6 Tối ưu động 33 1.7 Công cụ mô 33 1.8 Kết luận . 34 CHƯ NG 2: M H NH LI N KẾT GIỮA M CH ĐIỆN – TỪ TRƯỜNG 36 2.1 Mô hình nam châm v nh cửu . 36 2.2 Mô hình trường điện từ . 37 2.2.1 Hệ tọa độ t nh . 37 2.2.2 Hệ tọa độ động . 38 2.3 Phương trình mạch điện 39 2.3.1 X t trường hợp dẫn 39 2.3.2 Phương trình mạch điện – từ trường dây quấn stator 40 2.3.3 Phương trình mạch điện – từ trường dẫn lồng sóc . 43 2.4 Phương trình chuyển động 45 2.5 Xử l kết sau mô 46 2.5.1 T nh hiệu suất . 46 2.5.1.1 Công suất đầu . 46 2.5.1.2 Tổng tổn thất 46 2.5.2 2.6 T nh hệ số công suất cos 48 Mô động LSPMSM 7,5kW . 49 2.6.1 Về stator . 49 2.6.2 Về dây quấn stator . 50 2.6.3 Về rotor 50 2.6.4 Về nam châm v nh cửu 51 2.6.5 Điều kiện biên chia lưới 51 2.6.5.1 Điều kiện biên 51 2.6.5.2 Thực chia lưới 53 2.7 2.7.1 Mật độ từ thông sức điện động cảm ứng . 54 2.7.2 Hiệu qu trình qu độ . 55 2.7.3 Hiệu qu trình x c lập 57 2.8 3. Kết mô động LSPMSM 7,5kW 53 Kết luận . 58 CHƯ NG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ Đ NG C LSPMSM . 59 3.1 T nh to n mật độ từ thông điểm làm việc nam châm v nh cửu . 59 3.1.1 Phân t ch mật độ từ thông nam châm điểm làm việc 59 3.1.2 X c định mật độ từ thông gông stator rotor. 61 3.1.2.1 Mật độ từ thông stator rotor. . 61 3.1.2.2 Mật độ từ thông gông stator rotor. 62 3.1.2.3 T nh to n mật độ từ thông nam châm v nh cửu điểm làm việc. 62 3.1.2.4 Kết nghiên cứu 64 3.2 Khảo s t ảnh hưởng k ch thước nam châm đến mật độ từ thông khe hở không kh 68 3.3 X c định điều kiện thiết kế để động LSPMSM có hệ số cos  . 69 3.3.1 Điều kiện để động có hệ số cos  69 3.3.2 Kết khảo s t . 72 3.3.2.1 Kiểm tra điều kiện cos  . 73 3.3.2.2 T nh gi trị cos . 74 3.4 Thuật to n thiết kế chi tiết động LSPMSM 74 3.4.1 Thuật to n thiết kế điện từ động LSPMSM 74 3.4.2 Thiết kế động 7,5kW . 81 3.5 Kết khảo s t thực nghiệm . 81 3.5.1 Kết cấu động thực nghiệm 82 3.5.2 Kết thực nghiệm 82 3.5.2.1 Hệ thống thực nghiệm 82 3.5.2.2 Sức điện động . 83 3.5.2.3 Điện p d ng điện 86 3.6 4. Kết luận . 88 CHƯ NG 4: T I ƯU Đ NG C LSPMSM 7,5kW . 90 4.1 Kh i qu t tối ưu hóa . 90 4.2 Phân loại 90 4.3 Phương ph p leo đồi thuật to n di truyền . 91 4.4 Tối ưu động LSPMSM 7,5 kW 92 4.4.1 Nhiệm vụ tối ưu động LSPMSM 93 4.4.2 Khởi tạo không gian tìm kiếm . 94 4.4.3 C c ràng buộc dùng chương trình 95 4.5 Xây dựng mục tiêu hàm chi ph tổng . 95 4.5.1 Mục tiêu hiệu suất . 95 4.5.2 Mục tiêu hệ số công suất cos 95 4.5.3 Mục tiêu thể t ch nam châm 95 4.5.4 Hàm chi ph tổng 96 4.5.5 Lưu đồ thuật to n cho chương trình t nh tối ưu . 97 4.5.5.1 Thế hệ ban đầu . 97 4.5.5.2 Bước đ nh gi 98 4.5.5.3 Bước lựa chọn 99 4.5.5.4 Bước lai tạo biến dị . 99 4.5.5.5 Thế hệ 100 4.6 Kết chương trình tối ưu 101 4.7 Kiểm tra lại kết tối ưu . 102 4.7.1 Mật độ từ thông sức điện động cảm ứng . 102 4.7.1 Hiệu qu trình qu độ . 104 4.7.2 Hiệu qu trình x c lập 105 4.8 5. Kết luận . 106 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH MỤC C C C NG TR NH Đ C NG B CỦA LUẬN N . 118 PHỤ LỤC . 