Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng

Đề tài : Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ . Nôi dung đề tài gồm Nghiên cứu thiết kếvà chếtạo thành công động cơ điện tiết kiệm năng lượng có công suất đến 18,5kW đạt tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7540 - 1: 2005 tương đương với tiêu chuẩn Quốc tếI EC 34-2. 9 Trên cơ sở thành công của đềtài, triển khai thiết kế, chếtạo động cơ tiết kiệm năng lượng bước đầu đáp ứng cho nhu cầu của thịtrường trong nước, góp phần giảm tiêu hao điện năng cho Quốc gia. 9 Tạo thêm sản phẩm mới hướng theo xu thế phát triển của thế giới, nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trong nước tiến tới xuất khẩu. Căn cứ theo hợp đồng: “Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ” Số: 06/2008/HĐKHCN-DN ký ngày 28 tháng 08 năm 2008 giữa bên A là BộKhoa học và Công nghệ, Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia và bên B là Công ty cổ phần chếtạo máy điện Việt nam – Hungari. Theo nội dung của hợp đồng thì bên B sẽ phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:

Bộ khoa học và công nghệ Bộ Công thương

Báo cáo tổng hợp Kết quả khoa học và công nghệ đề tài

“nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ

điện tiết kiệm năng lượng ”

Bộ khoa học và công nghệ Bộ Công thương

Báo cáo tổng hợp Kết quả khoa học và công nghệ đề tài

“nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ

điện tiết kiệm năng lượng ”

(Họ, tên, chữ ký và đóng dấu)

Bộ Khoa học và Công nghệ

(Ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ)

Hà Nội-2010

Mẫu số 09-DN

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SAU NGHIỆM THU

ĐƯỢC NGÂN SÁCH HỖ TRỢ KINH PHÍ THEO NGHỊ ĐỊNH 119/1999/NĐ-CP

Nơi nhận báo cáo: Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo

động cơ điện tiết kiệm năng lượng”

2 Tên doanh nghiệp chủ trì đề tài: Công ty cổ phần chế tạo máy điện

Việt Nam-Hungari

3 Địa chỉ trụ sở chính: Tổ 53, thị trấn Đông Anh thành phố Hà Nội

4 Điện thoại: 04.38823284 Fax: 04.38823291

5 Thời gian thực hiện: Bắt đầu 09/2008 Kết thúc: 02/2010

6 Báo cáo các nội dung nghiên cứu đã thực hiện:

- Nghiên cứu các tiêu chuẩn về động cơ điện hiệu suất cao của châu Âu

(CEMEP), Mỹ, Canada, tiêu chuẩn Quốc tế IEC34-2, tiêu chuẩn Quốc gia

TCVN 7540-1: 2005, catalogue động cơ hiệu suất cao của Siemens

- Thiết kế động cơ điện hiệu suất cao, lập quy trình công nghệ, chế tạo thử

nghiệm sản phẩm mẫu và hiệu chỉnh thiết kế

- Thiết kế tối ưu hiệu suất của động cơ điện dựa trên sự phân bố tổn hao

năng lượng trong động cơ điện không đồng bộ với sự ràng buộc của vật liệu

đầu vào và công nghệ chế tạo

7 Kết quả thực hiện đề tài:

iii, Hội thảo:

- Hội thảo: Nhu cầu thị trường và hướng thiết kế, chế tạo động cơ

hiệu suất cao công suất đến 18,5kW

- Hội thảo: Thiết kế, công nghệ chế tạo động cơ hiệu suất cao công

1 Động cơ hiệu suất cao 4kW-1500 vg/ph Cái 100

2 Động cơ hiệu suất cao 5,5kW-1500vg/ph Cái 50

3 Động cơ hiệu suất cao 11kW-1500vg/ph Cái 30

4 Động cơ hiệu suất cao 18,5kW-1500vg/ph Cái 30

- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã góp phần nâng cao thương hiệu, sức

cạnh tranh của doanh nghiệp trên thị trường, tạo thêm việc làm cho người

lao động

- Triển vọng ứng dụng sản phẩm của đề tài: động cơ điện hiệu suất cao

sẽ dần thay thế các sản phẩm động cơ điện thế hệ cũ có hiệu suất thấp

Vì sử dụng động cơ hiệu suất cao sẽ góp phần giảm chi phí năng lượng

trong sản xuất đem lại hiệu quả kinh tế đáng kể cho người sử dụng

- Với sự huy động tối đa đội ngũ kỹ sư và công nhân lành nghề, công ty

đã hoàn thành tốt các mục tiêu đề ra của đề tài, sản phẩm chế tạo ra đạt

tiêu chuẩn về chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng của Việt Nam: TCVN

