THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG KHÔNG CHỔI THAN

Đề tài: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rotor bên trong có công suất Pđm=250W.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG KHÔNG CHỔI THAN

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Việt AnhSinh viên thực hiện Mã sinh viên

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tính toán mạch từ, dây quấn stato, rôto

Tính toán nhiệt và kết cấu động cơ

Xây dựng đặc tính mở máy và tính toán tham số không tải

3 Mô phỏng kết quả thiết kế động cơ trên phần mềm

4 Nội dung trình bày báo cáo ĐAMH theo đúng quy cách chung

(BM03-Quy định số 815/QĐ-ĐHCN, ngày 15 tháng 8 năm 2019).

B Bản vẽ kỹ thuật

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Việt Anh

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rotor

bên trong có công suất Pđm=250W

Yêu cầu thực hiện:

1 Tổng quan về động cơ không chổi than BLDC

2 Tính toán thiết kế:

 Thiết kế kích thước cơ bản của động cơ

 Thiết kế nam châm

 Thiết kế dây quấn, rãnh stator

 Tính toán điện trở, điện cảm, kiểm tra mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc

 Xây dựng đặc tính mở máy và tính toán tham số không tải

3 Mô phỏng kết quả thiết kế động cơ trên phần mềm

2 Hoạt động của sinh viên

2.1 Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan về động cơ không chổi than BLDC

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Kiến thức về thiết kế máy điện

2.2 Hoạt động/Nội dung 2: Tính toán, thiết kế.

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Xây dựng được quy trình thiết kế động cơ khôngchổi than BLDC, cách thiết kế kích thước mạch từ, dây quấn stato và rôto

2.3 Hoạt động Nội dung 3: Mô phỏng kết quả tính toán, thiết kế trên phần

mềm

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Biết được cách sử dụng phần mềm để mô phỏngxác định kết quả, so sánh đối chiếu với kết quả tính toán giải tích

IV Học liệu thực hiện ĐAMH

1 Tài liệu học tập: Giáo trình Máy điện đặc biệt (Nguyễn Trọng Thắng);

Padmaraja Yedamate, Microchip Technology Inc, AN885, “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamental”

2 C Hanselman, ‘Brushless Permanent-Magnet Motor Design’, New York:

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC

3 Tiến độ thực hiện: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi than

BLDC, rotor bên trong có công suất P đm =250W.

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Thiết kế kích thước cơ bản củađộng cơ

Tìm hiểu tài liệu, viết báocáo

Phạm Xuân Hiệp

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Thiết kế nam châm

- Thiết kế dây quấn, rãnh stator

Tìm hiểu tài liệu, thiết kếtheo yêu cầu đề tài, viếtbáo cáo

Trần Ngọc Hải

Đào Tất Đức

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Tính toán điện trở, điện cảm

- Kiểm tra mật độ từ thông namchâm tại điểm làm việc

Tìm hiểu tài liệu, thiết kếtheo yêu cầu đề tài, viếtbáo cáo

Tìm hiểu tài liệu, nhập sốliệu kỹ thuật cho chươngtrình, theo dõi quá trìnhchạy phần mềm và xuất

dữ liệu kết quả

Phạm Xuân Hiệp

Đào Tất Đức

Trình bày nội dung báo cáo ĐAMH Tổng hợp tất cả các nội

dung đã được trao đổi,

Trần Ngọc Hải thống nhất trong nhóm và

các kết quả đạt được

Ngày 04 tháng 7 năm 2022.

