BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN TÍNH TOÁN VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT TUYẾN TÍNH ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Bắt đầu từ cuối thế kỷ 20, nền công nghiệp thế giới phát triển mạnh mẽ Cũng chính là cột mốc cho một kỷ nguyên mới có tên là 4.0, kể từ đó đến nay các ngành công nghệ sinh học, kỹ thuật số, vật lý và đặc biệt là chúng có thể hòa hợp với nhau Bên cạnh đó ngành công nghiệp ô tô cũng không ngoại lệ vì được thừa hưởng những thành tựu, dấu mốc quan trọng ấy dẫn dắt đến sự phát triển công nghệ hiện đại và tiện nghi trên ô tô Đi đôi với sự phát triển không ngừng đó đòi hỏi phải có những thách thức và nguồn năng lượng chính là thách thức lớn hất đối với ngành công nghiệp ô tô nói chung và các ngành khác nói riêng
Năng lượng được biết đến bởi sự chuyển đổi từ dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác và việc đốt cháy nhiên liệu là một điển hình và cũng là phương pháp tạo ra năng lượng phổ biến nhất Cũng chính vì thế mà vấn đề về khai thác tài nguyên thiên nhiên quá mức trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang là mối lo ngại, với sự phát triển và khai thác đại trà hiện nay có thể trong vòng hơn 50 năm nữa thì nguồn nhiên liệu sẽ không thể đủ đáp ứng cho tất cả con người trên hành tinh này Đứng trước thách thức này, chúng ta cần cân nhắc và xem xét thật kỹ việc sử dụng sao cho hợp lý và hiệu quả để đạt hiệu suất cao
Nhiệm vụ đặt ra là tăng cường bảo vệ chất lượng môi trường song song với đó vẫn phải phát triển các nguồn lực kinh tế xã hội và cải thiện chất lượng cuộc sống, đặc biệt là trong các thành phố lớn thì vấn đề môi trường là một trong những vấn đề nhức nhói được quan tâm hàng đầu Việt Nam cũng không ngoại lệ là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và đang định hướng trở thành nước công nghiệp đến năm 2022
Sự phát triển của nền kinh tế theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa nó sẽ kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội trong đó có phương tiện giao thông là một vấn đề nổi trội giữa lợi và hại Nó giúp vận chuyển hàng hóa nhanh chóng đồng thời giúp cho sự phát triển nhanh chóng về kinh tế và các mặt khác của xã hội Bên cạnh đó hoạt động của các phương tiện giao thông gây ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường một cách nghiêm trọng do lượng khí thải của các phương tiện này thải ra khiến trái đất ngày càng nóng lên do hiệu ứng nhà kính, hiện nay con người đang chịu ảnh hưởng rõ rệt từ việc biến đổi khí hậu Vì thế, việc nghiên cứu những giải pháp nâng cao hiệu qua sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay Đó là một thách thức to lớn cho các nhà nghiên cứu và thiết kế, phát triển động cơ đốt trong, cũng như các nhà phát triển năng lượng mới, năng lượng tái tạo Trong đó, các nghiên cứu của các nhà khoa học kỹ thuật trong và ngoài nước đưa các nguồn năng lượng sạch vào động cơ đốt trong để hoạt động như: khí CNG (Compressed Natural Gas), khí sinh học
2 có nguồn gốc từ động thực vật (biogas) và sử dụng chất phụ gia nhiên liệu Ngoài ra giải pháp sử dụng ô tô chạy điện, ô tô lai thay thế ô tô sử dụng nhiên liệu truyền thống tiên phong đó kể đến hãng xe điện Tesla thành lập năm 2004 hay những loại xe hybrid của hãng Toyota cũng đã giải quyết được một phần nào đó vấn đề đặt ra Mặc dù nhiều ưu điểm vượt trội nhưng xe điện hiện nay gặp phải hạn chế lớn như phạm vi di chuyển xe còn thấp, dung lượng dự trữ thấp, thời gian nạp lại tốn nhiều giờ và chi phí giá thành đắt, ngoài ra các trạm nạp điện còn ít Với việc đòi hỏi tiết kiệm nhiên liệu và đáp ứng quy định nghiêm ngặt của các tiêu chuẩn khí thải, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ động cơ đốt trong truyền thống Trong đó dự án động cơ không trục khuỷu FPE (Free Piston Engine) ra đời kết hợp với loại máy phát điện tuyến tính sử dụng cụm phát điện mới nhỏ gọn hơn và nhẹ nhàng hơn với hiệu suất điện năng lớn, phát thải ô nhiễm thấp hơn động cơ thường
Vì vậy, để đáp ứng được khả năng phát điện nên đề tài “Tính toán và xây dựng mô hình máy phát tuyến tính ứng dụng cho động cơ đốt trong không trục khuỷu” được đề xuất thực hiện.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Các nghiên cứu trong nước
Từ năm 2010, nhóm nghiên cứu tại Trường ĐHCN do PGS.TS Đặng Thế Ba với sự kết hợp của Viện Cơ học đã bắt đầu thực hiện những nghiên cứu về tiềm năng và công nghệ khai thác các nguồn năng lượng biển Từ các kết quả nghiên cứu, các tác giả đã nhận thấy nước ta có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo từ biển Bên cạnh đó là nhu cầu rất lớn và cấp thiết về điện năng cho các mục đích phát triển kinh tế xã hội cũng như an ninh và bảo vệ chủ quyền biển đảo
Từ các nghiên cứu về tiềm năng năng lượng biển, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Đặng Thế Ba đã nhận thấy sự cần thiết phải nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng trên biển này, đặc biệt là nguồn năng lượng sóng, nhằm mục đích cung cấp điện cho các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội và an ninh trên các vùng biển đảo và có thể góp chung vào hệ thống điện lưới quốc gia
Sau ba năm nghiên cứu, phiên bản thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biến sâu dạng phao đã hoàn thành Phiên bản này đã được thử nghiệm tại Hồ Tây (Hà Nội) và Sầm Sơn (Thanh Hóa) Đây là loại thiết bị có cơ cấu chuyển đổi năng lượng trực tiếp dạng phao, dùng máy phát điện tịnh tiến không lõi sắt Kết cấu thiết bị có dạng phao kép, đảm bảo tính cơ động và phù hợp với môi trường khắc nghiệt cũng như điều kiện phức tạp
Hình 1.1: Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển
1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Những năm 1990 của thế kỷ trước đã có nhiều phát triển trong các ứng dụng của động cơ piston tự do như máy phát điện Những máy đó đã được chú ý rất nhiều vì động cơ piston tự do là một trong những thiết bị phù hợp nhất để chạy chúng Mikalsen R và Roskilly Ap [2] đã chứng minh hoạt động ổn định của một mẫu thử FPLG đánh lửa có đường kính 36.5 mm, hành trình tối đã là 50 mm và công suất đầu ra có thể đạt 316 W ở 79 V hoạt động ở mức đầy tải Họ đã thực hiện một số nghiên cứu về nghiên cứu tham số của động cơ tuyến tính phun trực tiếp hai kì tác động tới hiệu suất đầu ra của máy phát tuyến tính và hiệu quả mang lại là cao hơn so với động cơ 4 kì
Wang và nhóm tác giả [3] mô tả thiết kế và đặc tính thử nghiệm của một máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính tịnh tiến Bài báo của họ mô tả một phương pháp thiết kế bao gồm cả thiết kế điện từ và cơ học Tổng hợp thiết kế điện từ dựa trên các giải pháp phân tích các kết cấu, thông số từ đó cho phép tối ưu hoác các tham số của máy phát và được xác minh thêm bằng phân tích phần tử hữu hạn điện từ phi tuyến tính Tiện ích của phương pháp thiết kế được minh họa bằng một nghiên cứu thiết kế và đặc tính thử nghiệm rộng rãi của một thiết bị nguyên mẫu
Trong một bài báo khác [4] Wang và Dowe đã thảo luận các vấn đề thiết kế của một máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính để ứng dụng trong bộ chuyển đổi năng lượng piston tự do Để đạt được mật độ năng lượng cao cần thiết, hiệu suất cao và khối lượng di chuyển thấp, một máy tính hình ống được trang bị cuộn dây mô đun và từ hóa Quasi-Halbach được chọn Các biểu thức phân tích để dự đoán phân bố từ trường mạch hở, suất điện động, lực đẩy và phản ứng phần ứng, cũng như bản chất và độ tự cảm tương hỗ của máy, được thiết lập và xác định bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn Nó cho thấy rằng thiết kế máy có thể được tối ưu hóa theo tỷ lệ ba chiều trong khi
4 đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất khác Bài báo phân tích này cho thấy một điều rằng các giá trị tham số cũng như hướng của các phẩn tử ảnh hưởng tác động lớn đến khả năng hoạt động của điều chỉnh hiệu năng điện
Hình 1.2: Máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính [4]
Oprea và nhóm tác giả [5] sử dụng LabView mô hình hóa động cơ FPLE, mục đích sử dụng động cơ này để sản xuất điện năng, sử dụng cho xe lai, trong giai đoạn chuyển đổi, so sánh các giá trị và thiết lập các mô hình đơn giản để thiết kế máy phát điện 3 pha, với nam châm vĩnh cửu, dựa vào những tham số đầu vào để mô hình hóa trên LabView, từ đó tác giả so sánh các giá trị và đưa ra các phương án tối ưu nhất của máy phát điện từ động cơ piston tự do, là tiền đề để thiết kế và tối ưu hóa các mô hình tương tự để hoàn thiện hơn
Wang và nhóm tác giả [6] đã nghiên cứu thiết kế bộ phát điện tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu cho động cơ FPG Đây là một bước tiến để giảm thiểu khí thải, cũng như cung cấp cho dòng xe lai có thêm nguồn cung cấp năng lượng tối ưu cho xe Bằng thiết kế này đã loại bỏ cơ cấu trục khuỷu, thay đổi được tỷ số nén của động cơ, do đó bài toán về nhiên liệu có thể được cải thiện rất nhiều, cũng với đó là giảm thiểu tối đa lượng phát thải NOx và CO2 Trong nghiên cứu này tác giả tập trung tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi điện năng, tổng khối lượng của phần ứng nam châm chuyển động giới hạn mức 6.0 kg
Li và Chau [7] có công trình nghiên cứu về động cơ FPG sử dụng cho xe lai sử dụng máy phát điện hiệu suất cao Nghiên cứu của ông cho biết sử dụng một động cơ dẫn động chính (ICE) và lắp đặt thêm động cơ FPG phụ trợ phát điện Tác giả cho biết ưu điểm vượt trội mà động cơ này mang lại, nhỏ gọn, hiệu suất cao, sử dụng tốt cho các thế hệ xe lai song song, lai phức tạp, xe điện, kết hợp nguồn cấp pin, giải pháp tăng bán kính hoạt động của xe khi hết pin và năng lượng dự trữ
Ding, Yu và Li [8] đã phân tích được tiềm năng của động cơ FPG về hiệu quả nhiên liệu mà động cơ này tiêu thụ, từ đó xây dựng mô hình động lực học sẽ là nguồn năng lượng chính của xe điện Hybrid Mô hình toán học cho máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu đã được tác giả giới thiệu trong bài viết, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc tính vận hành của động cơ Hiệu suất của động cơ FPG dựa trên mô hình toán học cũng đc thảo luận so sánh với các thí nghiệm nguyên mẫu của các động cơ khác
Hình 1.4: Mô hình động cơ FPG [8]
Xu và Chang [9] đã nghiên cứu và cải tiến bộ phát điện theo nguyên mẫu cuộn dây di chuyển tuyến tính được đặt trong động cơ Các phép đo đạc thử nghiệm trên động cơ nguyên mẫu 4kN cho thấy kết quả tốt, là giải pháp cho các dòng xe lai hybrid khác Thiết kế này có thể được sử dụng ở trong các ứng dụng có điều khiển chuyển động hoặc tần số cao như máy nén, động cơ Stirling, máy phát rung động
Hình 1.5: Mô hình hóa bộ phát điện được phát triển từ động cơ FPLE [9]
Fazal và nhóm tác giả [10] đã có báo cáo về phương pháp phần tử hữu hạn phân tích máy phát điện tuyến tính sử dụng trong động cơ FPLE Hai máy phát điện gồm 6 cực và 8 cực được sử dụng để so sánh sự phân bố từ thông cho khe hở không khí Máy phát điện được sử dụng nằm trong động cơ có nhước điểm là chịu ảnh hưởng bởi nhiệt động cơ sinh ra và bị giảm từ trường Máy phát tuyến tính cuộn dây 3 pha được thiết kế sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 2 chiều Thiết kế nhằm mục tiêu để đạt được điện áp đầu ra tối đa Sự thay đổi thông lượng là 6 mWb và mật độ từ thông là 0.45 Tesla cho thu nhỏ kích thước của dộng cơ Cuộn đơn có cực đại đến giá trị 50 Volts Thiết kế được thực hiện để thay thế máy nam châm chuyển động động cơ FPLE có máy phát điện tuyến tính
Từ các tổng quan trên, các nghiên cứu điều chủ yếu mô hình hóa mô phỏng, các máy phát điện tuyến tính thường tích hợp với FPLE, … chưa có tính toán, mô phỏng, khảo sát động cơ tuyến tính ở mô hình độc lập và các vận tốc khác nhau Từ đó là tiền đề cho những mục tiêu nghiên cứu về sau.