7540-1:2005 và tiêu chuẩn về đo lường hiệu suất Quốc tế IEC 34-2

+Nguồn vốn của Doanh nghiệp: 6.307.976.837 đồng

- Tuy đề tài thực hiện trong lúc đang xảy ra khủng hoảng kinh tế, việc

huy động vốn gặp nhiều khó khăn nhưng Công ty cổ phần chế tạo máy

điện Việt Nam-Hungari đã huy động tốt các nguồn lực sẵn có trong việc

triển khai đề tài, đảm bảo chi đúng mục đích và có hiệu quả đối với kinh

phí đầu tư

- Tổng hợp báo cáo quyết toán kinh phí:

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

PHẦN I: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT CAO 5

I.Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

II.Tình hình nghiên cứu trong nước 6

III.Luận giải về việc đặt ra mục tiêu của đề tài 8

PHẦN II: SỰ CẦN THIẾT CỦA VIỆC NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN 10

I.Tình hình tiêu thụ điện năng ở châu Âu 10

II.Tình hình tiêu thụ điện năng ở Mỹ 10

III.Về lợi ích kinh tế từ việc giảm tiêu hao điện năng 11

PHẦN III: PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12

1,Đặt vấn đề 12

2,Phân bố tổn hao trong động cơ không đồng bộ 12

PHẦN IV: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ 13

1,Yếu tố vật liệu 13

2,Yếu tố thiết kế 14

3,Yếu tố công nghệ 16

4,Các giải pháp nâng hiệu suất 16

PHẦN V: THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT CAO 18

I.CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN 18 II.TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH LÕI THÉP ĐỘNG CƠ 18 III.TÍNH TOÁN RĂNG RÃNH, DÂY QUẤN STATO 21 IV.THIẾT KẾ TỐI ƯU HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN 26 V.MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 36 PHẦN VI: HIỆU QUẢ KINH TẾ ĐẠT ĐƯỢC TỪ VIỆC NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN 47

1, Xét chi phí vật liệu 47

2, Hiệu quả kinh tế từ việc ứng dụng sản phẩm của đề tài 47

PHẦN VII: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 50

A.CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PHẦN ĐIỆN TỪ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 50

B.CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT CƠ KHÍ VÀ LẮP RÁP 53

I.CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT VÀ CỤM CHI TIẾT 53 II.CÔNG NGHỆ LẮP RÁP 56 PHẦN VIII: THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ ĐIỆN HIỆU SUẤT CAO 57

I.CÁC HẠNG MỤC THỬ NGHIỆM 57

II.KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 59

PHẦN IX: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

I.Kết luận 60

II.Kiến nghị: 60

LỜI CẢM ƠN 61

PHỤ LỤCI: BẢN VẼ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN HIỆU SUẤT CAO 62

PHỤ LỤCII: GIẤY CHỨNG NHẬN SẢN PHẨM TIẾT KIỆM 63

NĂNG LƯỢNG 63

PHỤ LỤCIII: PHẢN HỒI CỦA KHÁCH HÀNG 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

MỞ ĐẦU

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng” được Bộ Khoa học và Công nghệ, Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia(Nafosted) phê duyệt giao nhiệm vụ thực hiện theo quyết định số 345/QĐ-BKHCN ngày 10 tháng 03 năm 2008 là sự hỗ trợ kịp thời đối với Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt nam – Hungari, tạo điều kiện để Công ty nâng cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm khi nước ta đã gia nhập đầy đủ vào tổ chức Thương mại thế giới (WTO) Các thông tin liên quan đến đề tài như sau:

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng”

2 Thời gian thực hiện: từ tháng 09 năm 2008 đến tháng 02 năm 2010

3 Tên doanh nghiệp chủ trì đề tài: Công ty cổ phần chế tạo máy điện

Việt Nam – Hungari(VIHEM)

Địa chỉ trụ sở chính: Tổ 53, Thị trấn Đông Anh, Thành phố Hà Nội

Điện thoại: 043.8823284

Fax: 043.8823291

4 Số đăng kí kinh doanh: 0103015539 ngày cấp: ngày 22 tháng 01 năm 2007

Nội dung kinh doanh: Thiết kế chế tạo động cơ điện các loại

Cơ quan cấp đăng kí kinh doanh: Phòng kinh doanh – Sở Kế hoạch và Đầu tư thành phố Hà Nội

Địa chỉ: Số 18 Yên Phụ, Hà Nội

Điện thoại: 043.7151080

5 Cơ quan chủ quản doanh nghiệp(nếu có): Bộ Công Thương Địa chỉ: 54 Hai Bà Trưng, Thành phố Hà Nội

Điện thoại: 043 8258311 Fax: 043.39349500

6 Họ tên chủ nhiệm đề tài: Ông Trần Quang Tâm

Chức danh khoa học: Kỹ sư

Cơ quan công tác: Công ty cổ phần chế tạo máy điện

Việt Nam – Hungari

Điện thoại: 043.9685098

Fax: 043.8823291

7 Hình thức nghiên cứu:

- Tự nghiên cứu:

- Phối hợp nghiên cứu:

- Đặt hàng cho cơ quan khác nghiên cứu:

8 Cơ quan phối hợp nghiên cứu: Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp (CFMI)Trường ĐHBK Hà nội

Địa chỉ: Nhà A phố Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà nội

Điện thoại: 04.38683707 Fax: 043.5684160

9 Mục tiêu của đề tài

9 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công động cơ điện tiết kiệm năng lượng có

công suất đến 18,5kW đạt tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7540 - 1: 2005 tương

đương với tiêu chuẩn Quốc tế IEC 34-2

9 Trên cơ sở thành công của đề tài, triển khai thiết kế, chế tạo động cơ tiết kiệm

năng lượng bước đầu đáp ứng cho nhu cầu của thị trường trong nước, góp phần

giảm tiêu hao điện năng cho Quốc gia

9 Tạo thêm sản phẩm mới hướng theo xu thế phát triển của thế giới, nâng cao khả

năng cạnh tranh của sản phẩm trong nước tiến tới xuất khẩu

Căn cứ theo hợp đồng: “Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ”

Số: 06/2008/HĐKHCN-DN ký ngày 28 tháng 08 năm 2008 giữa bên A là Bộ Khoa học

và Công nghệ, Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia và bên B là Công ty cổ

phần chế tạo máy điện Việt nam – Hungari Theo nội dung của hợp đồng thì bên B sẽ

phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:

Dự kiến

số lượng/

quy mô sản phẩm tạo ra

CEMEP 30

Tài liệu: Hoàn thành đầy đủ các thiết kế: tính toán thiết kế điện từ, các bản vẽ thiết kế

kết cấu, các chỉ dẫn công nghệ gia công chi tiết, chỉ dẫn công nghệ điện, kết quả thử nghiệm, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7540-1:2005, báo cáo định kỳ, báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài

Trong bản báo cáo tổng kết này sẽ lần lượt trình bày chi tiết các nội dung đã thực hiện trong đề tài Nhóm thực hiện đề tài rất mong được sự quan tâm và sự góp ý xây dựng của các chuyên viên thuộc Bộ Khoa Học Công Nghệ, Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ, Bộ Công Thương, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp sau khi đọc bản tổng kết này

PHẦN I: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT CAO

I Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Sự phát triển công nghiệp trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ, do vậy nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng cao, việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm là xu thế mà các nước công nghiệp phát triển hướng tới Các nước có nền công nghiệp phát triển như: Mỹ Đức, Ý, Nhật Bản từ lâu họ đã đặt vấn đề về năng lượng lên hàng đầu và gần đây ở Úc, Canađa, Ấn Độ cũng đã triển khai đề án về tiết kiệm năng lượng Trước thực tại đó, ngày nay các công ty chế tạo máy điện trên thế giới đều có xu hướng chung là giảm nhỏ thể tích và nâng cao hiệu suất của thiết bị Đối với lĩnh vực chế tạo máy điện, sự phát triển của máy điện luôn luôn gắn liền với

sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp.Tốc độ phát triển của nền sản xuất công nghiệp của một nước đòi hỏi một tốc độ phát triển tương ứng của ngành công nghiệp điện lực và thường được dự báo từ trước

Sự phát triển của khoa học công nghệ, kỹ thuật mới và vật liệu mới không ngừng được phát triển, đã tạo điều kiện cho ngành chế tạo máy điện không ngừng đổi mới, đặc biệt ngày nay nhờ có sự trợ giúp đắc lực của máy tính trong khâu tính toán thiết

kế (các phần mềm thiết kế, mô phỏng,…) và gia công chi tiết (các máy gia công NC, CNC,…) các loại máy điện nói chung và động cơ điện nói riêng ngày càng phong phú

về chủng loại (Động cơ điện một chiều công suất lớn, động cơ bước, động cơ thông minh, động cơ phanh từ, v.v…), dải công suất ngày càng được mở rộng (động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc đã sản xuất được đến 200 kW) và tính năng kỹ thuật được thiết kế tối ưu Do nguồn năng lượng sơ cấp ngày càng “cạn” dần, từ khi ngành nghiên cứu vật liệu phát triển mạnh, hàng loạt vật liệu điện từ mới được sử dụng để chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng (Energy-saving motor hay còn gọi là động

cơ hiệu suất cao High- efficiency Motor), các hãng sản xuất thiết bị điện ở châu Âu như: Siemens, Lenz, ABB, General Electric,… thiết kế và chế tạo đến công suất 200

kW, động cơ hiệu suất cao được sử rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp đặc biệt là những ngành công nghiệp nặng: sản xuất ximăng, cán thép, khai thác mỏ vì những ngành này tiêu thụ điện năng rất lớn

