Đề tài: 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.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
1.1.1 Khái niệm Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một trong những loại động cơ đồng bộ xoay chiều, trong đó từ trường được kích thích bởi nam châm vĩnh cửu tạo ra sức phản điện động hình sin Nó chứa một rôto và stato giống như của một động cơ cảm ứng, nhưng nam châm vĩnh cửu được sử dụng làm rôto để tạo ra từ trường Do đó, không cần phải quấn cuộn dây từ trường ở rôto Nó còn được gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu 3 pha sóng hình sin không chổi than Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất hiệu quả, không chổi than, tốc độ rất nhanh an toàn và cho hiệu suất động lực học cao so với các động cơ thông thường Nó tạo ra mô men mượt mà, tiếng ồn thấp Thay vì sử dụng dây quấn cho rôto, nam châm vĩnh cửu được gắn để tạo ra từ trường quay Vì không có nguồn một chiều nên động cơ rất đơn giản và ít chi phí Nó chứa một stato với
Trong động cơ này, ba cuộn dây được lắp đặt trên stator và một roto có gắn nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường Nguồn điện xoay chiều ba pha được cấp vào stator nhằm bắt đầu hoạt động, khi từ trường do các cuộn dây sinh ra tương tác với nam châm trên roto sẽ tạo ra lực từ làm roto quay.
PMSM được trang bị nam châm bề mặt có khe hở không khí rộng do vật liệu nam châm vĩnh cửu có độ thẩm thấu gần bằng không khí, dẫn đến tự cảm từ hóa thấp và hạn chế khả năng tác động lên trạng thái điện từ của máy bằng dòng điện stato Việc bố trí cuộn dây pha trong stato có thể là tập trung hoặc phân bố, và cuộn dây có thể ở một lớp hoặc nhiều lớp, tùy thuộc vào thiết kế động cơ PMSM.
Hình 1.1: Cấu tạo PMSM 3 pha dây quấn tập trung 2 lớp
Máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là động cơ đồng bộ mà từ trường quay được sinh ra khi cấp 3 xoay sinusoidal vào các cuộn dây stator; tốc độ của từ trường quay là n_t = f/p, với f là tần số biến thiên của dòng điện và p là số đôi cực Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi nên sự tương tác giữa từ trường quay và từ trường không đổi tạo ra mô-men dao động, và giá trị trung bình của mô-men này bằng 0 Để động cơ hoạt động, nam châm vĩnh cửu phải được quay tới tốc độ bằng tốc độ từ trường, khi đó mô-men trung bình của động cơ sẽ khác 0 Việc đưa nam châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường là phương pháp khởi động đồng bộ được nghiên cứu trước đây, nhưng khởi động bằng máy lái ngoài (ngoài) rất đắt tiền và cồng kềnh nên ít được dùng Phương pháp phổ biến nhất là khởi động dị bộ, sau đó mới ghép tải lên động cơ Như vậy, PMSM có nam châm quay đồng bộ với từ trường quay hoặc quay với tốc độ đồng bộ.
1.1.4 Các loại nam châm vĩnh cửu phổ biến
Các nam châm ferrite (nam châm sắt hoặc gốm) và nam châm Neodymium-Iron-Boron (Nd-Fe-B) là những lựa chọn phù hợp nhất cho động cơ không chổi than nhờ có từ tính mạnh và hiệu suất cao Chúng được phân loại là nam châm cứng do có khả năng khử từ cao, giúp duy trì từ tính trong điều kiện làm việc khắc nghiệt Đường đặc tính điển hình của nam châm vĩnh cửu được trình bày trong hình 1.6, cho thấy đặc trưng từ và độ bền từ của vật liệu Trong các nghiên cứu và đồ án TKTBĐ thiết kế động cơ đồng bộ PMSM, các nam châm khác cũng được xem xét để đáp ứng các yêu cầu về từ trường và hiệu suất.