119 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu / Viết tắt A AM a a1 B Bg Bm Br Bts Btr Bsy Bry Bs0 Bs1 Bs2 b bb btr bts C1 Cost D DAI-Labvol DC D1 Dlmax Dn Dnr Dnv Dtr Dtv Dvr d dcd E Đơn vị Wb.m-1 m T T T T T T T T T T T m m m m m m m m m m m m m m m m m m Vm-1 Ý nghĩa Vecto từ Phương ph p giải tích Chiều rộng vành ngắn mạch Số mạch nhánh song song Mật độ từ thông Mật độ từ thông khe hở không khí Mật độ từ thông khe hở không khí tối ưu Mật độ từ thông điểm làm việc nam châm Giá trị tính toán mật độ từ thông nam châm Biên độ thành phần từ thông xoay chiều bậc Mật độ từ thông dư Mật độ từ thông stator Mật độ từ thông rotor Mật độ từ thông gông stator Mật độ từ thông gông rotor Độ mở miệng rãnh stator rotor Đường kính nhỏ rãnh stator đường kính lớn rãnh rotor Đường kính lớn rãnh stator đường kính nhỏ rãnh rotor Chiều cao vành ngắn mạch Cung đế cực Chiều rộng rotor Chiều rộng stator Hệ số m y điện Hàm chi phí tổng Đường kính stator Hệ thống thu thập số liệu hãng Labvol Động chiều Đường k nh đường tròn ngoại tiếp nam châm Đường k nh đường tròn ngoại tiếp lớn Đường kính stator Đường kính rotor Đường kính vành ngắn mạch Đường kính trục rotor Đường kính vành ngắn mạch Đường kính trung bình vòng ngắn mạch Đường kính dây dẫn Đường kính dây dẫn có kể đến c ch điện Cường độ điện trường EMF Enc Fg Ftr Fts Fsy Fry FEA FEM FM f fđm GA Gt1 Gy1 G1 G2 G3 g ge V A.v ng A.v ng A.v ng A.v ng A.v ng Hz Hz kg kg m m m m Sức điện động Sức điện động cảm ứng nam châm Sức từ động khe hở không khí Sức từ động rotor Sức từ động stator Sức từ động gông stator Sức từ động gông rotor Phân tích phần tử hữu hạn Phương ph p phần tử hữu hạn Phương ph p FEM Tần số Tần số định mức Thuật toán di truyền Trọng lượng stator Trọng lượng gông stator Hàm mục tiêu hiệu suất Hàm mục tiêu hệ số công suất cos Hàm mục tiêu thể tích nam châm Độ rộng khe hở không khí Khe hở không kh tương đương theo trục d Độ rộng khe hở không khí hiệu Khe hở không kh tương đương theo trục q H Hci Hi Hm Htr Hts Hsy Hry Hs0 Hs2 hry hsl hsy ht IM IPM Itj [ ] A/m A/m A/m A/m A/m A/m A/m A/m m m m m m m A A Cường độ từ trường Độ kháng từ nội Độ kháng từ Cường độ từ trường điểm làm việc nam châm Cường độ từ trường rotor Cường độ từ trường stator Cường độ từ trường gông stator Cường độ từ trường gông rotor Chiều cao miệng rãnh stator rotor Chiều cao phần thẳng rãnh stator rotor Chiều cao gông rotor Chiều cao toàn rãnh stator Chiều cao gông stator Độ dầy thép Động không đồng Động đồng nam châm gắn chìm D ng điện chạy qua dẫn lồng sóc thứ j Ma trận d ng điện dẫn [ ] I1 A Ma trận d ng điện c c đoạn ngắn mạch A D ng điện pha định mức Id Iq i(t) If Ikđ J J1 Jj Kc Klm kc kđ kdq kE ke kfq kfd kFe kh ki km ksat kt kr1 ky L Lb Lj Lm Ln Ls A A A A A A/mm2 A/mm2 A/mm2 m m m m H m H Thành phần d ng điện trục d Thành phần d ng điện trục q D ng điện pha tính thời điểm xác lập t1 Giá trị hiệu dụng d ng điện pha Dòng khởi động Mật độ d ng điện Mật độ d ng điện stator Mật độ d ng điện dẫn thứ j Hệ số Carter Hệ số từ thông rò Hệ số tổn thất lõi theo dòng xoáy Hệ số lấp đầy Hệ số dây quấn stator Hệ số sức điện động Hệ số tổn thất dị thường Hệ số hình dáng từ hóa ngang trục Hệ số hình dáng từ hóa dọc trục Hệ số ép chặt thép Hệ số tổn thất lõi theo mắt trễ Bội số dòng khởi động Bội số momen Hệ số bão hòa Hệ số tổn thất lõi Hệ số quấn rải Hệ số bước ngắn Chiều dầy cuộn dây theo hướng z Chiều dài dẫn lồng sóc Chiều dài dẫn thứ j Chiều dầy nam châm Điện cảm cuộn dây stator Chiều dài tác dụng lõi sắt stator Điện cảm vòng dây thứ j Ltj m H Chiều dài dẫn lồng sóc thứ j Ma trận điện cảm đoạn ngắn mạch m m m m