Hiện nay, các nước tiên tiến trên thế giới đang đi sâu vào nghiên cứu các vật liệu mới: vật liệu từ có suất tổn hao thấp, vật liệu điện siêu dẫn, vật liệu cách điện mới (cách điện cấp F, cấp H, dây băng đai phi từ tính, v.v…) do đó tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc phát triển động cơ điện tiết kiệm năng lượng ở dải công suất lớn

Về tiêu chuẩn áp dụng: nhìn chung trên thế giới mỗi khu vực, lãnh thổ đều có những tiêu chuẩn ràng buộc riêng Đối với việc đánh giá mức tiêu thụ năng lượng động cơ điện ở châu Âu áp dụng tiêu chuẩn CEMEP, IEC34-2, Mỹ lấy tiêu chuẩn

IEEE 112, Canađa lấy tiêu chuẩn CSA, ở Nhật Bản lấy tiêu chuẩn JIS, ở Nga lấy GOST, Trung Quốc có tiêu chuẩn CNS, v.v, những tiêu chuẩn này được một số nước như Canada, Mỹ và châu Âu dùng làm rào cản thương mại, động cơ điện của các nước muốn lưu thông trên thị trường của họ thì bắt buộc phải đáp ứng được tiêu chuẩn

kỹ thuật của họ Nhưng trong giai đoạn hiện nay, khi xu thế hội nhập Quốc tế ngày càng phát triển, các nước chọn tiêu chuẩn của tổ chức Quốc tế về tiêu chuẩn hoá trong lĩnh vực kỹ thuật điện, điện tử - các tiêu chuẩn IEC để sử dụng trong chế tạo, thử nghiệm, giao dịch, thương mại, đặt hàng, trong đó đối với máy điện quay có tiêu chuẩn IEC34-2 đưa ra phương pháp thử nghiệm đối với động cơ tiết kiệm năng lượng, theo CEMEP phân hiệu suất năng lượng của động cơ điện thành 3 dải: EFF1 cho động

cơ tiết kiệm năng lượng(Energy-saving and/or High efficiency) có mức hiệu suất cao nhất, tiếp theo là mức “hiệu suất cải tiến”(Improve Efficiency) EFF2, mức EFF3 là loại mức hiệu suất thông thường là mức hiệu suất thấp nhất

Nói tóm lại, vấn đề tiết kiệm năng lượng đã trở thành vấn đề cấp thiết toàn cầu, các nước tiên tiến đã sớm thực hiện trước và việc thiết kế, chế tạo động cơ điện tiết kiệm

năng lượng cũng là một trong những vấn đề cấp thiết đó

II Tình hình nghiên cứu trong nước

Thực hiện đường lối đổi mới, mở cửa của Đảng và Nhà nước, nền kinh tế Việt Nam đã và đang phát triển mạnh mẽ, sản xuất công nghiệp ngày một lớn mạnh, do đó nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng Theo thông tin của tổng công ty Điện lực Việt Nam(EVN), mùa khô năm 2007 Việt nam bị thiếu khoảng 1.600MW điện so với

dự kiến, ước tính năm 2008 thiếu hụt 8,6 tỷ kWh và đỉnh điểm năm 2009 thiếu hụt 10,3 tỷ kWh Năm 2007, EVN đã phải cắt điện luôn phiên trên diện rộng và cắt điện như vậy ước tính gây thiệt hại cho sản xuất khoảng 0,5 USD/1kWh, cũng theo dự báo của EVN tốc độ tăng trưởng mỗi năm của phụ tải cả nước có thể vượt ngưỡng 20%

Để giảm tiêu thụ điện năng cho chiếu sáng, Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã kết hợp với Công ty cổ phần bóng đèn phích nước Rạng Đông, Công ty cổ phần Điện Quang thực hiện đề tài sản xuất bóng đèn tiết kiệm điện compact thay thế cho bóng đèn sợi đốt thông thường Như vậy, có thể coi đây là một “ đề tài mở đầu ” về tiết kiệm năng lượng

Trong lĩnh sản xuất máy điện quay, năm 2005 Công ty TNHH nhà nước một thành viên chế tạo điện cơ Hà Nội(CTAMAD) đã thực hiện đề tài cấp bộ “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ điện hiệu suất cao 3kW tốc độ 1500 vg/ph” kết quả đạt được của đề tài này nhìn chung mới chỉ dừng lại ở mức độ thử nghiệm ở công suất nhỏ (mới chỉ chế tạo được động cơ 3kW với số lượng nhỏ) nên khả năng ứng dụng vào thực tiễn còn hạn chế, các động cơ tiêu thụ trên thị trường trong nước chủ yếu là các