Nam châm Alnico loại 8 có từ dư cao nhưng lực từ động cưỡng bức (MMF) rất thấp và khả năng chống khử từ yếu, nên được gọi là nam châm PM mềm Trong lịch sử lâu dài của vật liệu nam châm vĩnh cửu, sự phát triển của nam châm vĩnh cửu cứng thực sự mới xuất hiện và được hoàn thiện chỉ trong hai thập kỷ gần đây Hai mươi năm trước, các hợp kim có lực kháng từ cao lại có khả năng chống khử từ kém hơn nhiều so với các hợp kim hiện có ngày nay Với chi phí thấp nhất, nam châm Ferrite là lựa chọn phổ biến Loại nam châm Ferrite này đã được cải tiến đều đặn và hiện có mật độ từ dư khoảng 0,38 T cùng đặc tính khử từ gần như phẳng trong suốt góc phần tư thứ hai.
Động cơ không chổi than cần chi phí sản xuất thấp để cạnh tranh trên thị trường, nên lựa chọn nam châm Ferrite như một giải pháp tiết kiệm chi phí Nói cách khác, mục tiêu chính là tối đa hóa từ thông có thể trên mỗi cực đồng thời xem xét chi phí để đạt hiệu quả và giá thành cạnh tranh.
Hình 1.2: Đường đặc tính của nam châm vĩnh cửu.
Phân loại động cơ PMSM
1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPM)
Rôto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rôto Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
Rôto thường là một đĩa nhôm hoặc nhựa có trọng lượng nhẹ và độ bền cao; các nam châm được gắn chìm trong đĩa này để hình thành từ trường cần thiết Loại máy này thường được gọi là máy từ trường hướng trục (axial magnetic field machine) và được ứng dụng phổ biến trong kỹ thuật robot.
Hình 1.3: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi
1.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPM)
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) với rotor nam châm được bố trí nhúng bên trong (cực ẩn) có cấu trúc tương tự rotor cực lồi của các máy điện có rotor cực ẩn Rotor được chế tạo từ thép hợp kim chất lượng cao, rèn thành khối trụ và gia công phay rãnh để lắp đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor, cấu trúc cơ học đạt được sự bền vững cao hơn Kiểu rotor này thường được dùng cho động cơ tốc độ cao; do tốc độ vận hành lớn, rotor có dạng hình tròn và tỷ lệ dài/đường kính lớn nhằm hạn chế lực li tâm Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính và thường được ứng dụng trong các máy công cụ Đồ án TKTBĐ – Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM.
Hình 1.4: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn.
Ưu, nhược điểm của động cơ PMSM
PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) là một máy điện đồng bộ xoay chiều có rotor không có cuộn dây điều tiết và kích từ rotor được cố định bởi nam châm vĩnh cửu Sự khác biệt nổi bật của PMSM là nguồn kích từ rotor không đến từ mạch bên ngoài qua các vành trượt và chổi than mà được cung cấp trực tiếp bởi nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor.
✓ Hoạt động ở hệ số công suất cao hơn so với động cơ cảm ứng (IM) do không có dòng điện từ hóa
✓ Không yêu cầu bảo trì chổi than thường xuyên như máy đồng bộ rôto dây quấn thông thường
✓ Rôto không yêu cầu bất kỳ nguồn cung cấp nào cũng như không phải chịu bất kỳ tổn thất nào
✓ Độ ồn và độ rung thấp hơn so với động cơ từ trở (SRM) và IM
✓ Quán tính của rôto thấp hơn và do đó phản ứng nhanh
✓ Mật độ năng lượng lớn hơn và cấu trúc nhỏ gọn
➢ Nhược điểm: Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
Giá thành cao của nam châm vĩnh cửu và sự nhạy cảm của chúng với nhiệt độ và tải trọng đặt ra thách thức cho các ứng dụng công nghiệp, đòi hỏi thiết kế và vận hành tối ưu để đảm bảo hiệu suất Tuy nhiên, chi phí đang giảm nhờ nguồn cung dồi dào ở một số khu vực trên thế giới, giúp tăng khả năng tiếp cận và giảm tổng chi phí cho người dùng.