m m Động đồng ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới Chiều dài cuộn dây có t nh đến phần đầu nối Chiều dài đường mạch từ Chiều dài phần đầu nối Chiều dài gông stator Chiều cao stator Chiều cao rotor [ ] LSPMSM lc lmag lle lsy lts ltr 10 hệ số nhiệt điện trở, (0C)-1 t = 750C (nhiệt độ làm việc động t0 = 200C Đối với d ng điện xoay chiều điện trở dây quấn phần ứng x c định sau: ( ) ( ) Với động công suất nhỏ vừa hệ số k1R  1, nên Điện kháng tản pha stator: [14][41] Với: T  (   ) () Độ từ thẩm không kh ( o= .10-7 Tm/A) Ls Chiều dài lõi stator (m) Hệ số từ dẫn tản rãnh stator: Trong đó:  . (√ ( ) ) / Với: h12 lấy b ng hai lần c ch điện rãnh (0,3 mm) (khi gập chồng lên nhau) ( ( ) ) ( ) Với: Hệ số từ dẫn tản phần đầu nối : Với dây quấn lớp  Hệ số từ dẫn tản tạp:  Với: . ( ) / Với : Bs0 độ mở miệng rãnh stator (m) s bước rãnh stator (m) Hệ số từ dẫn phần đỉnh c c đỉnh :  Thiết kế rotor Do động công suất vừa, ta chọn dạng rãnh rotor hình ovan hình 2.9 a . Mặt kh c thiết kế rãnh sâu rotor lồng sóc thường chọn theo rãnh hình ovan để tăng momen khởi động. B29/ Đ n ính n o i rotor Theo kết cấu hình học ta Dnr = D – 2g = 139 (mm) B30/ S r nh rotor Số rãnh rotor lựa chọn theo c c tài liệu thiết kế [4][5][38][49], tương ứng với số rãnh stator. Với số rãnh stator 36, ta chọn số rãnh rotor Z2 = 48 B31/ X định giá trị điện tr rotor điện h n rotor qu đ i theo dòng kh i đ ng, mômen kh i đ ng Theo [38][49], d ng điện khởi động x c định theo biểu thức sau: √( ) ( ) 124 Với:  X1 = 1,057; Xm = 58,14; Ikđ = kiIđm = 78,83 A , Như thay c c gi trị vào biểu thức ta s có phương trình hai ẩn. (N.m) ( ) () Thay tất gi trị vào phương trình t nh d ng khởi động Ikđ ta phương trình bậc hai t nh cho giải phương trình b ng Maple17 Giải phương trình ta hai nghiệm 0,872 -2,948, () B32/ X định í h th hình họ n v v nh n n h Điện tr ( Điện trở rotor quy đổi stator ( ( Điện trở rotor [51] ) () ) ) ( ) ( ) Theo [38], điện trở dẫn rotor ( Trong đó: Lb Std ) ( ) chiều dài dẫn, Lb = Ls (chiều dài lõi sắt stator) tiết diện dẫn, rãnh rotor làm theo hình ovan nên ( ) ( ) ( ( )) điện trở vòng ngắn mạch ( ) ( ) . / Trong đó: Với: Dvr đường kính trung bình vòng ngắn mạch, Với: Dnv = Dnr –0,004 (m), Dnr đường kính rotor Dtv = Dnv – 2b (m), b chiều cao vành ngắn mạch ( ) ( ) ( ( )) Thay quan hệ vào phuơng trình x c định Rr ta 125 ( ( ) ( ( ) . )) ( / ( )) ( ) Rút gọn phương trình ta ( ) ( ( ( )) ( ) . / ( ) ) Đối với vành ngắn mạch chiều cao b thường lấy b ng chiều sâu rãnh rotor, đó: b = Hs2 + Bs1, ( Chọn chiều rộng vành ngắn mạch b ng 1/2 chiều cao, đó: Với T ) = 10-7, f = 50 Hz, Ls = 165 mm, Dnr = 139 mm, Z2 = 48, p = 2, = 4.10-3 (0C)-1, ( ) .  / , t = 750, t0 = 200, Sv = a.b = 0,5(Hs2 + Bs1)2 Với Sv diện t ch vành ngắn mạch. Thay giá trị số vào phương trình Rr ta tìm phương trình thứ với hai ẩn Bs1 Hs2 Từ phương trình chọn Hs2 = 0,007 m = mm , thay vào giải phương trình theo Bs1, ta Bs1 = 0,001489 m = 1,489 mm , chọn gi trị 1,5 (mm). b = + 1,5 = 8,5 (mm), a = 4,3 (mm) Điện h n t n ( Điện kháng tản rotor quy đổi stator () ( ) Điện kháng tản rotor Xr = Xb + 2Xv Điện kháng tản dẫn rotor [38]: Với: Lb chiều dài dẫn rotor, Lb = Ls Hệ số  )  [49]  Điện kháng tản vành ngắn mạch [38]:  . / Thay biểu thức vào công thức x c định điện kháng tản rotor, ta ( ) ( . / ) Rút gọn biểu thức ta 126 ( ) ( ( ( ( ) . ( ) ( )) / ) ) ( ( . )) ( ( / ) ) Thay giá trị tương ứng vào biểu thức Xr, ta phương trình thứ hai ,01 Chọn Bs0 = 0,5 mm Hs0 = 0,46 (mm) Để thuận tiện cho chế tạo lấy Hs0 = 0,5 (mm) B33/ í h th n v v nh n n h n s Từ t nh to n ta có k ch thước dẫn lồng sóc sau: Đường k nh ovan Bs1 = 1,5 (mm) Chiều cao phần thẳng rãnh Hs2 = (mm) Độ mở miệng rãnh rotor Bs0 = 0,5 (mm) Chiều cao miệng rãnh rotor Hs0 = 0,5 mm Chiều cao vành ngắn mạch b = 8,5 (mm) Chiều dầy vành ngắn mạch a = 4,3 (mm) B34/ Đ n ính n nh t trụ Với mômen định mức b ng 47,74 Nm đường k nh trục không ph p nhỏ 32mm. Đường k nh trục tương ứng với mômen định mức trục [4] ( ) ( ) hry 44,5 mm , với độ dầy gông ta chuẩn hóa đường k nh trục b ng Dtr = 32 (mm) B35/ Tính ại hiều ao n rotor Dựa k ch thước hình học, x c định lại chiều cao gông sau: ( ) ( ) B36/ a h v nh u Nam châm v nh cửu sử dụng thiết kế động loại N45 NdFeB [20] C c tiêu k thuật loại nam châm 127 ng A.1 N HcB HcJ BHmax Tw (0C) (kA/m) (kA/m) (kJ/m3) N45 1290 659,375 955 354 80 Tw: Nhiệt độ làm việc lớn theo khuyến c o B37/ X định chiều r ng l n nh t v ho n h n nh t nam châm Khoảng cách D1max = Dnr – 2(Hs0 + Bs1+Hs2) = 119 (mm) Với chiều rộng nam châm ta lựa chọn cho độ phủ nam châm lớn có thể, ta s tận dụng tối đa bề rộng nam châm. Với đường kính D1max trên, ta chọn đường k nh D1 = 118 (mm), chiều rộng lớn Cấp độ Br (mT) √ nam châm đạt (mm). < √. Khoảng cách O1 lớn sau: / . / ( ) Như ta chọn O1 = 42 mm nh A.2 - N ( : [20]) B38/ Thể tí h na h th o n su t Thể t ch nam châm tỉ lệ với công suất đầu theo quan hệ [41]: ( ) Với: Hệ số qu tải , thông thường kocf = Hệ số sức điện động kE = 0,6 . 0,95, chọn kE = 0,9 Hệ số tận dụng nam châm = 0,3 . 0,7 Mật độ từ thông dư Br nam châm Độ kh ng từ nội Hc = 955 kA/m 128 Hệ số hình d ng từ hóa trục d, chọn sơ kfd = 0,83 Khi hệ số tận dụng nam châm thay đổi khoảng = 0,3 . 0,7, thể t ch nam châm thay đổi khoảng từ 27792 mm3 đến 97274 mm3. B39/ X định í h th c cụ thể nam châm Với: chiều rộng nam châm Wmmax = 83,43 (mm), chiều sâu nam châm Hm = Ls = 161 (mm), Thì chiều dầy nam châm theo hướng từ hóa) Lm thay đổi khoảng từ 2,3 (mm) đến 8,3 (mm). Chọn Lm = (mm) Ta x c định công thức t nh khoảng c ch cầu nối Wf nhỏ khoảng c ch DB hình 3.23) √ ( √( ) ( ) ) ( ) Để đảm bảo yêu tố công nghệ cứng vững rotor, chọn Wf = (mm) Như k ch thước vị tr nam châm rotor sau: - Wm = 71 (mm), - Lm = (mm), - Hm = 161 (mm) - Wf = (mm) - O1 = 42 (mm), - D1 = 118 (mm), Các thông số k ch thước bố trí nam châm (Wm, Lm, Wf) s thay đổi để động đạt tiêu k thuật mong muốn. B40/ Kiểm tra lại mật đ t thông phân b tron đ n hi đ í h thí h t nam châm Với k ch thước t nh cho stator rotor, tính lại phân bố mật độ từ thông động cơ. Ta mật độ từ thông phân bố động sau: ng A.2 ậ Ph n tí h Ph n tí h Đ n vị i i tí h FEM Mật độ từ thông rotor (Btr) 0,977 T Mật độ từ thông stator (Bts) 1,287 T Mật độ từ thông gông rotor (Bry) 0,734 T Mật độ từ thông gông stator (Bsy) 1,598 T Mật độ từ thông nam châm Bm) 1,153 1,177 T Mật độ từ thông khe hở không kh Bg) 0,565 0,577 T T nh b ng FEM ta phân bố mật độ từ thông hình 2.16, hình 2.17 Trong gi trị mật độ từ thông khe hở không kh t nh theo FEM thông qua phân t ch chuỗi FFT. Gi trị mật độ từ thông nam châm x c định trực tiếp nam châm b ng FEM. STT T n ọi 129 B41/ T n hao th p stator T n hao th p tr n r n stator [38]:  ( ) ( ) Trong đó: p10 suất tổn hao th p, p10 = 3,6 (W/kg) [87] kt hệ số tổn hao l i liên quan đến việc chế tạo l th p, kt = 1,7 Gt1 trọng lượng stator Gt1 = fe.Z1.bts.