động cơ điện với mức hiệu suất thấp nhất theo phân loại của tiêu chuân CEMEP nên gây lãng phí lớn về điện năng

Bởi vậy, có thể nói đề tài “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ tiết kiệm năng lượng” có dải công suất đến 18,5kW do Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đề xuất hoàn toàn có cơ sở cả về khoa học và thực tiễn và đã được nhận sự quan tâm hỗ trợ kịp thời của Nhà nước cụ thể là Bộ Công Thương, Bộ Khoa Học và Công Nghệ, Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia(Nafoted) thì đề tài

“Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ tiết kiệm năng lượng” sẽ góp phần vào việc giảm tiêu thụ điện năng cho các ngành sản xuất vì dải công suất động cơ điện đến 18,5kW có số lượng tiêu thụ chiếm tới 60% tổng số lượng động cơ điện tiêu thụ

và sử dụng trong các ngành sản xuất

Trong những năm gần đây, Công ty VIHEM đã chủ động đầu tư trình độ chuyên môn và thiết bị công nghệ mới phục vụ cho chế tạo động cơ điện (trung tâm gia công CNC, trung tâm gia công đứng CNC,các máy gia công tự động,v.v,…) Với đội ngũ

kỹ sư được đào tạo chính quy, năng động sáng tạo và đội ngũ công nhân có trình độ tay nghề cao cùng với sự phát triển của ngành vật liệu điện trong nước và thế giới, sự giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời của Trung tâm đo lường tiêu chuẩn Quốc gia, Ban chỉ đạo chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, Công ty

cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đã thực hiện thành công đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng”, sản phẩm

của đề tài đạt tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7540-1:2005 và đã được Trung tâm đo lường tiêu chuẩn Quốc gia cấp chứng nhận, Bộ Công Thương quyết định cho dán nhãn động cơ tiết kiệm điện cho 4 loại động cơ: 4kW; 5,5kW; 11kW; 18,5kW tốc độ

1500 r/min

Trong quá trình khảo sát thị trường cơ điện cho thấy nhu cầu của thị trường về

động cơ điện tiết kiệm năng lượng là rất lớn Có thể nêu ví dụ ở đây, những đơn vị

đang có nhu cầu động cơ điện tiết kiệm năng lượng:

1 Công ty TNHH cơ khí Duyên Hải;

2 Công ty xi măng Hướng dương – Ninh Bình;

3 Công ty thép Tam điệp- Ninh Bình;

4 Công TNHH Đông Hà;

5 Công ty Cơ khí Hải phòng;

6 Công ty thép cổ phần chế tạo máy SINCO;

7 Công tyTNHH kỹ thuật công nghiệp Long Vân;

8 Công ty TNHH thương mại sản xuất Châu Phú v.v,

Việc triển khai chế tạo sớm các sản phẩm mà “trong nước có thể thực hiện được” là rất cần thiết nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành cơ khí chế tạo Việt Nam và chiếm lĩnh thị trường nội địa Công ty VIHEM thực hiện thành công đề

tài: “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng”, sẽ góp phần vào:

- Phát triển công nghiệp trong nước,

- Góp phần bảo vệ môi trường do tiết kiệm điện năng tiêu thụ,

- Giảm chi phí sản xuất cho các ngành sản xuất do chi phí điện năng giảm

- Tiết kiệm ngoại tệ nhập khẩu cho Đất nước,

- Thúc đẩy phát triển Khoa học và Công nghệ trong nước,

- Tạo việc làm cho lực lượng lao động trong nước

III Luận giải về việc đặt ra mục tiêu của đề tài

Ngày 18 tháng 5 năm 2006, Bộ trưởng Bộ Công nghiệp Hoàng Trung Hải đã

ký Quyết định 1294/QĐ-BCN thành lập về việc thành lập Ban chỉ đạo chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, chương trình đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 79/2006/QĐ-TTg 14 tháng 4 năm

2006, chương trình đưa ra mục tiêu hổ trợ kỹ thuật cho các nhà chế tạo trong nước hiện đại hoá công nghệ, nâng cao trong việc nâng cao tính năng của các thiết bị sử dụng năng lượng được sản xuất, bán ra thị trường đảm bảo tiêu chuẩn hiệu suất năng lượng Mục tiêu cuối cùng là đến năm 2010 dán nhãn bắt buộc đối với các sản phẩm quạt điện, động cơ điện, điều hoà nhiệt độ, tủ lạnh; trong giai đoạn 2010-2015 đưa vào kiểm soát và dán nhãn tiết kiệm năng lượng bắt buộc đối với toàn bộ các sản phẩm sử dụng năng lượng chủ yếu Theo thống kê số liệu bán hàng của phòng kinh doanh Công

ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari, động cơ điện ở dãy công suât: 4kW; 5,5kW; 11kW; 18,5kW tốc độ 1500 vg/ph có số lượng tiêu thụ lớn nhất Vậy, để tuân thủ theo chủ chương Chính Phủ với mục tiêu của Chương trình mục tiêu quốc gia về

sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đã chủ động khảo sát và phân tích các sản phẩm mẫu của các nước tiên tiến để tiến hành nghiên cứu lựa chọn vật liệu điện từ có suất tổn hao thấp đưa vào thiết kế và chế tạo loạt nhỏ với các cấp công suất 4kW; 5,5kW; 11kW; 18,5kW Sau khi chế thử xong sản phẩm mẫu thì tiến hành thử nghiệm Bước đầu xác định một số tính năng cơ bản của sản phẩm Từ đó hiệu chỉnh lại thiết kế, tiếp tục chế tạo thử và thí nghiệm nhằm kiểm định và ổn định các thông số của sản phẩm Khi đặc tính của sản phẩm đạt yêu cầu thiết kế thì sẽ tiến hành sản xuất thử nghiệm với số lượng đủ lớn nhằm xác định tính ổn định về công nghệ chế tạo và đưa ra thị trường góp phần kịp

thời vào việc giảm tiêu hao điện năng cho Quốc gia, sau khi kết thúc đề tài Công ty sẽ

mở rộng cho các dãy công suất khác theo nhu cầu thị trường

Trên cơ sở công nghệ và thiết bị sẵn có, để sản xuất và kiểm định chất lượng động

cơ điện tiết kiệm năng lượng, Công ty đã trang bị thêm một số thiết bị mới về công nghệ chế tạo và thiết bị thử nghiệm tổn hao sắt từ, thiết bị thử cao áp

* Liệt kê danh mục các công trình có liên quan:

- Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ điện phòng nổ công suất đến 18,5kW;

- Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ điện phanh từ;

- Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ điện VS;

- Dự án: Hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện phòng nổ có cấp công suất đến 45 kW;

- Các tài liệu chính sử dụng cho tính toán thiết kế, lập quy trình công nghệ chế tạo và thử nghiệm gồm:

+Tiêu chuẩn quy định mức hiệu suất động cơ điện: CEMEP của châu Âu

+Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7540 - 1: 2005

+ Máy Điện - A.V.IVANOV SMOLENSKI (Vũ Gia Hanh - Phan Tử Thụ - biên dịch)

+ Máy Điện- Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ

+ Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm SPEED

+ Thiết kế máy điện – Cergeyep, Moscova;

+ Sổ tay thiết kế máy điện – Jan Hak - Praha;

+ Thiết kế máy điện – Jan Ciganek – Praha

+ Kết cấu máy điện – E Widemann – Berlin 1967

+ Công nghệ chế tạo máy điện – Jan Dubsky – Praha 1965

+ Sổ tay kỹ thuật điện – Tập I – Moscova 1988

+ Sổ tay vật liệu kỹ thuật điện – Tập I, II – B.A Popop – Energie 1974

+ Cách điện máy điện – Blabob – Moscova 1967

+ Các sổ tay cơ khí chế tạo

+ Tiêu chuẩn IEC-34 – 1994 (gồm 14 tập từ IEC-34-1 đến IEC-34-14)

PHẦN II: SỰ CẦN THIẾT CỦA VIỆC NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN

I Tình hình tiêu thụ điện năng ở châu Âu

Theo R Hanitsch thuộc đại học Công nghệ Berlin Đức (University of Technology Berlin Germany)[5], tại Liên minh châu Âu (EU), lượng điện năng cung cấp cho EU

sử dụng 35% tổng nhiên liệu sơ cấp và thải ra môi trường khoảng 30% tổng lượng

CO2 thải ra, điện năng tiêu thụ của khối EU là 2000 TWh/năm và dự báo mỗi năm tăng khoảng 2%.[5] Phân bố tiêu thụ điện năng tại EU:

+ Động cơ điện chiếm 69% tổng điện năng tiêu thụ

+ Đèn chiếu sáng chiếm 6% tổng điện năng tiêu thụ

+ Các phụ tải khác chiếm 25% tổng điện năng tiêu thụ

Động cơ điện không đồng bộ 3pha chiếm tới 90% công suất tiêu thụ điện giành cho động cơ điện nói chung tại EU với dải công suất từ 0,75kW đến 750kW Theo dự báo các động cơ điện 3pha không đồng bộ ở liên minh châu Âu năm 2010 sẽ tiêu thụ 645 TWh với sự phân bố như sau :