Lý do chọn đề tài
Để giải quyết các vấn đề liên quan đến năng lượng và môi trường, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu giải pháp sử dụng xe chạy điện, xe lai thay thế ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch Về phương diện bảo vệ môi trường, đây là một giải pháp rất hiệu quả Tuy nhiên, FPEG có sử dụng nhiên liệu khí sinh học Biogas hoặc các nhiên liệu hiện có trên thị trường, có khả năng da dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ
Do vậy, việc nghiên cứu và chọn lựa phương án thiết kế phù hợp cho động cơ đốt trong không trục khuỷu phù hợp với điều kiện công nghệ Việt Nam đóng vai trò vô cùng quan trong Máy phát điện tuyến tính kết hợp với động cơ piston tự do FPEG, là một
7 trong những thế hệ động cơ mới nhất hiện nay, thiết bị chuyển đổi năng lượng sẽ được nghiên cứu rộng rãi do những lợi thế tiềm năng của nó về hiệu suất cao và góp phần hạn chế tối đa sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là tính toán và chọn lựa phương án thiết kế thử nghiệm máy phát tuyến tính ứng dụng cho động cơ không trục khuỷu
Sản phẩm khoa học của đề tài sẽ góp thêm giải pháp nhằm cải thiện hiệu suất của động cơ đốt trong truyền thống sử dụng nhiên liệu hoá thạch.
Đối tượng nghiên cứu
Máy phát điện tuyến tính ứng dụng trên động cơ đốt trong không trục khuỷu.
Phạm vi nghiên cứu
Dựa trên các bài báo quốc tế về khoa học công nghệ và những báo cáo nghiên cứu của những người đi trước kết hợp với phân tích tổng hợp các cơ sở lý thuyết để thực hiện đề tài.
Nội dung nghiên cứu
• Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cấu tạo, đặc tính máy phát tuyến tính để ứng dụng trên động cơ piston tự do
• Tính toán, mô phỏng và phân tích kết quả mô phỏng
• Chế tạo mô hình máy phát tuyến tính bán thực nghiệm
• Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
Phương pháp nghiên cứu
Vận dụng kiến thức cơ sở và chuyên ngành cùng với tư liệu, thông tin thu thập được để hỗ trợ việc nghiên cứu và chế tạo Sau khi xây dựng mô hình thử nghiệm sẽ tiến hành đo đạt thông số để so sánh với kết quả lý thuyết
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Từ trường
Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các moment lưỡng cực từ như nam châm Mỗi điểm trong từ trường được miêu tả bằng toán học thông qua hướng và độ lớn tại đó; từ trường được miêu tả bằng trường vector Có hai loại từ trường, 𝐻 (Cường độ từ trường) và 𝐵 (Cảm ứng từ) Trong chân không chúng thể hiện giống nhau, chỉ khác nhau về độ lớn Nhưng bên trong vật liệu hay môi trường vật chúng có tính chất khác nhau Về mặt lịch sử, thuật ngữ từ trường có ký hiệu là 𝐻 trong khi các nhà vật lý sử dụng thuật ngữ khác cho 𝐵 Ngày nay, các sách vật lý điều sử dụng thuật ngữ từ trường cho cả hai ký hiệu 𝐵 và 𝐻
Trong hệ SI, 𝐵 có đơn vị tesla (𝑇) và tương ứng với Φ 𝐵 (Từ thông) có đơn vị Weber (𝑊𝑏) do vậy mật độ thông lượng 1 (𝑊𝑏/𝑚^2 ) = 1 (𝑇) Đơn vị SI của Tesla bằng (𝑁 𝑠/𝐶 𝑚) Trong đơn vị Gauss-cgs, 𝐵 có đơn vị Gauss (𝐺) và 1 (𝑇) 10.000 (𝐺) Trường 𝐻 có đơn vị ampere trên mét (𝐴/𝑚) trong hệ SI, và Oersted (𝑂𝑒) trong hệ CGS
Hình 2.1: Quy tắc nắm tay phải
Mọi điện tích di chuyển điều sinh ra từ trường Các điện tích điểm chuyển động, như electron, sinh ra từ trường phức tạp phụ thuộc vào điện tích, vận tốc và gia tốc của hạt Cho dây dẫn có dòng điện có cường độ I chạy qua Các đường sức từ tạo thành các đường tròn đồng tâm quanh dây dẫn điện hình trụ dọc theo chiều dài của dây Hướng của từ trường được xác định theo quy tắc bàn tay phải Độ lớn của từ trường giảm dần theo khoảng cách đến dây dẫn
Hình 2.2: Cuộn dây có dòng điện chạy qua
Khi uốn dây dẫn điện thành cuộn dây solenoid khiến cho từ trường bên trong cuộn dây mạnh lên trong khi ở ngoài cuộn lại rất yếu Một cuộn dây cuốn quanh một lõi sắt từ hoạt động như nam châm điện, sinh ra một từ trường mạnh và điều khiển được Một nam châm điện hình trụ coi dài vô hạn có từ trường rất đồng đều bên trong cuộn dây trong khi từ trường ngoài lại không tồn tại Nam châm điện hình trụ dài hữu hạn sinh ra từ trường có dạng giống với từ trường của một nam châm vĩnh cửu hình dáng đều, với độ lớn và cực từ xác định bởi hướng dòng điện chạy trong cuộn dây
Từ trường sinh ra bởi dòng điện không đổi I (luồng điện tích chảy đều đặn) mô tả bởi định luật Biot–Savart:
Với tích phân lấy trên toàn bộ chiều dài của dây, vector 𝑑𝑙 chỉ theo hướng của dòng điện, 𝜇 0 là hằng số từ môi (hay được gọi là độ từ thẩm của chân không, có độ lớn
𝐴)), 𝑟 là khoảng cách giữa vị trí của 𝑑𝑙 và vị trí cần tính độ lớn từ trường, và 𝑟̂ là vectơ đơn vị theo hướng của 𝑟
Một cách hơi tổng quát hơn, liên hệ dòng I với trường B là định luật Ampère:
∮ 𝐵 𝑑𝑙 = 𝜇 0 𝐼 𝑒𝑛𝑐 (2.2) Định luật Ampère luôn luôn đúng cho dòng điện ổn định và dùng để tính cho trường B có dạng đối xứng cao như dây dẫn dài vô hạn hay solenoid vô hạn
Các nguyên lý cơ bản về điện
Từ thông là thông lượng đường sức từ đi qua một diện tích Từ thông liên hệ trực tiếp với mật độ từ thông (𝐵) Cho một bề mặt chung 𝑆 được chia thành các phần tử vô hạn được đặt trong từ trường, tổng từ thông qua bề mặt là tích phân của phép nhân vô hướng giữa mật độ từ thông với véctơ thành phần diện tích, trên toàn bộ diện tích có công thức toán học là: Φ 𝐵 = ∬ 𝐵 𝑑𝑆 (2.3)
Trường hợp đơn giản hơn như hình dưới đây miêu tả một mặt phẳng diện tích S được đặt trong từ trường đều Mặt phẳng S có vector pháp tuyến 𝑛⃗ chiều của có thể̉ chọn tuỳ ý Đại lượng Φ có thể được xác định bằng công thức đơn giản hơn sau đây: Φ = B S cos(𝛼) (2.4)
Nếu trong một cuộn dây có N vòng dây thì: Φ = N B S cos(𝛼) (2.5)
Hình 2.3: Từ thông qua các dạng mặt phẳng
Tổng từ thông qua một mặt phẳng kín là bằng không theo định luật Gauss cho từ trường dưới dạng công thức toán học sau:
Thí nghiệm: Lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp nó với một điện kế thành một mạch kín và cho đứng im Cho một thanh nam châm 2 cực Bắc-Nam di chuyển tịnh tiến với cuộn dây
• Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại
• Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn
• Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không
• Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự
Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:
• Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó Khi đưa nam châm lại gần cuộn dây số đường sức từ sẽ tăng, khi đưa ra xa cuộn dây số đường sức từ sẽ giảm
• Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi (khi có chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây)
• Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông Tức là khi nam châm đi xa hay lại gần thì sẽ xuất hiện dòng điện Và khi nam châm đứng yên sẽ không có dòng điện qua cuộn dây
• Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch kín
Thay đổi theo thời gian của từ thông xuyên qua một vòng dây điện sẽ gây ra một lực điện động theo định luật cảm ứng Faraday được phát biểu như sau “Suất điện động cảm ứng trong bất kỳ một mạch kín bằng âm biến thiên thời gian của từ thông bao quanh nó” và được thể hiện qua công thức sau:
Ta cũng thấy rằng khi thay đổi chiều chuyển động của nam châm thì giá trị điện áp cũng thay đổi (bằng giá trị trước nhân với -1) Do đó ta suy ra được rằng dòng điện khi di chuyển tịnh tiến liên tục qua cuộn dây là dòng xoay chiều
Như vậy ngay từ lúc ban đầu khi người ta nghĩ cách tạo ra dòng điện thì chuyển động của rotor (ở đây là nam châm) là chuyển động tịnh tiến Tuy nhiên do chuyển động quay dễ được tạo ra hơn do đó chuyển động tịnh tiến không được áp dụng nhiều trên máy phát điện
Cùng thời với Michael Faraday, Heinrich Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chiều của dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Lenz Ta tiếp tục với thí nghiệm Faraday
Khi nam châm có đầu cực Bắc hướng vào ống dây chi chuyển lại gần ống dây (số đường sức từ tăng) thì trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng 𝐼 𝑐 có chiều như trong hình dưới đây Dựa vào quy tắc bàn tay phải ta xác định được từ trường 𝐼 𝑐 do nó sinh ra ngược chiều với từ trường 𝐵 của nam châm
Hình 2.5: Chiều từ trường khi nam châm di chuyển trong lòng cuộn dây
Khi di chuyển nam châm ra xa ống dây (số đường sức từ giảm) thì trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng 𝐼 𝑐 có chiều như trong hình dưới đây Cũng dựa vào quy tắc bàn tay phải ta xác định được từ trường 𝐵 𝑐 do nó sinh ra cùng chiều với từ trường 𝐵 của nam châm
Kết luận: Ðiều này có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại sự tăng của từ thông: từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài
Từ đó ta suy ra được nội dung định luật: “Chiều của dòng điện cảm ứng trong dây dẫn sinh ra bởi sự biến thiên của từ trường tuân theo định luật cảm ứng Faraday sẽ tạo ra một từ trường chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó”.
Lực điện từ và động cơ điện
Trong vật lý học và điện từ học, lực Lorentz là lực tổng hợp của lực điện và lực từ tác dụng lên một điện tích điểm nằm trong trường điện từ Các công thức phát sinh từ công thức cơ bản này miêu tả lực từ tác dụng lên dây dẫn có dòng điện chạy qua, lực điện từ trong một vòng dây di chuyển qua từ trường (một khía cạnh của định luật cảm ứng điện từ Faraday), và lực tác dụng lên điện tích điểm chuyển động với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng (dạng tương đối tính của lực Lorentz)
Khi một dòng điện chạy qua một cuộn dây được đặt trong một từ trường của nam châm, cuộn dây dẫn sẽ chịu tác động bởi một lực vuông góc với hướng của cả từ trường và dòng điện chạy qua Định luật phát biểu rằng nếu hạt có điện tích q (C) chuyển động với vận tốc v (m/s) trong điện trường E (V/m) và từ trường B (G) thì nó sẽ chịu lực tác dụng lên nó
Lực Lorentz có công thức:
Chiều của lực được xác định bằng nguyên tắc Flemming hay còn gọi là nguyên tắc bàn tay trái
Hình 2.6: Quy tắc nắm tay trái
Giơ bàn tay trái lên, ngón trõ chỉ chiều của từ trường, ngón giữa chỉ chiều của dòng điện và ngón cái trỏ lên chính là chiều của lực từ Hình 2.7 dưới đây mô tả hình ảnh một cuộn dây mang dòng điện xoay chiều đặt trong một từ trường, Ta tiếp tục tuân theo quy tắc bàn tay trái nêu trên sẽ xác định được chiều lực từ tác động lên cuộn dây và làm cuộn dây quay trong từ trường Nếu muốn cuộn dây quay nhanh hơn ta cần quay nhiều vòng dây hơn Cơ sở nói trên đã đã trở thành nguyên lý hoạt động cho các loại động cơ điện hiện nay
Hình 2.7: Động cơ điện một chiều Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ hoạt động dựa trên sự tương tác giữa hai từ trường của động cơ Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen
Phần lớn các động cơ điện hoạt động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là có một lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường Lực này theo mô tả của định luật lực Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả với từ trường
Theo nguồn cấp ta có động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều
• Động cơ điện một chiều sử dụng chổi than truyền thống được ứng dụng làm máy đề trên xe ô tô Các bước phát triển sau này đã dẫn đến loại động cơ điện không chổi than được sử dụng trong các quạt làm mát máy tính và động cơ cho ổ cứng HDD máy tính và động cơ bước được ứng dụng trong các cánh tay robot
• Động cơ điện xoay chiều lại phân ra thành động cơ điện xoay chiều một pha và ba pha không đồng tốc Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng tốc đã được sử trên xe điện của Tesla.