Hệ thống truyền động của động cơ PMSM
Các cuộn dây pha của PMSM được nuôi bằng các dạng sóng hình sin dịch chuyển (360°/Nph), trong đó Nph là số pha của stato; đối với máy điện ba pha, ba cuộn dây pha được lệch pha không gian 120° và cấp bởi dòng điện dịch chuyển pha theo thời gian 120° để tạo ra từ trường quay, được gọi là động cơ sóng hình sin Cấu trúc truyền động của động cơ gồm máy, cảm biến vị trí tích hợp (nếu có) hoặc vận hành không cảm biến, bộ chuyển đổi điện tử công suất và bộ điều khiển; hệ thống truyền động PMSM điển hình được mô tả thông qua hình 1.9 Thông thường, phản hồi từ cảm biến cung cấp thông tin vị trí rotor nhằm cấp năng lượng phù hợp cho các nhánh pha hoạt động ở mọi chế độ điều khiển mô-men, vận tốc hoặc vị trí Cảm biến dòng điện cung cấp phản hồi cho bộ điều khiển để tái tạo lại dòng điện ba pha được điều khiển, từ đó cho phép điều khiển mô-men xoắn thông qua điều khiển dòng điện Điều khiển vận tốc, nếu cần thiết, được thực hiện ở vòng ngoài và điều khiển vị trí, nếu cần thiết, được thực hiện ở một vòng ngoài khác.
Hình 1.5: Hệ thống truyền động của động cơ PMSM.
Ứng dụng của động cơ PMSM
Động cơ PMSM được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các động cơ bước dùng cho đồng hồ đeo tay và các bộ truyền động công nghiệp, cho đến máy công cụ và các động cơ công suất lớn dùng để đẩy tàu.
Trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, động cơ PMSM đang cạnh tranh với các động cơ đồng bộ không chổi than khác, đặc biệt là các cấu hình có cuộn cảm, bộ chỉnh lưu quay và các điện trở khác nhau Động cơ PMSM cũng rất phổ biến trong ngành công nghiệp máy tính nhằm giảm tiếng ồn, nâng cao khả năng điều khiển tốc độ và mô-men một cách chính xác, đồng thời mang lại sự linh hoạt cho hình dạng thiết kế.
Ngành công nghiệp ô tô hiện là đối tượng sử dụng máy PM lớn nhất Trong các giải pháp truyền động, PMSM được xem là động cơ điện đẩy tối ưu cho phương tiện giao thông đường bộ và xe hybrid, nhờ hiệu suất cao và mô-men xoắn mạnh Đồng thời, máy phát điện xoay chiều PM được ứng dụng rộng rãi trong ô tô như nguồn điện phụ cho các hệ thống trên xe tải và xe địa hình, giúp cải thiện tính năng và độ tin cậy của xe.
Các loại động cơ servo PM được sử dụng làm bộ truyền động tốc độ thay đổi cho các thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao, hệ số công suất cao và tiếng ồn thấp Các ứng dụng điển hình của chúng gồm phanh điện, trợ lực lái và một số loại van điều khiển Đồ án TKTBĐ: Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM.
Độ gợn mô-men xoắn (torque ripple) ở mức thấp là yêu cầu chính cho các ứng dụng này, vì động cơ phải hoạt động ở tốc độ thấp với độ chính xác cao trong điều khiển tốc độ Để đáp ứng yêu cầu này, thiết kế và tối ưu hệ thống cần giảm thiểu sự gợn của mô-men xoắn, tăng cường ổn định vận hành và cải thiện hiệu suất điều khiển tốc độ ở vòng kín.