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS Nguyễn Việt Anh

Tên chủ đề: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rotor

bên trong có công suất Pđm=250W

được

Kiến nghị với GVHD

Phạm Xuân Hiệp Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Thiết kế kích thước cơ bản DC

Bản báo cáo

Phạm Xuân Hiệp

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Thiết kế nam châm

- Thiết kế dây quấn, rãnh stator

Bản báo cáo

Trần Ngọc Hải

Đào Tất Đức

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Tính toán điện trở, điện cảm

- Kiểm tra mật độ từ thông namchâm tại điểm làm việc

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS Nguyễn Việt Anh

MỤC LỤC

MỤC LỤC 9

DANH MỤC HÌNH ẢNH 10

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC 12

1.1 Khái quát về động cơ không chổi than 12

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 12

1.3 Cấu trúc động cơ 13

1.3.1 Stator (Phần tĩnh) 13

1.3.2 Rotor trong (phần quay) 14

1.4 Đặc tính cơ của động cơ BLDC 15

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐỘNG CƠ 16

2.1 Thuật toán thiết kế động cơ BLDC 16

2.2 Các thông số hình học mạch từ và dây quấn 17

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC CÙNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾ QUẢ 27

3.1 Ứng dụng mô phỏng trong thiết kế động cơ điện BLDC 27

KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1- 1 Sơ đồ khối chức năng 12

Hình 1- 2 Cấu tạo một động cơ BLDC điển hình 12

Hình 1- 3: Các dạng thiết kế thường gặp 13

Hình 1- 4 Cấu tạo của Stator có rãnh và không rãnh 13

Hình 1- 5: Các dạng thiết kế cấu trúc stator thường gặp 14

Hình 1- 6: Các dạng thiết kế cấu rotor thường gặp 14

Hình 1- 7: Đồ thị đặc tính cơ 15Y Hình 2- 1 Sơ đồ thuật toán thiết kế động cơ 17

Hình 2- 2: Thiết kế kích thước cơ bản động cơ 18

Hình 2- 3: Tính toán nam châm 19

Hình 2- 4: Thiết kế dây quấn, rãnh stator 20

Hình 2- 5: Tính toán điện trở, điện cảm và kiểm tra mật độ từ thông khi có phẩn ứng phần ứng 21

Hình 2- 6: Thuật toán kiểm tra tổn hao động cơ 22

Hình 2- 7: Thuật toán hiệu chỉnh mật độ từ thông động cơ 23

Hình 2- 8: Dạng hình học mạch từ 25

DANH MỤC B Y Bảng 2- 1: Các thông số cố định 17

Bảng 2- 2: Thông số tính toán mạch từ 18

Bảng 2- 3: Thông số tính toán vật liệu 23

Bảng 2- 4: Một số hệ số đặc tính động cơ 25

Bảng 3- 1 Kết quả tính toán tự động trên mô đul Rm-xprt-Ansys Maxwell 27

DANH MỤC KÍ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

 Các từ viết tắt

Từ viết

BLDC Brushless Direct current Động cơ một chiều không chổi than

b-EMF Back-Electromotive force Sức phản điện động

TRV Torque per rotor volume Hằng số thiết kế động cơ

PMSM Permanent Magnet Synchronous

Motors

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

W, Wco Năng lượng, đối năng lượng

αm Tỉ số độ dài nam châm trên cực

Γbi Hàm tổn thất của vật liệu

LỜI NÓI ĐẦU

Khi nhận và thực hiện đồ án này, nhóm sinh viên mong muốn có một phầnđóng góp nhỏ vào việc tổng hợp lý thuyết và đưa ra các công thức sử dụng tính toánthiết kế động cơ BLDC Một điều cần thiết để những đồ án cùng cấp tiếp sau bứt

phá ra khỏi lối mòn “truyền thống” khi nghiên cứu những dạng động cơ “truyền thống” mà thế giới bắt đầu ít sử dụng Nội dung bản tổng hợp với ba phần cơ bản:

nghiên cứu lý thuyết; xây dựng các công thức tính cơ bản; mô phỏng kiểm nghiệmtrên công cụ số; đưa ra kết luận và định hướng phát triển

Tuy nhiên với tầm hiểu biết còn hạn chế, nội dụng đề tài trải rộng, thời gianthực hiện gấp rút Cho nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậynhóm sinh viên thực hiện đồ án luôn cần nhiều ý kiến đóng góp hoàn thiện từ mọi ýkiến phản biện để những nghiên cứu tiếp theo có thể hoàn thiện hơn.

