ĐỒ án THIẾT kế THIẾT bị điện tài đề THIẾT kế NG b ĐỘNG cơ đồ ộ NAM CHÂM VĨNH cửu

Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ truyền động có công suất nhỏ từ vài W đến vài chục W như trong cá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Việt Anh Sinh viên thực hiện : Hứa Trọng Khiêm

Trần Văn Cương Nguyễn Trường Giang Hoàng Thế Vũ

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

Số: 22

1 Tên lớp: 20211EE6023006

2 Họ và tên sinh viên: Nhóm 22

1 Trần Văn Cương 2018603949 2018DHDIEN03 - ĐH K13

2 Nguyễn Trường Giang 2018603940 2018DHDIEN03 - ĐH K13

3 Hứa Trọng Khiêm 2018604109 2018DHDIEN03 - ĐH K13

1. Tính toán kích thước chủ yếu.

2. Tính toán stator, rotor.

3. Thuật toán thiết kế sơ bộ động cơ PMSM.

4. Kết quả tính toán giải tích.

5. Kết quả mô phỏng động cơ PMSM.

B. Bản vẽ kỹ thuật

Ngày giao đề tài: 14/9/2021

BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN

Ngày hoàn thành: 21/12/2021

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Phạm Văn Cường ThS Nguyễn Việt Anh

Chương 1: Sơ lư c v động cơ đ ng bộ nam

châm v nh c u

1.1: Khái niệm v động cơ đ ng bộ nam châm v nh c u

Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu, là loạiđộng cơ có dạng sóng hình thang Chính sức phản điện động có kếtcấu dạng hình thang này mới chính là yếu tố quyết định để xác địnhđược 1 động cơ BLDC Thay cho sự chuyển mạch dòng phần ứnggiống như các động cơ một chiều thông thường sử dụng chổi than

cổ góp thì động cơ BLDC lại sử dụng chuyển mạch điện từ.

Hình 1: Máy phát điện sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu

Do đó, các cuộn dây của phần ứng đặt trên stator giúp cho pm motor dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây đi ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần Vì vậy, động cơ BLDC

có mật độ công suất lớn hơn hẳn so với động cơ 1 chiều truyền thống.

Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ truyền động có công suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, các thiết bị văn phòng (máy in, máy scan, ) Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được chế tạo một cách đơn giản và có độ tin cậy cao hơn

1.2: Phân loai động cơ năm châm v nh c u

Theo thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu gồm có 2 loại:

Động cơ pm DC có kích từ bằng điện cùng với dải công suất lớn Động cơ pm DC với dải công suất nhỏ

Theo kết cấu, động cơ pm DC có thể chia thành:

1.3 : Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ nam

châm v nh c u

1.3.1 : Cấ u tạo pm motor

Stator của nam châm vĩnh cửu bên trong động cơ pm DC như đãđược chỉ ra từ trong chính cái tên của động cơ DC: Cực trường củađộng cơ này thường được làm bằng 1 thanh nam châm vĩnh cửu.Một động cơ pm DC sẽ bao gồm 2 phần, 1 stator và 1 armature

Ở đây, các stator chính là một xi lanh thép, còn các nam châm lại đượcgắn kết trong chu vi, tức là mặt trong của chiếc xi lanh này Các nam châmvĩnh cửu thường được gắn kết theo cách tương tự như đầu N và cực Scủa mỗi thanh nam châm được quay về mặt nạ của động cơ

Rotor của động cơ pm DC cũng có cấu tạo tương tự giống như động cơ DC khác Rôto hay là bộ phận của động cơ DC chạy bằng nam châm vĩnh cửu cũng bao gồm các phần như: cốt lõi, cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch Lõi gia cố của động cơ đượclàm bằng 1 lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa bằng thép Bằng cách cố định chặt các tấm thép tròn vào 1 chỗ, 1chiếc lõi hình trụ có khe lúc này cũng được hình thành

Các tấm thép mỏng, có độ bóng và cách điện được sử dụng để làm giảm tổn hao của dòng điện dòng xoáy bên trong phần cố định của thiết bị động cơ DC nam châm vĩnh cửu Các khe này nằm ở ngoại viphía mặt ngoài của chiếc lõi phần ứng dụng, chúng thường được sử dụng để làm dây dẫn cuộn dây cho phần vỏ ở trong đó.