Kết luận
Chương 1 trình bày một cách tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), tập trung vào định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại động cơ, ưu nhược điểm, mô tả hệ thống truyền động và tính ứng dụng của PMSM trong đời sống Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được định nghĩa là loại động cơ điện dùng nam châm vĩnh cửu trên rotor để sinh từ trường và tạo mô-men xoắn cho stator, nhờ đó đạt hiệu suất cao và đáp ứng nhanh Cấu tạo PMSM gồm stator cuộn dây và rotor tích hợp nam châm vĩnh cửu, giúp giảm mất mô-men và tăng hiệu suất làm việc Nguyên lý làm việc dựa trên sự tương tác từ trường giữa stator và rotor để sinh mô-men xoắn và điều khiển tốc độ Phân loại PMSM có thể dựa trên cấu hình và ứng dụng, ví dụ như các dòng PMSM cho ô tô điện, robot và hệ thống điều khiển chính xác Ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao, mô-men xoắn lớn và khả năng kiểm soát nhanh, trong khi nhược điểm bao gồm chi phí nam châm và yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp Hệ thống truyền động PMSM được mô tả bằng việc tích hợp với bộ điều khiển, inverter và cảm biến để điều khiển vectơ hoặc điều khiển mô-men, tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định Tính ứng dụng của động cơ này rất rộng trong đời sống và công nghiệp, từ ô tô điện, robot đến các thiết bị gia dụng và hệ thống tự động hóa, mang lại hiệu suất cao, độ tin cậy và tiết kiệm năng lượng.
Nhằm giúp người đọc có cái nhìn khái quát nhất về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và tạo điều kiện cho việc nghiên cứu ở các chương sau, đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM trình bày các khái niệm cơ bản, nguyên lý hoạt động và các đặc tính nổi bật của PMSM Bài viết đồng thời giới thiệu các tham số thiết kế quan trọng, phương pháp phân tích hiệu năng và các thách thức kỹ thuật liên quan, nhằm đặt nền tảng cho quá trình nghiên cứu và thiết kế ở các chương tiếp theo.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Tính toán tham số Stato
2.1.1 Đường kính ngoài (cm) lõi thép stato
- P s là công suất biểu kiến (VA)
- P dm là công suất cơ định mức và là hiệu suất động cơ
- là tỷ số giữa chiều dài lõi thép với bước cực
- A là tải đường của stato (A/cm)
A - B : mật độ từ thông khe hở không khí (T)
B 2.1.2 Đường kính tròn lõi thép stator:
Trong đó: k D là hệ số kết cấu
= = = (2.4) Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
Trong đó: p là số cặp cực
2.1.5 Khe hở không khí (mm)
Với m là số pha, q là số rãnh cho một pha dưới một cực từ
2.1.7 Số vòng dây mỗi pha
Trong đó: k s là hệ số song, k s =1,1 dm e dm k U
Với: - U dm và E dm là điện áp định mức và sức điện động điện mức
- là từ thông khe hở không khí
Với là hế số cung cực từ tính toán =0,6
2.1.8 Số thanh dẫn trong một rãnh
= q p (2.9) a là số mạch nhánh song song Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
I dm là dòng điện định mức
J là mật độ dòng điện, J =6 (A/mm ) 2 n !! là số sợi chập
Tính toán tham số Rotor
B g là mật độ từ thông khe hở không khí
B r là mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu
2.2.3 Thể tích của nam châm
H c là cực kháng từ (A/m) f là tần số dòng điện stato c v là hệ số thể tích nam châm Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
2.2.4 Chiều cao của nam châm
Thống kê kết quả tính toán
Bảng 2.1: Bảng tóm tắt thống kê kết quả tính toán
Tên thông số Giá trị Đơn vị Đường kính ngoài stato 571 mm Đường kính trong stato 314 mm
Khe hở không khí 1,77 mm
Chiều dài mạch từ stato 100 mm
Chiều cao rãnh stato 14,7 mm
Khoảng cách rãnh stato 5 mm Độ rộng miệng của rãnh stato 2,2 mm
Số sợi chập 8 Đường kính dây 0,75 mm Đường kính ngoài rotor 150 mm Đường kính trong rotor 85 mm
Chiều rộng nam châm 60 mm Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
Chiều cao nam châm 5,6 mm Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Mô phỏng LSPMSM sử dụng MATLAB/Simulink
Hình 3.1: Khối tính toán mômen
Hình 3.2:Khối tính toán dòng điện trục d-q Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
Hình 3.3: Khối biến đổi Vabc sang Vdq.