(Hs0 + Hs2 + (Bs1 + Bs2)/2).Ls.kfe = 5,435 (kg) Với: fe = 7800 (kg/m3); Z1 = 36; bts = 5,6 (mm); Hs0 = 0,5 (mm); Hs2 = 13,1 (mm); Bs1 = 7,3 (mm); Bs2 = 9,6 (mm); Ls = 165 (mm); kfe = 0,95. T n hao th p tr n n stator [38]:  Trong đó: ( ) ( ) ky hệ số tổn hao l i liên quan đến chế tạo l th p, ky = 1,6 Gy1 trọng lượng gông stator  . ( ) / ( ) fe = 7800 (kg/m3); Dn = 225 (mm); hsy = 20,45 (mm); Ls = 165 (mm); kfe = 0,95 Với: T n hao : Đối với động kiểu k n [4][5]  . / ( ) ( ) Với: nđc tốc độ động vph Dn đường k nh stator mm T n hao phụ: Theo kinh nghiệm [38], tổn hao phụ t nh sau: Pphụ = 0,01.Pđm = 75 (W) B42/ T n hao đ n Trên dây quấn stator [38] Pcu = 3RsI2 = 1,707.I2 Với Rs = 0,569  B43/ T n t n hao tron đ n ∑( ̉ ́ )    B44/ Điện h n đ n ọ trụ v đ n Hệ số cung cực từ góc cực   n an trụ [41] 130 nh A.3 LSPMSM 7,5kW bước cực ; = 109,9 (mm) Với : ( bp cung đế cực, Với : ) D đường kính stator ; D = 65 (mm) . (xem hình A.3) ; / kfq hệ số hình d ng từ hóa ngang trục )( (( ( )) ( ) ) ( )) ( ) ) kfd hệ số hình d ng từ hóa dọc trục )( (( Với: g khe hở không kh m Kc hệ số Carter (m) Với: Br mật độ từ thông dư nam châm T Hi lực kh ng từ A m Điện kh ng từ hóa ngang trục x c định theo công thức: ( Với: m f W1 kdq Ls p ) () số pha động hệ số từ thẩm chân không; = .10-7 (Tm/A) tần số nguồn cấp Hz số v ng dây pha động hệ số dây quấn bước cực chiều dài t c dụng stator số cặp cực khe hở không kh tương đương theo trục q Với: gq độ rộng khe hở không kh theo trục q, khe hở không kh đồng nên gq = g 131 hệ số bão h a mạch từ, động có nam châm gắn chìm động cực ẩn k ch th ch điện từ, thường ksat  1. Điện kh ng từ hóa dọc trục x c định theo công thức sau: ksat ( Với: ) () khe hở không kh tương đương theo trục d Điện kh ng đồng dọc trục Xd = X1 + Xad = 2,730 () Điện kh ng đồng ngang trục Xq = X1 + Xaq = 5,189 () B45/ Gi n đ v to điện p đ n SP S  góc lệch U1 I1 Pin = U1I1cos = U1I1cos( + ) Pin = Pđm +  tổn thất Từ 3.53 3.54 ta có 3U1I1cos( + ) = Pđm +  tổn thất U1I1cos( + ) = Pđm + 389,07 + 1,707. (  ) (  ) (A.2) (A.3) (A.4) (A.5) (A.6) Mặt kh c Id = I1sin Iq = I1cos Từ 3.56 3.58 ta có (A.7) (A.8)  (  )  (  ) (A.9) Từ 3.57 3.59 ta có (A.10) Từ 3.55 , 3.60 3.61 ta có hệ phương trình sau : (( )  (  ) (  )  { Với : U1 = 220 (V) ; Pđm = 7500 (W) ; Xq = 5,189 () ; Rs = 0,569 () ; Xd = 2,730() Từ bước B18 với số v ng dây thực tế B40 gi trị ch nh x c mật độ từ thông khe hở không kh Bg), t nh lại sức phản điện động Enc nam châm sinh ra, với số v ng dây không đổi, từ thông bước cực t nh lại, Enc s có gi trị. ( ) Hệ phương trình cần thỏa mãn điều kiện √( ) ( )  > 132 ) (       Dùng chương trình Maple V17 giải hệ phương trình ta kết sau :  = 0,2706 (rad) ;  = -0,7471 (rad) ; I1 = 14,024 (A) Như vậy: cos = 0,889, góc tải  = 15,5050, góc momen  = -42,8070, d ng điện I1 = 14,024 (A) B46/ iệu su t đ n Hiệu suất động x c định thông qua biểu thức sau: Thay gi tri I1 t nh vào biểu thức A.3) ta Pin, từ x c định gi trị hiệu suất sau: {  ∑( ̉ ) B47/ Mômen l ng sóc (Mls) Phương trình mômen lồng sóc theo hệ số trượt