Dòng điện xoay chiều và máy phát điện xoay chiều
Sau khi phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, thì đó là lúc dòng điện xoay chiều được ra đời Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và cường độ biến đổi theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định
Trong mạch điện tử, sóng Sin được dùng để ám chỉ điện xoay chiều đặt trên những linh kiện điện tử vì sóng Sin là một dạng sóng tuần hoàn điều hòa
Theo như thí nghiệm Faraday thì độ lớn hiệu điện thế tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông 𝑑Φ Tức là yêu cầu một dao động có tần số cao
Theo như công thức (2.4) thì có 3 cách thay đổi từ thông:
- Thay đổi B (thay đổi từ thông): Cho nam châm di chuyển tịnh tiến so với cuộn dây liên tục Có khả năng thực hiện được với sự ra đời của máy phát điện tuyến tính
- Thay đổi S (thay đổi diện tích mặt phẳng): Thay đổi liên tục chu vi vòng dây Không khả thi vì yêu cầu một cơ cấu cơ khí phức tạp, tần số thấp nên dòng điện tạo ra rất yếu
Hình 2.8: Điện áp cảm ứng tương ứng vị trí cuộn dây
- Thay đổi α (thay đổi góc hợp bởi từ thông và vector pháp tuyến của mặt phẳng): Được thực hiện như hình 2.8: Cho khung dây dẫn phẳng có N vòng, diện tích S quay đều với vận tốc ω, xung quanh trục vuông góc với các đường sức từ của một từ trường đều có cảm ứng từ 𝐵⃗ Giả sử ban đầu (t=0) pháp tuyến 𝑛⃗ của mặt khung tạo với 𝐵⃗ một góc α Như vậy sau thời gian t nó thay đổi thanh 𝜑 = (𝜔 𝑡 + 𝛼) Khi đó từ thông gửi qua cuộn dây là:
𝜙 𝑚 = 𝑁 𝐵 𝑆 cos( 𝜔 𝑡 + 𝛼) (2.9) Chu kỳ và tần số của khung là:
Cách làm thay đổi ‘α’ ở trên chính là cơ sở cho các máy phát điện ngày nay
2.4.2 Máy phát điện xoay chiều
2.4.2.1 Tổng quan về máy phát điện xoay chiều
Theo định luật cảm ứng điện từ, từ thông qua khung dây biến thiên, trong khung dây xuất hiện suất điện động cảm ứng biến đổi theo định luật dạng cosin với thời gian gọi tắt là suất điện động xoay chiều:
∆𝑡 = 𝐸 0 cos( 𝜔 𝑡 + 𝜑 0 ) (2.12) Với 𝐸 0 = 𝑁 𝐵 𝜔 𝑆 : là suất điện động cực đại
Phương trình dòng điện xoay chiều về mặt tổng quát có hai phương trình sau:
Trong kỹ thuật điện, nguồn xoay chiều được viết tắt tiếng Anh là AC (viết tắt của Alternating Current) và được ký hiệu bởi hình ~ (dấu ngã - tượng trưng cho dạng sóng hình Sin)
Cấu tạo máy phát điện xoay chiều trên thực tế ngược với mô hình trên:
Hình 2.9: Cấu tạo máy phát điện
Phần cảm là nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện, có chuyển động quay gọi là rotor - phần tạo ra từ trường, phần ứng bao gồm các cuộn dây đứng yên, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng gọi là stator Khi quay rotor từ trường xung quanh stator thay đổi tạo ra dòng điện cảm ứng Đối với loại máy phát sử dụng nam châm điện thì cần có một nguồn cung điện một chiều cho các cuộn dây rotor Điều này yêu cầu một liên kết vật lý để kích dòng cho cuộn dây trên thực tế liên kết thường được dùng là lò xo-chổi than
Dòng điện do máy phát sinh ra có các thông số như sau :
• Tần số của dòng điện:
Trong đó: o 𝑛 là tốc độ quay của máy phát o 𝑝 là số cực của rotor
• Suất điện động cảm ứng máy phát tạo ra:
∆𝑡 = 𝐸 0 cos( 𝜔 𝑡 + 𝜑 0 ) (2.16) Với 𝐸 0 = 𝑁 𝐵 𝜔 𝑆 : là suất điện động cực đại
Hình 2.10: Sơ đồ hóa máy phát điện
Bên trái là phần cảm, bên phải là phần ứng, dòng 𝐼 𝐴 là dòng xoay chiều còn 𝐼 𝐹 là dòng một chiều dùng để kích từ cuộn dây 𝐸 𝐴 là suất điện động cảm ứng hay còn gọi là điện áp được tạo thành trong máy phát và 𝑉 ∅ là điện áp pha hay còn gọi là điện áp ở hai đầu ra của máy phát Ngoài 𝑅 𝐴 là điện trở của cuộn dây máy phát thì còn có một chỉ số khác gọi là điện kháng đồng bộ 𝑋 𝑆 Suất điện động cảm ứng không bao giờ bằng với điện áp đầu ra Điều này sẽ được giải thích sau đây:
Sự xung đột giữa từ trường của phần cảm và từ trường của phần ứng: Khi chưa kết nối với tải sự xung đột này là không có nhưng khi kết nối với tải, dòng điện 𝑰 𝑨 bắt đầu xuất hiện trong cuộn dây stator sinh ra một từ trường 𝑩 𝑺 xung quanh các cuộn dây này tác động đến từ trường của phần ứng 𝑩 𝑹
Vì lẽ đó mà một điện áp phản ứng trong stator 𝐸 𝑠𝑡𝑎𝑡 được sinh ra khiến điện áp đầu ra bị ảnh hưởng:
Hình 2.11: Góc giữa cường độ dòng điện và điện áp cảm ứng
Do 𝐸 𝑠𝑡𝑎𝑡 trễ pha 90 𝑜 so với dòng như trong Hình 3.11 nên ta có:
𝑉 ∅ = 𝐸 𝐴 − 𝑗 𝑋 𝐼 𝐴 (2.20) Trong mạch hình 2.11 phần ứng còn có chỉ số độ tự cảm và điện trở của cuộn dây stator nên 𝑉 ∅ có công thức sau:
Ta có chỉ số điện kháng đồng bộ 𝑋 𝑆 :
Qua các yếu tố đã nêu trên nên ta chủ yếu quan tâm đến 𝑉 ∅ vì đó mới là điện áp thực của máy phát
Dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng toả nhiệt như dòng điện một chiều Xét về mặt toả nhiệt trong một thời gian dài thì dòng điện xoay chiều tương đương với dòng điện một chiều có cường độ không đổi có cường độ bằng Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, ta không cần quan tâm đến các giá trị tức thời của 𝑖 và 𝑢 vì chúng biến thiên rất nhanh, ta cần quan tâm tới tác dụng của nó trong một thời gian dài Tác dụng nhiệt của dòng điện tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện nên không phụ thuộc vào chiều dòng điện Khi ampe kế đo cường độ dòng điện xoay chiều và vôn kế đo điện áp xoay chiều, số chỉ của chúng là cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều
Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng giá trị cực đại chia cho √2:
• Cường độ dòng điện hiệu dụng: 𝐼 = 𝐼 0 /√2
• Hiệu điện thế (Suất điện động) hiệu dụng: 𝑈 = 𝑈 0 /√2
2.4.2.3 Phân loại máy phát điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều hiện nay chủ yếu có hai loại: điện xoay chiều một pha và điện xoay chiều ba pha Tương ứng với hai loại này sẽ là máy phát điện xoay chiều một pha và ba pha cùng với đó là động cơ điện một pha và ba pha
Hình 2.12: Giá trị điện áp xoay chiều 3 pha (trái) và 1 pha (phải)
Cả hai loại trên điều có ưu và nhược điểm riêng nên mục đích sử dụng của chúng cũng khác nhau: a) Máy phát điện xoay chiều ba pha:
Có thể nhận biết được qua ba dây nóng (mắc kiểu tam giác) hoặc một dây trung gian và ba dây nóng (mắc kiểu hình sao) Mỗi cách mắc có đặc điểm về dòng và điện áp khác nhau như hình 2.13 dưới đây Trên các động cơ điện không đồng bộ 3 pha có mạch điện để hoán đổi từ dạng này sang dạng kia để tối ưu hóa khả năng hoạt động Điện ba pha có công suất lớn (gấp 1732 lần điện một pha) nên điện ba pha thường sử dụng trong truyền tải, sản xuất công nghiệp Các nhà máy phá điện hiện nay chủ yếu phát ra điện ba pha Động cơ điện trên ô tô điện hoặc xe Hybrid sử dụng điện ba pha để hoạt động
Hình 2.13: Sơ đồ mắc dây kiểu tam giác (trái) và kiểu hình sao (phải) b) Máy phát điện xoay chiều một pha:
Máy phát điện xoay chiều một pha tuy công suất nhỏ nhưng phù hợp với các thiết bị điện dân dụng được sử dụng chủ yếu trong sinh hoạt và kinh doanh
Hình 2.14: Máy phát điện xoay chiều 1 pha
Vật liệu từ tính
Trước tiên khi nói đến vật liệu từ thì phải nói đến khái niệm độ từ thẩm Độ từ thẩm MP (Magnetic Permeability), thường được ký hiệu là 𝜇 là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài Khái niệm từ thẩm thường mang tính chất kỹ thuật của vật liệu, nói lên quan hệ giữa cảm ứng từ và từ trường ngoài Độ từ thẩm thực chất chỉ đáng kể ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ và ferrit từ) Khi nói độ từ thẩm thì người ta thường ngầm hiểu là độ từ thẩm tương đối 𝜇 𝑟 và đại lượng này là đại lượng không có thứ nguyên
Trong từ học, các vật liệu được chia thành các nhóm dựa trên cơ sở phản ứng của chúng với từ trường ngoài: vật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ Sự phân loại phụ thuộc vào mô men lưỡng cực từ của các nguyên tử của vật liệu và vào sự tương tác giữa các nguyên tử Khi các vật liệu từ tính khác nhau được đặt trong một từ trường đồng nhất, các đường sức từ được thay đổi như thể hiện trong hình dưới đây:
Trong trường hợp của các chất thuận từ và nghịch từ, độ từ hóa M tỉ lệ với từ trường ngoài sao cho:
Với μ là tham số phụ thuộc vật liệu gọi là độ từ thẩm
Các chất nghịch từ là các chất không có mô men từ Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài theo xu hướng cảm ứng điện từ Cho nên chất liệu nào cũng phát sinh nghịch từ khi từ trường tác dụng nhưng trong đa số chất liệu hiệu ứng nghịch từ rất nhỏ và khó phá hiện Chỉ trong chất siêu dẫn có hiệu ứng này rất mạnh Độ từ thẩm tương đối của vật liệu từ tính nhỏ hơn hoặc bằng với độ từ thẩm tương đối của chân không (𝜇 𝑟 ≤ 1), độ từ cảm 𝜒 < 0 Các chất nhóm này là các khí hiếm như:
I, He, Ne, Ar, Kr, … và các ion có các lớp electron giống khí hiếm
Hình 2.15: Vật liệu nghịch từ
Các tính chất của các vật liệu này là độc lập với nhiệt độ Một số vật liệu hoạt động như chất siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp và chúng là vật liệu từ tính hoàn hảo có 𝜇 𝑟 = 0 và
𝐵 = 0 (không có từ trường nào có thể được thiết lập bên trong vật liệu siêu dẫn vì chúng trục xuất tất cả các từ trường áp dụng trên nó)
Vật liệu thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính) Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mô men từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mô men từ này sẽ bị quay theo chiều từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên Chất thuận từ không giữ lại các thuộc tính từ tính khi không chịu tác động từ từ trường bên ngoài Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm, …
Hình 2.16: Vật liệu thuận từ
2.5.4.1 Tổng quan vật liệu sắt từ
Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi "sắt từ" được đặt cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài Chất sắt từ có thể giữ lại các đặc tính từ tính của mình sau khi không chịu tác động trường bên ngoài Độ từ thấm tương đối của vật liệu sắt từ lớn hơn nhiều so với độ từ tương đối thấm của chân không (𝜇 𝑟 ≫
1) Vật liệu sắt từ mạnh sẽ mất tất cả các tính chất từ của chúng nếu chúng được nung nóng đến nhiệt độ tới hạn (nhiệt độ Curie) Điều này là do các miền từ hóa sẽ tự tổ chức ngẫu nhiên sau khi các nguyên tử của chúng được nung nóng
Hình 2.17: Vật liệu sắt từ
Khi vật liệu sắt từ ở trạng thái không nhiễm từ, các đômen từ có chiều gần như ngẫu nhiên như trong hình 2.18a và từ trường ròng cho toàn bộ phần bằng không Khi một lực từ hóa được áp dụng, các miền trở nên thẳng hàng như trong hình 2.18b để tạo ra từ trường mạnh trong bộ phận
