Nghiên cứu mô hình động cơ từ kháng đóng ngắt bằng phần mềm Ansys Maxwell

Bài viết Nghiên cứu mô hình động cơ từ kháng đóng ngắt bằng phần mềm Ansys Maxwell tập trung nghiên cứu mô hình hóa động cơ từ kháng loại đóng cắt (SRM) bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm Ansys Maxwell, sau đó dữ liệu được sử dụng mô hình hóa động cơ SRM trong môi trường Matlab/Simulink.

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG ĐÓNG NGẮT

BẰNG PHẦN MỀM ANSYS MAXWELL

Lê Thị Hương

Bộ môn Kỹ thuật Điện, khoa Năng lượng - Trường Đại học Thủy lợi

Email: huonglt@tlu.edu.vn

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Rôto của động cơ từ kháng không cần

thành phần kích từ, các cuộn dây được quấn

xung quanh cực stato Phần rôto chỉ là các lá

thép được ép lại thành các răng nên cấu trúc

đơn giản, nhỏ gọn, bền về mặt cơ khí, khả

năng sinh ra mômen lớn Ngoài ra, động c ơ

từ kháng hoạt động với tốc độ lớn và khả

năng gia tốc nhanh nên ngày càng được sử

dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Động cơ từ kháng chỉ hoạt động khi có sự

biến thiên điện c ảm theo vị trí rôto, mối quan

hệ điện – từ là hàm phi tuyến phức tạp do cấu

tạo có cực ở cả hai phía Việc phân tích đặc

tính từ trường dựa vào lý thuyết trường điện

từ với các phương trình Maxwell, ứng dụng

bài toán cụ thể dẫn đến giải các phương trình

Laplace và Poisson với sơ kiện về mặt thời

gian và biên kiện về mặt không gian Khi ứng

dụng trong động cơ điện, biên kiện là khối

hình học trong không gian rất phức tạp dẫn

đến việc giải phương trình này bằng giải tích

rất khó khăn Ngày nay với sự phát triển c ủa

khoa học máy tính, phương pháp phần tử hữu

hạn được ứng dụng trong các bài toán phi

tuyến do độ chính xác cao

Vì thế tác giả tập trung nghiên cứu mô

hình hóa động cơ từ kháng loại đóng cắt

(SRM) bằng phương pháp phần tử hữu hạn

trong phần mềm Ansys Maxwell, sau đó dữ

liệu được sử dụng mô hình hóa động cơ SRM

trong môi trường Matlab/Simulink

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Bước 1: Phân tích phần tử hữu hạn cho

động cơ SRM bằng phần mềm Ansys Maxwell

Theo [1] phương pháp phần tử hữu hạn bằng việc rời rạc hóa miền bài toán thành một số hữu hạn các miền con liên kết với nhau tại các điểm nút Sau đó xấp xỉ nghiệm của phương trình vi phân theo các điều kiện biên của bài toán

Sử dụng công cụ phân tích phần tử hữu hạn FEA trong phần mềm Ansys Maxwell để phân tích động cơ SRM Theo [3] quá trình phân tích chia thành 3 phần: phần 1 xác định

dữ liệu hình học và tính chất vật liệu của động cơ Thực hiện tính toán dòng điện dựa vào điều kiện biên hình học bao bên ngoài động cơ và chia lưới phần tử hữu hạn được xác định Phần 2 ước tính được mật độ từ thông bằng việc sử dụng phương pháp phần

tử hữu hạn để giải các phương trình Maxwell hoặc phương trình Poisson và Laplace trong trường hợp từ trường tĩnh và từ trường biên thiên Phần 3 các kết quả phân tíc h phân bố

từ trường trong các khu vực c ủa động c ơ và phân bố mật độ từ thông trong khe hở không khí đạt được

Nghiên cứu động cơ loại 6-4, công suất định mức 30 kW Chi tiết được c ho trong bảng 1

Bảng 1 Thông số động cơ Thông số Giá trị Điện áp nguồn DC 300 VDC Tốc độ định mức 1200 vòng/phút Khe hở không khí 2 mm Dòng điện lớn nhất 255 A Vật liệu sắt từ Thép Silic M19

Phương trình Poisson và Laplace theo từ

thế vector A với điều kiện biên Dirichlet

xH = J (1)

B = µH (2) B= xA (3) Thay (2), (3) vào (1) ta được:

Bảng 2 cho biết các biết tính toán theo hai

tham số dòng điện và góc rôto

Bảng 2 Các bước tính theo tham số

Dòng điện pha 0 – 255 A Bước tính:

15A Góc rotor 0 -900 Bước tính: 50

Sử dụng phần mềm Ansys Maxwell với

thiết kế hình học và chia lưới như hình 1

Hình 1 Thiết kế hình học và chia lưới của

động cơ SRM

Sự thay đổi của từ thông so với dòng điện

và góc rotor chỉ ra trong hình 2

Hình 2 Từ thông trong động cơ SRM

Hình 3 Độ tự cảm trong động cơ SRM

Hình 4 Momen tĩnh trong động cơ SRM

Bước 3: Chuyển dữ liệu từ phần mềm Ansys Maxwell vào trong Matlab/ Simulink Chuyển dữ liệu từ FEA c ủa momen và từ thông trong Ansys vào bảng look-up table hai chiều trong Simulink được dòng điện và momen như hình 5, hình 6

Hình 5 Bảng Look-up table cho momen

Hình 6 Look-up table cho dòng điện

3 KẾT QUẢ

Mô hình toán học c ủa động c ơ SRM

Theo [2] ta có

j = p - 2п(j-1)/m Trong đó:

j: momen quán tính

Tc: momen cơ

Bm: hệ số ma sát nhớt

T: momen điện từ

: Vị trí góc rôto

0: Vị trí góc rôto đầu tiền

j: Pha thứ j

p, m: Số đội c ực, số pha

Kết quả mô hình hóa động c ơ SRM:

Hình 7 Sơ đồ từ thông của động cơ SRM

Hình 8 Mô hình 1 pha của động cơ SRM

Hình 9 Mô hình thay đổi góc của động cơ

Hình 10 Mô hình động cơ trong

Matlab/ Simulink

3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

4 KẾT LUẬN

Hình 11 Biến thiên momen tổng

theo thời gian

Hinh 12 Biến thiên của cường độ dòng điện tổng theo thời gian

4 KẾT LUẬN

Trong bài báo này tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tíc h

mô hình hóa động cơ từ kháng Phương pháp này tiết kiệm được thời gian tính toán và giảm lược được các thao tác xây dựng mô hình Các đặc tính thu được cho kết quả chính xác cao

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoài Sơn 2001 Phương pháp phần

tử hữu hạn với Matlab NXB Đại học Quốc gia TP.HCM

[2] T.J.E Miller, Feb 2002, Optimal Design of Switched Reluctance Motor, IEEE Trans action on indus trial electronics [3] Joao Pedro A Bastos, Nelson Sadowski

2003 Electromagnetic Modeling by Finite Element Methods Marcel Dekker