x c định sau [6][38][90]: ) (( ( ) )  Với: Hệ số trượt ứng với mômen max √ ( ) Đường đặc t nh momen lồng sóc theo hệ số trượt tham khảo hình A.4 Momen ng óc theo h ố ƣợt 200 180 160 Momen (Nm) 140 120 100 Momen Mls 80 60 40 20 0 0.2 0.4 H 0.6 0.8 ố ƣợt nh A.4 133 B48/ Mômen n (Mp) Được x c định theo công thức sau [3][14][31][79][88][90] ( ( ( ) ) ( ) ( )( ) ( ) ) (A.11) Với: Xd = 2,730 (); Xq = 5,189 (); m = 3; p = 2; Rs = 0,569 () ; f = 50 (Hz); Enc = 232,156(V) Hệ số trượt ứng với mômen cản lớn [3][95] √ ( ) √. ( ) / Đường đặc t nh momen cản theo hệ số trượt tham khảo hình A.5 Momen c n theo h ố ƣợt 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Momen (N.m) -20 -40 -60 Momen Mp -80 -100 -120 H nh A.5 B49/ n h iđ n ố ƣợt ả đ n SP S (Mkd) Đối với động LSPMSM, momen khởi động trung bình bao gồm thành phần momen [11][18][19][31][45][64][65][73][95] bao gồm: - Mômen không đồng Mls tạo lồng sóc Mômen cản (Mp) Mômen phản kh ng Mpk kh c biệt điện kh ng trục d trục q Khi bỏ qua momen phản kh ng Mpk , mômen khởi động Mkd biểu thị sau: Mkd = Mls + Mp Đường đặc t nh momen khởi động theo hệ số trượt tham khảo hình A.6 134 Momen theo h ố ƣợt 200 Momen (N.m) 150 100 50 Momen Mp Momen Mls -50 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Momen Mkd -100 -150 H ố ƣợt (s) nh A.6 B50/ nđ n Mômen đồng động LSPMSM x c định theo biểu thức [18][31][41][45][50][52][65][88][95] (  . / ( ( ( ) ) ) ) Đường đặc t nh momen đồng theo góc mômen tham khảo hình A.7 40 20 -180 -130 -80 -30 -20 Momen (Nm) Đặc nh góc mômen động LSPMSM -40 Momen Mch -60 Momen Mdb -80 Momen Mpk -100 -120 Góc mômen -140 nh A.7 135 Phụ lục B X định đặc tính B-H thép thuật điện B50-A800 Đặc t nh B-H vật liệu chế tạo l i th p stator có ảnh hưởng lớn đến độ ch nh x c to n mô phỏng. Sau chế tạo xong hoàn toàn stator, để giảm ảnh hưởng rãnh stator qu trình đo đặc t nh B-H, tiến hành cắt toàn rãnh stator, tạo thành kết cấu dạng trụ kh p k n hình B1). Trên l i sắt tạo hai dây quấn sơ cấp thứ cấp , quấn dây tương tự biến p l i hình xuyến. Cuộn sơ cấp nối với biến p tự ngẫu pha có nguồn cấp với tần số cố định 50Hz, nh m mục đ ch thay đổi điện p sơ cấp U1, dẫn đến thay đổi d ng điện sơ cấp I1. Cuộn thứ cấp để hở mạch, dùng đồng hồ đo p để đo điện p thứ cấp cảm ứng U2. Tại thời điểm ghi lại c c gi trị U1, I1, U2 tương ứng. Cường độ từ trường H mật độ từ thông B x c định qua c c biểu thức sau: √ Trong đó: W1 W2 c c cuộn dây cuộn sơ cấp 50 v ng thứ cấp 34 v ng . lmag = 329,867 mm chiều dài đường mạch từ, đường chu vi trung bình tiết diện cắt ngang. S = a x b = 15 x 70 = 1050 (mm2 tiết diện hiệu mạch từ f = 50 (hz) A_A nh B.1 - -A800 136 nh B.2 ả -H Kết qu đo B-H ng B.1 S điể đo 10 11 12 13 14 15 16 ả U1 (V) 0,594 1,477 2,33 3,413 4,53 6,07 6,78 7,91 8,32 10,06 11,85 12,92 13,7 14,4 14,82 15,51 - I1 (A) 0,130 0,320 0,420 0,540 0,630 0,750 0,840 0,962 1,030 1,310 1,650 1,940 2,230 2,530 2,820 3,320 -A800 U2 (V) 0,398 1,151 1,746 2,348 3,142 4,25 4,74 5,53 5,83 7,04 8,28 9,02 9,57 10,05 10,35 10,83 B (T) 0,050186 0,145135 0,220161 0,29607 0,39619 0,535903 0,597689 0,697304 0,735132 0,887707 1,044064 1,137374 1,206726 1,267252 1,30508 1,365606 H (A/m) 19,7049 48,50436 63,66198 81,85111 95,49297 113,6821 127,324 145,8162 156,1234 198,5647 250,1006 294,0577 338,0148 383,4876 