Các dây dẫn cuộn nối được kết nối theo cách thích hợp làm

tăng cuộn dây phần ứng Các đầu cuối của cuộn dây được kết nối với các bộ phận chuyển mạch đặt trên trục động cơ

Giống như các động cơ DC khác, 1 lớp carbon hoặc than chì khác sẽ

được đặt cùng với áp suất lò xo ở trên các phân đoạn của bộ phận

chuyển mạch nhằm mục đích cung cấp dòng điện lên cho phần mềm.

1.3.2 Nguyên lý làm việc

PMSM là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do đó hoạt động của

nó như sau: khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuấthiện từ trường quay với tốc độ ntt = 60f/p, trong đó f- tần số biến thiêncủa dòng điện, p – số đôi cực Do từ trường của nam châm vĩnh cửu

là từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quayvới từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình của

mô men này có giá trị 0 Để máy điện có thể làm việc được phải quaynam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ trường, lúc này mô mentrung bình của động cơ sẽ khác 0 Việc đưa nam châm vĩnh cửu tớitốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thường

mà ta đã nghiên cứu trước đây Do đó khởi động bằng máy lai ngoài,phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên rất ít khi sử dụng Phươngpháp hay dùng nhất đó là phương pháp khởi động dị bộ Lúc này mớiđặt tải lên động cơ Như vậy máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có namchâm quay đồng bộ với từ trường quay, hoặc quay với tốc độ đồng bộ

1.3.4 Nh ng ưu như c đi m của động cơ đ ng bộ nam châm v nh

c u

Động cơ nam châm vĩnh cửu DC hay còn gọi là động cơ pm DC hoạt động theo nguyên tắc của nam châm vĩnh cửu, dựa trên một thực tế là bất cứ khi nào một dây dẫn mang dòng điện hiện tại được đặt trong 1 từ trường thì sẽ có lực cơ học chạy qua dây dẫn đó Tất cả các loại động cơ DC thông thường chỉ hoạt động theo nguyên tắc này Do đó, để có thể xây dựng được 1 động cơ DC, chúng ta cần phải thiết lập 1 từ trường.

Từ trường vừa được thiết lập bằng các nam châm, còn nam

châm có thể chọn bất kỳ loại nào, có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc loại khác Khi nam châm vĩnh cửu được chúng ta sử dụng

để tạo ra từ trường trong động cơ DC thì động cơ sẽ được gọi làđộng cơ DC nam châm vĩnh cửu hoặc gọi tắt là động cơ pm DC

Ưu Điểm :

Động cơ pm DC không cần sắp xếp để kích thích từ trường Đồng thời, không có công suất đầu vào của mạch tiêu thụ để giúp kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động cơ DC.Động cơ pm DC không có cuộn dây từ trường, do vậy

không gian dành cho cuộn dây trường được cũng sẽ được thu hẹp lại làm giảm kích thước của tổng thể động cơ

Động cơ pm DC có mức chi phí rẻ hơn và tiết kiệm hơn cho dành cho các ứng dụng xếp hạng kW phân số

Có mức chi phí rẻ và tiết kiệm

Như c Đi m :

Trong trường hợp này, có thể thấy được, động cơ DC sẽ

không được bù lại, do đó cường độ từ trường của động cơ

có thể bị suy yếu đi do phản ứng dị ứng có thể gây mài mờ

Ngoài ra, động cơ pm DC còn có một cơ hội nhận được cáccực từ bán dẫn vĩnh viễn (hoặc một phần) do dòng điện áp được tăng lên quá nhiều trong quá trình khởi động, làm đảongược dòng điện cũng như tình trạng quá tải của động cơ.

Một bất lợi lớn khác rất dễ thấy của động cơ pm DC là, từ trường trong khoảng cách không khí được xem là cố định và giới hạn nên

nó không thể kiểm soát được từ bên ngoài Do đó, việc kiểm soát tốc độ của động cơ pm DC trong loại động cơ này là rất khó

Chương 2: Yêu cầu thiết kế và lựa chọn

phương án kết cấu

2.1 : Yêu cầu

Theo yêu cầu thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửuPMSM có công suất đầu trục Pđm= 750 w, có số rãnh là 12 và sốcực là 10, tốc độ định mức nđm= 600v/p, hiệu suất n=0,8, điện ápmột chiều Vdc=127V Bên cạnh đó thì thiết kế động cơ cần hoạtđộng chính xác, ít gây ra tiếng ồn

Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia động cơ đồng bộ nam châmvĩnh cửu thành 2 loại: Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xétdưới đây có thể thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy này

2.2 : Phân tích các loại động cơ đ ng bộ nam châm v nh

c u và đưa ra lựa chọn

2.2.1 : Động cơ đ ng bộ nam châm v nh c u cực l i

Cấu tạo gồm 2 phần chính là roto và stato:

* Stato của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy Lõi thép stato gồm các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic dày 0,5mm) 2 mặt được phủ lớp sơn cách điện được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lại 15 với nhau tạo thành những hình trụ rỗng , bên mặt trong tạo thành các rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn Dọc chiều dài của lõi thép stator cư cách khoảng 3 -6 cm lại có một khoảng thông gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió làm mát máy tốt nhất Nắp máy thường được chế tạo bằng gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc Dây quấn stator thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật, bề mặt dược phủ một lớp cách điện, được quấn thành từng bối và

lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo qui luật nhất định tạo thành sơ đồ hình sao hoặc tam giác.

* Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên dường kínhroto có thể lớn trong khi chiều dài lại nhỏ Roto thường là đĩa nhômhay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm được gắnchìm trong đĩa này Các loại máy này thường được goi là máy từtrường hướng trục Loại này thường sử dụng trong kỹ thuật robot

Hình 1.10 động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

cực lồi 2.2.1 : Động cơ đ ng bộ nam châm v nh c u cực ẩn

* Stator động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự như động cơ cực lồi

* Roto của máy điện cực ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn bằng khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rôt thì có thể đạt được cẩu trúc cơ học bền vững hơn Kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm roto thường có dạng hình trrongs với tỷ số “chiều dài/ đường kính “ lớn Máy

này được gọi là máy từ trường hướng kính, nó thường được sử dụngtrong các máy công cụ Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửuchìm, máy không thể dược gọi là khe hở không khí đều Trong trườnghợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép roto về mặtvật lí coi là không có sự thay đổi nào của hình học bề mặt nam châm Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từcủa máy thay đổi khá mạnh , vì do các mảng cực thép này tạo ra cácđường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả khônggian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng cực lồi là rõràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momen của máy điện.

Hình 1.11 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

Với yêu cầu của truyền động servo và truyền động phải êm, do đó cần phải hạn chế momen răng và momen đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm , uốn nam châm lượn chéo theo trục roto, uốn rãnh và dây quấn stattro kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm

Kỹ thuật tạo ra các roto xiên là khá đắt tiền và phức tạp Trong điều kiện bình thường của truyền động secvo , nếu momen điều hòa răng cỡ 2% momen định mức thì có thể coi là chấp nhận được Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các momen điều hòa răng trong truyền động động cơ đồng

bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổichất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xáccác thông số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ Trong các máyđiện nam châm vĩnh cửu kinh điển , trên stattor có các răng , ngày nay ta

có thể chế tạo stato không răng Trong trường hợp này dây quấn statođược chế tạo từ bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong stato.Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở chế độ thấp và tổn thất sẽ giảm,tăng được không gian hơn cho dây quấn statto nên có thể sử dụng dâyquấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng định mức của máy điện do đó tăngđược công suất của máy Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từthông khe hở nên phải chế tạo roto có đường kính lớn hơn và có bề mặtnam châm lớn hơn Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nhiều kiểuroto khác nhau Dưới đây là 3 kiểu thường gặp trong thực tế:

Hình 1.12 Các kiểu rotor máy điện đồng bộ cực ẩn

Động cơ nam châm cực ẩn (Interior -IPMSM) có những ưu điểm

so với động cơ nam châm cực lồi (Surface-SPMSM) như: khảnăng tạo ra mômen lớn hơn, cho phép tốc độ làm việc cao hơn,điều chỉnh từ thông được nhiều hơn, vì vậy sẽ có nhiều ưu điểmtrong điều khiển Vì vậy sẽ chọn phương án kết cấu theo kiểuIPMSM (động cơ nam châm cực ẩn)

Chương 3: Tính toán các kích thước cơ bản

YÊU CẦU :Thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có

công suất đầu trục Pđm = 750 w, có số rãnh là 12 và số cực là 10, tốc độ

định mức nđm = 600v/p, hiệu suất ŋ=0,8, Điện áp một chiều Vdc=127 V

3.1 Tính toán tham số stator

+ Đường kính ngoài (cm) lõi thép stator:

3 δ

- Pdm là công suất cơ định mức và η là hiệu suất động cơ

- λ là tỷ số giữa chiều dài lõi thép với bước cực

download by : skknchat@gmail.com

δ=0,2+ 2000, 2 200 1,77(mm)

+ Số rãnh của stator

Z s 2.m p.q

Với m là số pha; q là số rãnh cho một pha dưới một cực từ

+ Số vòng dây mỗi pha

Với U dm và E dm là điện áp định mức và sức điện động

định mức - là từ thông khe không khí

a là số mạch nhánh song song + Tiết diện dây quấn

J là mật độ dòng điện , J =6 (A/ mm2 ) n!! là số sợi chập

3.2 Tính toán tham số rotor

+ đường kính ngoài rotor

Bg là mật đọ từ thông khe hở không khí

B r là mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu

+ Thể tích của nam châm

3.3 Thông kê kết quả tính toán

Chương 4 : Mô phỏng động cơ PMSM

4.1 Mô phỏng LSPMSM s dụng MATLAB/Simulink

Hình Khối tính toán mômen

Hình 6 Khối biến đổi V abc sang V dq

Hình 7 Khối tính toán dòngđiện I dr

Ứng dụng Mathlab/Simulink để mô phỏng các đặc tính làmviệc của LSPMSM từ mô hình toán củ a động cơ t ại mục

2.1 trên Tổng hợ p mộ t số module đượ c sử dụng trong

quá trình mô phỏng như hình 4 ÷ 7

Trong bài báo này, ta sẽ không làm giảm đi tính tổng quát khi lựachọn mô phỏng một động cơ thử nghiệm 2,2 kW, 3 pha, 4 cực Trong

đó, phần rôto sẽ được cải tạo từ động cơ không đồng bộ 3K112S4 của Công ty Cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (hình 8)

2,2kW-Các thông số của LSPMSM 2,2kW thử nghiệm (điện cảm tảnstato, điện cảm tản rôto quy đổi, điệm cảm đồng bộ từhóa ngangtrục, dọc trục,…) được tính toán dựa trên cáccấu hình stato, rôto,kích thước và vị trí đặt các thanh NCVC Tổng kết lại, các thông

số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm được xác định tại bảng 1

Hình 8 Cấu tạo rôto LSPMSM th nghiệ m Bảng 1 Các thông số c ủa LSPMSM th nghiệm

download by : skknchat@gmail.com

Mô phỏng LSPMSM với MATLAB/Simulink

Hình 9 Các đặc tính mô phỏng LSPMSM th nghiệm

Ứ ng dụng MATLAB/Simulink với các sơ đồ khối được lập trình để mô phỏng LSPMSM 2,2kW thử nghiệm Các thông số của LSPMSM thử nghiệm được xác định ở bảng 1 Thông qua kết quả là các đặc tính làm việc, quá trình mô phỏng sẽ cho phép đánh giá khảnăng làm việc của động

cơ Cụ thể là người sử dụng có thể nghiên cứu và đánh giá các quá trình

biến đổi năng lượng, các đặc tính làm việc (tốc độ, dòng điện, mômen,…).

Đối với LSPMSM đã xác định là khó khăn trong việc khởi động Như vậy,

từ đặc tính tốc độ mô phỏng thu được có thể đánh giá được quá trình khởi động động cơ: khả năng, chất lượng khởi động, thời gian để động cơ đi vào vận hành ổn định Sau khi mô phỏng LSPMSM thử nghiệm, các đặc tính làmviệc kết quả được thể hiện ở hình 9.

Từ kết quả mô phỏng, có thể nhận thấy rằng LSPMSM 2,2kW thửnghiệm có khả năng khởi động với mômen tảiđặt bằng giá trị định mức.Thời gian khởi động của động cơ mất 0,6s sau đó đi vào ổn định Dòngđiện cực đại imax khoảng 40A, bội số dòng điện khởi động gấp 10 lần dòng điện định mức Từ đường đặc tính tốc độ mô phỏng cũng cho thấy

LSPMSM khởi động khó khăn, trong quá trình khởi động xuất hiện nhiều đoạn giảm tốc (10 đoạn)