Hình 3.4: Khối tính toán dòng điện Id Ứng dụng Mathlab/Simulink để mô phỏng các đặc tínhlàm việc của
LSPMSM từ mô hình toán của động cơ tại mục trên Tổng hợp một số module được sử dụng trong quá trình mô phỏng như hình trên.
Ứng dụng mô hình toán với LSPMSM
Trong bài báo này, ta vẫn duy trì tính tổng quát khi lựa chọn mô phỏng một động cơ thử nghiệm 2,2 kW, 3 pha, 4 cực Phần rôto sẽ được cải tạo từ động cơ không đồng bộ 2,2 kW-3K112S4 của Công ty Cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (hình 8) Các thông số của LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm (điện cảm stator, điện cảm tản rôto quy đổi, điện cảm đồng bộ từ hóa ngang trục, dọc trục…) được tính toán dựa trên cấu hình stati, rotor, kích thước và vị trí đặt các thanh NCVC Tổng kết lại, các thông số LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm được xác định tại bảng 3.1 Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM.
Hình 3.5: Cấu tạo rôto LSPMSM thử nghiệm
Bảng 3.1: Các thông số của LMPMSM thử nghiệm
Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính trong stato D m 314 mm
Chiều dài khe hở không khí 0,5 mm
Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM cho thấy các tham số điện máy chủ yếu như tần số nguồn 50 Hz, điện trở stato Rr = 3,6 Ω, điện cảm tản stato L_ls = 13 mH, điện cảm tản lồng sóc roto quy đổi L1r = 13,2 mH và điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục Lmd = 28,4 mH.
22 Điện cảm từ hóa đồng bộ ngang trục L mq 131 mHk
Mật độ từ thông dư NCVC B r 1,1 T
Momen quán tính roto động cơ J 0,03 Kg m 3
Momen tải định mức M dm 14 N.m
Hình 3.6: Mô phỏng LSPMSM với MATLAB/Simulink Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
Hình 3.7: Các đặc tính mô phỏng LSPMSM thử nghiệm Đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
Ứng dụng MATLAB/Simulink với các sơ đồ khối được lập trình để mô phỏng LSPMSM 2,2kW thử nghiệm Các tham số của LSPMSM thử nghiệm được xác định ở bảng 3.1 Thông qua kết quả mô phỏng, các đặc tính làm việc của động cơ được đánh giá, cho phép phân tích quá trình biến đổi năng lượng và các thông số vận hành như tốc độ, dòng điện và mô-men Đối với LSPMSM được xem là khó khăn trong khởi động, từ đặc tính tốc độ thu được trên mô phỏng có thể đánh giá khả năng và chất lượng khởi động cũng như thời gian để động cơ đi vào vận hành ổn định Sau khi mô phỏng LSPMSM thử nghiệm, các đặc tính làm việc được thể hiện ở Hình 3.7.
Theo kết quả mô phỏng, động cơ LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm có khả năng khởi động với mô-men tải được đặt ở giá trị định mức Thời gian khởi động của động cơ khoảng 0,6 s và sau đó đi vào trạng thái ổn định Dòng điện cực đại Imax khoảng 40 A, với dòng điện khởi động gấp 10 lần so với dòng điện định mức.
Qua đường đặc tính tốc độ được mô phỏng, LSPMSM cho thấy khởi động gặp nhiều khó khăn khi quá trình tăng tốc xuất hiện nhiều đoạn giảm tốc, lên tới 10 đoạn Theo đồ án TKTBĐ Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM, hiện tượng này cho thấy bài toán ổn định điều khiển và động lực học rotor, từ đó đặt ra yêu cầu tối ưu hóa cấu trúc và chiến lược điều khiển nhằm khởi động mượt mà, ổn định và giảm thiểu tác động đến hiệu suất làm việc của motor.