427,4447 503,2328 137 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 16,14 16,48 16,9 17,2 17,32 17,7 17,81 17,96 18,03 18,08 18,19 18,27 18,42 18,65 18,76 18,93 19,02 3,830 4,320 4,950 5,650 6,030 7,050 7,460 8,020 8,340 8,660 9,130 9,770 10,280 10,850 11,740 12,280 13,480 11,28 11,51 11,81 12,04 12,12 12,44 12,52 12,64 12,69 12,75 12,84 12,91 13,01 13,06 13,13 13,18 13,24 1,422348 1,45135 1,489179 1,51818 1,528268 1,568618 1,578706 1,593837 1,600142 1,607708 1,619056 1,627883 1,640492 1,646797 1,655624 1,661928 1,669494 580,5366 654,8089 750,3019 856,4052 914,0041 1068,612 1130,758 1215,641 1264,145 1312,649 1383,89 1480,899 1558,203 1644,601 1779,504 1861,355 2043,246 Phụ lục C Kết c u đ n th nghiệm Dựa vào chương trình thiết kế trình bầy mục 4.4.3 động thử nghiệm có c c k ch thước chế tạo sau. (a) (b) (c) nh C.1 (d) ả ng C.1 Đại STT ợn Đường k nh stator Đường k nh stator Chiều dài t c dụng stator K ch thước rãnh hình 2.8) - Độ mở miệng rãnh Bs0 - Đường k nh nhỏ rãnh Bs1 - Đường k nh lớn rãnh Bs2 - Chiều cao miệng rãnh Hs0 - Chiều cao phần thẳng rãnh Hs2 Gi trị Đ n vị 120 mm 62 mm 62 mm 6,8 mm mm mm mm mm 138 Vật liệu chế tạo l th p stator B50-A800 Số lượng rãnh stator Khe hở không kh 24 rãnh 0,5 mm ng C.2 STT Đại ợn Số lớp Số dẫn rãnh Số v ng dây quấn pha Đường k nh dây dẫn [54] Đường k nh dây dẫn để đến c ch điện [54] Điện trở pha stator 200C Điện trở pha stator 750C Gi trị 146 584 0,45 0,508 24,48 30,54 Đ n vị v ng mm mm   nh 3.53 ng C.3 STT Đại ợn Đường k nh rotor Đường k nh trục Vật liệu rotor CT45 K ch thước rãnh hình tr n - Độ mở miệng rãnh Bs0 - Đường k nh rãnh Bs1 - Chiều cao miệng rãnh Hs0 Số lượng rãnh rotor Gi trị Đ n vị 62 mm 20 mm 0,5 mm mm 0,2 mm 16 ng C.4 STT Đại ợn Nam châm v nh cửu N30 Đường k nh ngoại tiếp nam châm D1 Khoảng c ch từ tâm rotor đến nam châm O1 Khoảng c ch cầu nối Rib Bề dầy nam châm theo hướng từ hóa Lm Chiều rộng nam châm (Wm) Gi trị 41,5 14,8 1,6 16 Đ n vị mm mm mm mm mm 139 [...]... thông nam châm tại điểm làm việc, từ đó cho thấy mối quan hệ giải tích giữa mật độ từ thông của răng và rãnh rotor và stator đến từ thông điểm làm việc của nam châm Nghiên cứu điều kiện để có thể kiểm tra thiết kế động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện với hệ số công suất cosθ xấp xỉ một Nghiên cứu thuật toán thiết kế chi tiết phần điện từ cho động cơ đồng bộ ba pha nam. .. nam châm v nh cửu khởi động từ lưới, với thiết kế nam châm gắn chìm cấu trúc vuông Ý nghĩa th ti n Ở Việt Nam, trong l nh vực sản xuất động cơ điện, ch ng ta đã biết đến nhiều loại động cơ được nghiên cứu và triển khai sản xuất trong nước Tuy nhiên động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp với lưới điện chưa được nghiên cứu, sản xuất hoàn chỉnh Vì vậy việc nghiên cứu và triển khai thiết. .. cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu Do đó luận án „ hi n u thiết ế t i uđ n đ n a pha na h v nh u là hết sức cần thiết trong bối cảnh này Mụ đí h Nghiên cứu thuật toán thiết kế chế tạo hoàn chỉnh động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện Từ đó thực hiện tối ưu để nâng cao hiệu suất, hệ số công suất cos và giảm thể t ch của nam châm v nh cửu của động cơ chế tạo theo công... nghiên cứu Nghiên cứu mô phỏng c c đặc t nh điện từ, ở chế độ x c lập và qu độ, b ng