II Tình hình tiêu thụ điện năng ở Mỹ

Công suất hệ thống lưới điện của Mỹ vào khoảng 700GW, trong đó động cơ 1pha và 3pha chiếm tới 60% công suất sử dụng Tổn hao công suất trên động cơ điện ở Mỹ gần

45 tỷ kWh với giá trị kinh tế thất thoát gần 3tỷ đô la Theo cách tính trên website

http://www.energyfederation.org/directenergy/default.php thì cứ tiêu thụ 1kWh thải ra môi trường 1,34 lbs khí CO2, như vậy chỉ tính riêng tổn hao công suất điện của động cơ điện ở Mỹ đã làm tăng khí thải CO2 ra môi trường một lượng

là : 1,34 x 45 x 106 = 60,3 x 106 (lbs)

Dải công suất

kW Điện năng tiêu thụ TWh

Giá nhiên liệu, năng lượng thời gian gần đây liên tục biến động và đầy bất ổn, các quốc gia đang nỗ lực cắt giảm chi phí năng lượng, giảm bớt gánh nặng lên nền kinh tế

Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất động cơ điện sẽ góp phần:

+Tiết kiệm chi phí cho năng lượng điện

+Tiết kiệm chi phí bảo dưỡng hệ thống điện

+Tiết kiệm chi phí cải thiện môi trường

III Về lợi ích kinh tế từ việc giảm tiêu hao điện năng

Xét ở Việt Nam, giả sử mỗi động cơ hiệu suất cao được sử dụng giảm được 1% điện năng tiêu thụ so với động cơ thường thì với sản lượng điện thương phẩm cả nước 9 tháng đầu năm 2009, ước thực hiện 55,008 tỷ kWh, trong đó điện cấp cho sản xuất chiếm tỷ trọng 49,2% trong đó chủ yếu là động cơ không đồng bộ, sản lượng điện tiêu thụ trung bình ngày trên toàn quốc là 251,2 triệu kWh(Nguồn :

www.atpvietnam.com.vn) Tính sơ bộ 1kWh điện là 1500 đồng thì số tiền tiết kiệm được khi sử dụng động cơ hiệu suất cao tiết kiệm được trong thời gian 1 ngày sẽ là :

A = 0,492x251,2x106x1500x1% = 1,854 tỷ đồng/ngày

PHẦN III: PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1, Đặt vấn đề

Động cơ điện xoay chiều 3pha tiêu thụ khoảng 90% điện năng tiêu thụ dành cho động

cơ điện với dải công suất từ 0,75kW đến 750kW [5]

2, Phân bố tổn hao trong động cơ không đồng bộ

Theo thống kê của R Hanitsch phân bố tổn hao trên động cơ không đồng bộ có thể biểu thị bằng biểu đồ sau

Từ biểu đồ phân bố tổn hao trên cho thấy tổn hao đồng ở Stator (chiếm 35% tổng tổn hao), tổn hao thép chiếm 23%, tổn hao đồng Rotor chiếm 20% và tổn hao sắt chiếm 23%(chủ yếu trên Stator) Như vậy, tổn hao tập trung chủ yếu trên Stator nên trong thiết kế động cơ theo hướng tối ưu hóa hiệu suất năng lượng ta cần có giải pháp

ưu tiên giảm các thành phần tổn hao chủ yếu này mới đạt được hiệu suất động cơ như mục tiêu đề ra

PHẦN IV: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ

1, Yếu tố vật liệu

Vật liệu chế tạo chính của động cơ điện bao gồm dây điện từ, nhôm đúc và tôn silíc giữ vai trò quan trọng trong việc chế tạo máy điện, nó không những quyết định đặc tính tải của động cơ mà còn là yếu tố quyết định tới hiệu suất và hệ số công suất của máy Để thấy rõ ảnh hưởng của từng loại vật liệu tới hiệu suất của động cơ không đồng bộ, ta xét giản đồ năng lượng của động cơ không đồng bộ:

Trên giản đồ năng lượng cho ta thấy tổn hao năng lượng trên động cơ điện không đồng bộ gồm có 4 loại chính là :

- Tổn hao năng lượng trên dây dẫn stato hay còn gọi là tổn hao đồng ở stato Pcu1 = 3I12.r1

- Tổn hao năng lượng trên dây dẫn rôto hay còn gọi là tổn hao đồng ở rôto

Pcu2= 3I’22.r’2

- Tổn hao từ trễ và tổn hao dòng xoáy trong lõi thép hay còn gọi là tổn hao sắt PFe