Trong một khoảng thời gian ngắn chắc rằng bài làm của nhóm sẽ khôngtránh khỏi những thiếu sót Nhóm em rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy

Nguyễn Việt Anh để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC

1.1 Khái quát về động cơ không chổi than

Động cơ không chổi than - Brushless Direct Current (BLDC) là loại động cơđược hoạt động dựa vào từ trường vĩnh cữu và cảm biến xác định vị trí, không sửdụng chổi than (bàn chải) giúp loại bỏ những nhược điểm của động cơ một chiềutrong khi vẫn giữ được đặc tính mômen/ tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trongđiều khiển của động cơ một chiều

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1- 1 Sơ đồ khối chức năng

Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần chính sau:

1 Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng m- pha trên stato và rotor kích thíchbằng nam châm vĩnh cứu

2 Cảm biến vị trí rotor, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo

ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều

3 Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứngtrên stator theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rotor

Hình 1- 2 Cấu tạo một động cơ BLDC điển hình

Về các đặc tính, khả năng sử dụng, tính kinh tế Đặc điểm của loại máy điệnnày là làm việc tin cậy, không tạo tia lửa điện, không gây nhiễu và có tuổi thọ caohơn so với các loại động cơ một chiều thông thường

1.3 Cấu trúc động cơ

Cấu trúc động cơ quay được thiết kế dưới dạng trụ Phần lớn thiết kế 4 dạng:Rotor ở phía trong stator (hình 1.3a), Rotor ở phía ngoài stator (hình 1.3b), Động cơdạng địa, từ trường ngang theo trục ngang 1.3c, d

Hình 1- 3: Các dạng thiết kế thường gặp

Stator bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn

Hình 1- 4 Cấu tạo của Stator có rãnh và không rãnh

Với stator có rãnh như hình 1.5 a, độ dài khe hở không khí nhỏ nên có độ từthẩm cao dẫn đến mật độ từ trường của khe hở không khí cao hơn Nhờ dây quấnđược đặt trong rãnh với hệ số dẫn nhiệt của vật liệu sắt từ cao nên khả năng tỏanhiệt tốt hơn Nhưng nó có nhược điểm là gây ra mô men đập mạch lớn và khókhăn trong quá trình quấn dây do yêu cầu thiết kế độ rộng miệng rãnh.

Với stator không có rãnh như hình 1.5 b, các vòng dây được quấn trên gôngstator Với cách quấn dây này không có mô men đập mạch và dây quấn được phân

bố đều trên khắp stator Tuy nhiên chính vì điều này mà khe hở không khí lớn và từtrở của khe hở không khí tăng lên Vì vậy khó tản nhiệt trong dây quấn cũng nhưmạch từ, mật độ dòng điện trong dây quấn giảm xuống và hiệu hiệu suất của động

cơ loại này luôn thấp hơn loại stator có rãnh

Với stator có rãnh kín như hình 1.5 c, khắc phục những nhược điểm của statorkhông rãnh Tuy nhiên do ảnh hưởng của miệng rãnh kín gây ra ngắn mạch mạch từcủa những cuộn dây, giảm từ trường liên kết giữa stator và rotor ảnh hưởng đến giátrị của b-EMF Vì vậy nhằm tránh những ảnh hưởng này thì cầu nối kín miệng rãnhphải được thiết kế tính toán với mức nhỏ nhất có thể sản xuất được Răng và gông

từ được chế tạo tách rời, cho nên khi lắp ráp phải đảm bảo tính đồng tâm và giảmthiểu khe hở không khí giữa răng và gông từ