công cụ mô phỏng phù hợp Nghiên cứu thuật to n t nh to n mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm theo phương ph p giải t ch Nghiên cứu thuật to n thiết kế điện từ động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu nam châm bố tr hình vuông khởi động trực tiếp với lưới điện 19 Ở U Nghiên cứu thiết kế tối ưu b ng thuật toán... nam châm, thông qua chương trình t nh tối ưu Ansoft Maxwell 2D 20 Ở ết U u ủa uận n Ngoài phần mở đầu và c c mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận n được trình bầy trong 5 chương và 3 phụ lục A, B và C , cụ thể: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Mô hình liên kết giữa mạch điện – từ trường Chương 3: Thiết kế điện từ động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu Chương 4: Tối ưu động cơ đồng bộ ba pha. .. c thông số thực tế đo được từ động cơ Juliette Soulard [50] lại đưa ra tiêu chuẩn cho mômen k o vào đồng bộ b ng c ch dùng hàm Lyapunov Đối tượng nghiên cứu là 2 động cơ LSPMSM có nam châm gắn chìm Một động cơ có thể t ch nam châm lớn hơn động cơ lớn , thể t ch nam châm lớn dẫn đến mômen đồng bộ lớn và thêm nhiều năng lượng cho việc đồng bộ hóa Ở trạng th i đồng bộ động cơ lớn có hiệu suất và cos cao... thông điểm làm việc của nam châm v nh cửu 3 Đưa ra được tổ hợp điều kiện để kiểm tra thiết kế cho động cơ LSPMSM đạt hệ số công suất cos  1 4 Đưa ra thuật to n thiết kế điện từ chi tiết cho từng phần của động cơ LSPMSM có rotor với nam châm bố tr hình vuông, như thiết kế stator, thiết kế rotor, thiết kế nam châm, thiết kế kiểm tra 5 Nâng cao được hiệu suất, hệ số công suất của động cơ LSPMSM 7,5kW vượt... loại động cơ điện được sử dụng Điều này đặt ra vấn đề nâng cao hiệu suất cho động cơ điện, để giảm thiểu chi ph điện năng, b ng c ch thiết kế tối ưu những động cơ cũ hoặc thiết kế những động cơ theo công nghệ mới Một trong những công nghệ mới không chỉ đối với c c nhà chế tạo trong nước mà c n cả với c c nhà chế tạo nước ngoài, được p dụng cho nghiên cứu chế tạo động cơ, ch nh là động cơ đồng bộ ba pha. .. o vào đồng bộ lớn hơn, việc vào đồng bộ s dễ dàng hơn, mặc dù thời gian tăng tốc của vật liệu silumin tốt hơn Về hiệu suất và cos vật liệu nhôm cũng cho thấy gi trị cao hơn 32 1.6 Tối ƣ động cơ Bài to n tối ưu động cơ LSPMSM cũng được nhiều t c giả quan tâm nghiên cứu Mỗi t c giả lại ch trọng tối ưu một số yếu tố thiết kế Guang Yang [34] đã thiết kế chuyển đổi từ động cơ IM 1,1kW sang động cơ LSPMSM... nam châm so với tâm trục Khoảng cách nam châm lớn nhất so với tâm trục Hệ số từ thẩm Thành phần tổn thất do d ng điện xoáy gây ra Công suất định mức của động cơ Thành phần tổn thất dị thường Động cơ không đồng bộ cấp hiệu suất premium Thành phần tổn thất do mắt trễ từ hóa B-H Động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu Công suất điện đầu vào Công suất đầu ra trên trục động cơ Tổn thất cơ Tổn thất đồng . s j m 2 Tin ngang ca thanh dn th j s vg m 2 Tit n ngang ca vòng dây s d m 2 Tit din dây dn s tj m 2 Tit din ngang ca thanh dn lng sóc th j SPM n. bu tính thi gian xác lp t 2 s Thm kt thúc khong thi gian xác lp U f V Giá tr hiu dng cn áp pha U 1 V n áp ngun cp u r1 Thanh S ng thanh dn trong mt. cm ng trên thanh dn    V n áp cm ng trên dây qun pha stator V dd V n th dây dn    V n th thanh dn v    V n th thanh dn v