Hình 2.18: Đô men từ trong vật liệu không từ hóa (a) và được từ hóa (b)
Là một đặc trưng dễ thấy nhất ở chất sắt từ Khi từ hóa một khối chất sắt từ các mô men từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường ngoài do đó từ độ của mẫu tăng dần đến độ bão hòa khi từ trường đủ lớn (khi đó các mô men từ hoàn toàn song song với nhau) Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo chiều ngược, do sự liên kết giữa các mô men từ và các đô men từ, các mô men từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ ở giá trị khác không Có nghĩa là đường cong đảo từ sẽ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, và nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngoài, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ Có nhiều cơ chế khác nhau để tạo ra hiện tượng trễ như cơ chế dịch chuyển vách, cơ chế quay mô men từ, cơ chế hãm sự phát triển của các mầm đảo từ
Hình 2.19: Đảo từ của vật liệu sắt từ
Có thể thấy ở trạng thái thứ nhất sắt từ chưa bị từ hóa, các mô men từ có chiều không xác định Ở trạng thái thứ hai vật bị từ hóa một phần nên các mô men từ dần có chiều và ở trạng thái thứ ba các mô men từ song song và cùng chiều nhau và đạt trạng thái bão hòa từ
Hình 2.20: Đường cong trễ từ của vật liệu
Và trên đường cong từ trễ, ta sẽ có các đại lượng đặc trưng của chất sắt từ như sau:
• Từ độ bão hòa (𝐵 𝑠𝑡𝑎𝑡 ): Là từ độ đạt được trong trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là tất cả các mô men từ của chất sắt từ song song với nhau
• Từ dư (𝐵 𝑟 ): Là giá trị từ độ khi từ trường được dỡ bỏ về 0
• Lực kháng từ (𝐻 𝑐 ): Là từ trường ngoài cần thiết để khử mô men từ của mẫu về 0, hay là giá trị để từ độ đổi chiều Đôi khi lực kháng từ còn được gọi là trường đảo từ
• Độ từ thẩm (𝜇): Là một tham số đặc trưng cho khả năng phản ứng của các chất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài Từ thẩm của các chất sắt từ có giá trị lớn hơn 1 rất nhiều, và phụ thuộc vào từ trường ngoài
• Năng lượng tối đa (𝐵 𝐻) 𝑚𝑎𝑥 [𝐺𝑂𝑠 (𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 − 𝑂𝑒𝑟𝑠𝑡𝑒𝑑) = 8.103 𝑊 𝑠 /𝑚 3 ] là mật độ từ thông tối đa và cường độ từ trường tối đa đạt được trên đường cong khử từ (Hình 3.20)
Giá trị của 𝐵 và 𝐻 tại (𝐵 𝐻) 𝑚𝑎𝑥 được chỉ định là 𝐵 𝑎 và 𝐻 𝑎
Hình 2.21: Đường cong khử từ
Năng lượng tối đa xảy ra tại điểm trên đường cong khử từ, trong đó một đường đồng mức sẽ chỉ chạm vào nó Tính năng như vậy là một đặc tính rất quan trọng của vật liệu nam châm vĩnh cửu, bởi vì nó là phép đo lượng năng lượng từ tính tối đa được lưu trữ trong một nam châm
Là các vật liệu sắt từ khó từ hóa và khó khử từ thường dùng cho các ứng dụng lưu trữ từ trường như nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ Các vật liệu từ cứng điển hình là
Bảng 2.1: Thông số các vật liệu từ cứng
Máy phát điện tuyến tính
2.6.1 Tổng quan mát phát điện tuyến tính
Máy phát điện hay máy tạo ra điện hầu hết như chúng ta được biết thì chỉ có cấu hình quay, chủ yếu là do các ứng dụng chính của chúng là trong công nghiệp sản suất điện dân dụng hoặc ứng dụng trên các phương tiện giao thông Ngoài những máy phát điện đó ra còn các trường hợp ngoại lệ đáng chú ý, trong đó một số nghiên cứu về trường hợp ngoại lệ đó đã được thực hiện, dành cho mục đích vận chuyển (tàu điện bay cao tốc: Maglev), bệ phóng đạn hoặc bộ truyền động y sinh nhỏ Đây là tất cả các ứng dụng tại tốc độ cao với máy điện hoạt động như một cơ cấu chấp hành động cơ Động cơ tuyến tính thường sử dụng nam châm siêu dẫn để tăng hiệu suất và được làm mát đến nhiệt độ thấp để giảm sự mất từ tính của nam châm cũng như giảm tiêu thụ điện năng Đối với các ứng dụng được trình bày trong các phần sau và các lý do cấp thiết như được trình bày ở chương 1 thì khái niệm về máy tuyến tính mang đến cơ hội đơn giản hóa các cơ chế của hệ thống nếu nó có thể được sử dụng như một máy phát ở tốc độ chậm Các nguyên lý dẫn hướng cho máy phát điện dạng quay và máy phát điện dạng tuyến tính là giống hệt nhau, chỉ đơn giản là trong một mặt phẳng chuyển động của hai
28 loại là khác nhau, loại thì quay vòng quanh trục cố định, loại thì dịch chuyển dọc trục cố định Như vậy, tất cả các phương trình mô tả một máy quay điều có thể áp dụng như nhau cho máy tuyến tính, với sự điều chỉnh nhỏ của một số thuật ngữ, chẳng hạn như mô-men xoắn trở thành lực Về mặt khái niệm, một máy tuyến tính có thể được coi như là vòng tròn quay rotor của máy phát điện thông thường được làm phẳng ra, và stator thì dịch chuyển qua lại trên đó thay vì là quay vòng Công suất được hấp thụ bởi một máy tuyến tính bằng tích của lực phản kháng mà nó có thể cung cấp Do đó, để phát triển công suất lớn hơn cho một vận tốc nhất định, cần phải có khả năng tác dụng một lực lớn hơn và do đó có thể tạo ra dòng điện cao hơn
Hình 2.23: Mặt cắt máy phát tuyến tính
Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động ta có thể phân máy phát tuyến tính (Linear Engine Machine: LEM) theo hai kiểu phân loại đơn giản trong động cơ Free Piston (FPE) a) Đầu tiên là xét hướng đường dẫn từ thông trong máy, trong đó mặt phẳng thông lượng bên trong máy có thể là:
• Thông lượng dọc (LF): Trong đó mặt phẳng đường thông lượng nằm dọc theo trục chuyển động Có độ tin cậy cao do cấu trúc đơn giản và chắc chắn Có đặc điểm mật độ lực cao và hiệu suất cao
• Thông lượng ngang (TF): Trong đó mặt phẳng đường thông lượng vuông góc với trục chuyển động Loại này đạt được mật độ năng lượng cao và liên kết từ thông lớn, nhưng có cấu trúc phức tạp chi phí sản xuất cao
29 b) Phương pháp phân loại thứ hai là theo vị trí của nam châm hoặc nam châm điện đối với các thành phần của máy, trong đó có thể là một trong ba cơ cấu chính sau:
• Cuộn dây di chuyển (MCM): trong đó thành phần chuyển động chỉ chứa cuộn dây phần ứng
• Máy sắt chuyển động (MIM): trong đó thành phần chuyển động là một cấu trúc sắt nguyên chất, có thể là một phần hoặc toàn bộ, kiểu mạch từ tính
• Máy nam châm chuyển động (MMM): trong đó thành phần chuyển động chứa nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện trong cấu trúc của nó
Nhóm LM này có dòng thông lượng trong các mặt phẳng song song với máy cũng như các trục chuyển động như trong hình 2.24 Các kiểu LM này tạo thành một cấu trúc liên kết chung cho hầu hết các ứng dụng dẫn động trực tiếp từ động cơ xuống máy phát bao gồm cả ứng dụng FPE
Hình 2.24: Hướng thông lượng trong máy phát tuyến tính
Kiểu loại cuộn dây di chuyển (MCM) của loại thông lượng dọc này có tính năng chính là khối lượng di chuyển thấp, thúc đẩy cho các ứng dụng yêu cầu sự phản hồi nhanh, tần số hoạt động cao Mặt khác, các cuộn dây di chuyển đòi hỏi phải có dây dẫn hoặc bộ chuyển đổi chổi than linh hoạt để trích xuất công suất được tạo ra và điều này áp đặt việc bảo trì liên tục, bên cạnh việc hạn chế sự định mức công suất Do đó, MCM hiếm khi được sử dụng trong các ứng dụng đánh giá năng lượng cao và trong biên độ hành trình dài Tuy nhiên, các máy phát điện thông lượng dọc của cấu hình dạng ống đã được đề xuất và nghiên cứu để sử dụng cho với động cơ đốt trong, với báo cáo về giá trị của khối lượng phần dịch chuyển thấp, về khả năng kiểm soát hệ thống khi so sánh với
MMM thì cho thấy nó mang lại hiệu quả thấp đối với tốc độ hoạt động thấp MIM với cấu trúc động cơ sắt nguyên chất thường được đặc trưng bởi sự mạnh mẽ, dễ dàng trong quá trình sản xuất và bảo trì, nam châm được bảo vệ tốt và áp dụng trong cả hình học phẳng và hình ống Các tính năng này thúc đẩy nó cho các ứng dụng dày đặc năng lượng, từ vận chuyển tuyến tính, cấu hình một mặt và hai mặt, cũng như hình học ống cho đến ứng dụng chuyển đổi năng lượng sóng Hình 2.25 làm rõ các mẫu của các máy như vậy trong cả hình ống và hình phẳng Ngoài ra, các máy này phù hợp cho các ứng dụng hành trình dài trong trường hợp di chuyển stator ngắn có khối lượng thấp hơn sẽ mang lại tính kinh tế hơn
Hình 2.25: Cấu hình hình ống của máy phát MIM
Trong các nghiên cứu khác người ta đã so sánh MIM với MMM, tất cả được tối ưu hóa về mặt kết cấu cho yêu cầu thiết kế và xếp hạng tại công suất 1kW Người ta thấy rằng MMM thì cho mật độ năng lượng cao hơn tại tốc độ máy thấp cũng như tần số hoạt động thấp Chính vì vậy mà các MMM với phân phối thông lượng LF đã được nghiên cứu rộng rãi bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới, đặc biệt là với hình ống
Trong máy thông lượng ngang dòng chảy chính của từ thông là hướng vuông góc với hướng di chuyển (hình 2.26) Cấu hình bộ chuyển đổi bao gồm nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt buộc từ thông thay đổi theo cả trục và chu vi của máy Cuộn đây stator được gắn ở hai bên bộ chuyển đổi với một chuỗi các ách sắt nối tiếp nhau làm uốnsóng từ thông giống như cách mà các cực động xen kẽ kích thích cùng một cuộn dây Kết quả tạo ra một đường từ thông ba chiều vốn có và từ thông từ tất cả nam châm góp phần liên kết một hay các cuộn dây cùng một lúc Máy từ thông ngang tạo ra ứng suất cắt rất cao đạt được gần tới 200kN/m2 đã được báo cáo Việc gắn các ách stator kết hợp với đường từ thông ba chiều tạo ra nhiều vấn đề khác nhau với cấu trúc hỗ trợ của máy Cấu trúc
31 điển hình của từ thông ba chiều không cho phép sự xuất hiện của các thành phần sắt non hoặc vật liệu SMC Trong loại máy này tồn tại lực cogging: Xu hướng của nam châm tự sắp xếp theo con đường ít từ trở nhất Lực cogging đã được báo cáo là 30kN/m2
Hình 2.26: Mô hình 2D của máy phát TFM
Nhìn chung, TFM được đặc trưng bởi mật độ công suất, mô men xoắn cao so với các máy thông thường có thông lượng phân tán triệt để, do sự tương tác vuông góc giữa từ trường và tải điện của máy Đặc tính vuông góc này có hai tác động chính đến đặc tính máy Ảnh hưởng đầu tiên là tích cực, trong đó đánh giá Volt-Ampere (VA) của máy có thể được nhân đôi bằng cách nhân đôi số cực, xem hình 2.27, tức là tăng gấp đôi mức độ thay đổi của từ thông cho kích thước hình học theo chiều dọc cho trước và với cùng tốc độ
Hình 2.27: Cấu trúc liên kết phẳng của TFLM
Tác động thứ hai không may là sự can thiệp tiêu cực đến hành vi từ thông, vì tăng số cực cho một chiều dài cố định kết quả là dẫn đến khoảng cách cực giảm, do đó có hai hậu quả Thứ nhất, điều này sẽ gây ra sự rò rỉ ba chiều và thông lượng dìm, tức là một bất lợi về chi phí sản xuất trong trường hợp sử dụng nam châm vĩnh cửu có từ tính kém,