Hình 1- 5: Các dạng thiết kế cấu trúc stator thường gặp

1.3.2 Rotor trong

Hình 1- 6: Các dạng thiết kế cấu rotor thường gặp

Kiểu đặt nam châm như hình 1.6 a-d gọi là kiểu nam châm gắn bề mặt Namchâm hình dạng cung tròn hướng tâm ở hình 3.9a là kiểu cổ điển được chế tạo.Tương tự, kiểu gắn nam châm hình 1.6 b,c nhưng các cạnh bên của nam châm songsong với nhau Các nam châm hình 1.6 a,b,c được chế tạo từ các miếng nam châmban đầu hình khối và được từ hóa trước khi lắp vào rotor, khác với hình 1.6d đượcchế tạo để bao quanh mạch từ rotor và được từ hóa khi đã lắp vào mạch từ Phân bốnam châm hình cánh quạt như hình 1.6 e, có diện tích mặt nam châm lớn hơn so vớikiểu phân bố trên bề mặt cho nên sử dụng được những loại nam châm có tính từthấp như ferrite với dạng khối Nhúng nam châm vào trong rotor như hình 1.6 f đảmbảo máy hoạt động ổn định khi với tốc độ cao, tuy nhiên sẽ làm tăng từ trở khi từthông từ nam châm qua khe hở không khí, tạo ra sự nhấp nhô mô men lớn hơn

1.4 Đặc tính cơ của động cơ BLDC

Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện mộtchiều thông thường như hình 1.7 Tức là mối quan hệ giữa mô men và tốc độ là cácđường tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyềnđộng cho các cơ cấu khác Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ có thể được mởrộng hơn

Hình 1- 7: Đồ thị đặc tính cơ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐỘNG

CƠ 2.1 Thuật toán thiết kế động cơ BLDC

18

Nhóm 2 GVHD:TS Nguyễn Việt Anh

Các thông số yêu cầu thiết kế động

Thiết kế nam châm

Thiết kế dây quấn, rãnh stator

Thuật toán kiểm tra(η, Eph, cosφ)

Không đạtKhông đạt

Hình 2- 1 Sơ đồ thuật toán thiết kế động cơ

2.2 Các thông số hình học mạch từ và dây quấn

10 Số rãnh của một pha Nsp Rãnh/ pha 4

12 Tổn thất lõi thép từ trường và tần số p10(B, f) W/Kg 0,8

13 Hệ số ép chặt, khối lượng riêng mạchtừ kst [0.91-0.97] 0,93

2.2.1 Thiết kế tính toán thông số mạch từ

Bảng 2- 2: Thông số tính toán mạch từ

18 Tỉ số cuộn dây/ cực αcp int αcp =int(Nspp)/ Nspp 2

29 Độ phủ dài nam châm tínhtoán lPM mm lPM = km* τ 9,10

32 Góc phủ hình học nam châmtính toán αPMm rad αPMm = km1* θp 0,52

34 Độ dài từ stator -rotor g”e mm g”e = g’e+ lPM1/ μrec 2,25

37 Hệ số carter tính toán kc

1 1

1

*

LKG g

rec c LKG c

f B

44 Từ thông khe hở không khí Φg Wb Φg = Bg*π Dro1*l 2,58*10-3

49 Hệ số phân dây quấn rải kd

s

p N k

p N



 55,55

max

I

n n

61 Tiết diện tính toán của thanhdẫn At mm2 At = Ic/ Jmax 3,77

62 Đường kính thanh dẫn tínhtoán dc mm t

c

4Ad



64 Tiết diện thanh dẫn lựa chọn Acs mm2 (d c 2*0.04)2

A

4

N



74 Độ cao đáy nhỏ d2 mm Lựa chọn 0,5

wD

85 Tổng sức từ động tính toán F∑ A.m F∑= Fsr+ Fsy + Fst + Fg +FPM 497,5

d



90 Hệ số từ thẩm tuyệt đối dâyquấn phần ứng μCu μCu<1 1,257*1 0-6

91 Độ dịch chuyển của điểm làmviệc nam châm Bmax|| T 0 s1

ax

N B

w

s I

96 Độ tự cảm đầu bối dây Le H

m

D l N

2.2.2 Thiết kế tính toán vật liệu và một số hệ số đặc tính động cơ

Bảng 2- 3: Thông số tính toán vật liệu

1 Khối lượng thép kỹthuật stator MFes g 2 2

4 Độ dài dây quấnstator lCu m lCu 2*(l cl ce)* W *ph1 N ph 19,82

7 Khối lượng thép kỹthuật điện MFe g MFe=MFes+MFer 734,73

11 Tổn thất cơ khí Pmv W Pmv 0.008*P n 2,26

mv mv

m

P k

P T

P T

e

f

20 Tổng giá trị tổn thất PLoss W PLoss= Pcs+ PFe + PCu+ Pmv+Pst 33,68Công suất tính toán

n

T T

T I

r J

răng stator

7 Độ dẫn nhiệt của vật liệuPolyester kins W/ 0 Cm 0.23-0.26 0,26

8 Mật độ năng lượng nhiệttrong rãnh stator qs W/m2

s

s

P A

c s

l P

l t

10 Tiết diện ngoài mạch từ AFe mm2 Đo trên bản vẽ cad 150120,71

A



Cu1

R

s e

J 2

Fe

st

P J

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆ M THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC CÙNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾ QUẢ3.1 Ứng dụng mô phỏng trong thiết kế động cơ điện BLDC

a) Phần mềm Asys Maxwell

Mục đích xây dựng mô hình trên phần mềm Ansys Maxwell để xác địnhphân bố từ trường và kiểm tra các thông số thiết kế của động cơ với modul Rm-xprtcủa phần mềm

Quá trình mô phỏng trên Maxwell gồm hai bước cơ bản:

 Nhập thông số hình học, vật liệu, yêu cầu và đáp ứng đầu vào trong modulRm-xprt

 Xuất dữ liệu từ modul Rm-xprt sang modul 2D

b) Giá trị tính toán tự động trong Rm-xprt

Bảng 3- 1 Kết quả tính toán tự động trên mô đul Rm-xprt-Ansys Maxwell

Thông số Đơn vị Giá trị mô

phỏng

Sai số giátrị tínhtoán(%)GENERAL DATA

Power

STATOR DATA

Outer Diameter of Stator (Đường kính

Number of Conductors per Slot (số

ROTOR DATA

PERMANENT MAGNET DATA

Recoil Residual Flux Density Tesla 1.23

MATERIAL CONSUMPTION

STEADY STATE PARAMETERS

NO-LOAD MAGNETIC DATA

Rotor-Yoke Ampere Turns A.T 0.235682

Armature Reactive Ampere Turns at

Correction Factor for Magnetic Circuit

Correction Factor for Magnetic Circuit

FULL-LOAD DATA

TRANSIENT FEA INPUT DATA

Equivalent Stator Stacking

Estimated Rotor Moment of Inertia kg m2 4.12008e-005

c) Kết quả mô phỏng trong Rm-xprt và Maxwell 2D.

* Đồ thị được xuất ra từ mô phỏng trong Rm-xprt

Hình 4 1 Hiệu suất động cơ theo tốc độ đầu trục.

Hình 4 2 Công suất đầu ra theo tốc độ đầu trục

Hình 4 3 Đặc tính mô men theo tốc độ đầu trục

Hình 4 4 Mô men đập mạch giữa hai bánh răng stator

Hình 4 5 Mật độ từ thông khe hở không khí

Hình 4 6 Sức phản điện động ở chế độ định mức.

Hình 4 7 Dòng điện khi mang tải

Hình 4 8 Dòng điện khi mang tải

* Đồ thị được xuất ra trong Ansys Maxwell 2D

Hình 4 9 Chia lưới tính toán FEM trong Asys Maxwell 2D

d, Bản vẽ thiết kế động cơ BLDC

Bản vẽ thiết kế động cơ BLDC trên Ansys maxwell 3D.