- Tổn hao quạt gió và tổn hao ma sát hay còn gọi là tổn hao cơ Pcơ

Từ giản đồ năng lượng ở trên cho chúng ta thấy rõ sự liên hệ giữa vật liệu chính chế tạo động cơ điện như dây đồng, thanh dẫn rôto, tôn silíc Dây đồng có điện trở suất càng nhỏ thì tổn hao đồng PCu1 càng nhỏ, dây đồng dùng chế tạo dây quấn động cơ điện thường sử dụng đồng gần nguyên chất M1(có điện trở suất ρCu = 17,9 x 10-3

Ωmm2/m ở 200 C) để giảm tổn hao đồng Thanh dẫn rô to của động cơ thường được chế tạo bằng thanh dẫn đồng M1(ở những động cơ từ vài trăm kW trở lên), ở những động cơ nhỏ từ 132kW trở lại, do yếu tố công nghệ, thanh dẫn trên rô to được đúc bằng nhôm A5 đến A7(99,7%AL(có điện trở suất ρAL = 29 x 10-3 Ωmm2/m ở 200 C) Như vậy, về mặt lý thuyết muốn giảm tổn hao đồng trên rô to, ta có thể sử dụng thanh dẫn đồng trên rô to vì đồng có điện trở suất nhỏ hơn nhôm 1,6 lần, nhưng ở những động cơ công suất nhỏ, do rãnh nhỏ nên trong gia công chế tạo tốn nhiều công hơn so với việc đúc thanh dẫn nhôm nên người ta vẫn chế tạo rô to đúc nhôm thay vì rô to thanh dẫn đồng Vậy để đảm bảo giảm tổn hao đồng trên rô to thì tiết diện thanh dẫn đúc bằng nhôm phải tính toán lớn hơn tiết diện tính toán thanh dẫn làm bằng đồng Vật liệu từ: với sự cải tiến không ngừng của công nghệ vật liệu, vật liệu từ cũng liên tục được cải tiến nâng cấp về phẩm chất kỹ thuật Trước kia, các nhà chế tạo máy điện quay trong nước thường sử dụng các loại tôn silíc do Nga chế tạo như tôn: ∋21; 2011; 2012,2312, 2412 , trong thiết kế, chế tạo, nhưng với xu thế hội nhập kinh tế thế giới hiện nay, các loại tôn silíc do các hãng sản xuất tiên tiến chế tạo có tổn hao thấp, từ thẩm cao ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nước như tôn : 2211, 2212, 5350H,8050H, M250-50A, M270-50A, M290-50A, M310-50A, M350-50A, M470-50A, M530-50A, M600-50A, M800-50A v.v, ….với mục đích giảm tổn hao thép do dòng xoáy các lá tôn được cán mỏng đến 0,35; 0,5mm để giảm tổn hao do dòng xoáy người

ta còn tìm cách nâng cao điện trở suất của lá tôn(cỡ 50µΩcm)

2, Yếu tố thiết kế

Như đã xét ở trên, tổn hao trên động cơ không đồng bộ chủ yếu là tổn hao đồng trên Stator và Rotor, tổn hao thép trên Stato Mỗi loại tổn hao đều phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, sự biến tính của vật liệu và việc lựa chọn chúng Vì vậy, tổn hao trên động cơ còn phụ thuộc vào việc tính toán, lựa chọn các thông số đầu vào thiết kế và công nghệ chế tạo.Các thông số đầu vào thiết kế bao gồm:

+Các kích thước cơ bản: đường kính ngoài Stator Dn, đường kính trong stator D, chiều dài lõi thép lFe, tải cảm A(A/cm), tải cảm Bδ

+Thông số dây quấn Stator : ur, Ws, Sr1, Klđ, dcu1/dcd1, J1 +Số răng rãnh, kích thước răng rãnh stator rotor : Z1/Z2 , hr1 , bz1 , d1s , d2s , hr2 , bz2 ,

+Chọn tải đường và tải cảm: tải đường A(A/cm) và tải cảm Bδ là hai tham số chính quyết định đến thể tích và tính năng của động cơ, do vậy việc chọn các tham số này rất quan trọng: nếu chọn A lớn thì tổn hao đồng tăng, chọn Bδ lớn thì mật độ từ cảm trong lõi thép tăng làm tăng tổn hao thép.Với thép kỹ thuật điện có từ thẩm cao, tổn hao thép

ít ta có thể chọn Bδ lớn và A nhỏ để giảm tổn hao đồng (chiếm tới 35% công suất tổn hao) nhằm tăng hiệu suất động cơ điện Tuy nhiên, khi tỷ lệ Bδ/A tăng nghĩa là Bδtăng, A giảm sẽ làm tăng dòng điện từ hóa Iµ(%) tăng làm giảm cosϕ Do vậy, ta phải căn cứ vào yêu cầu đầu vào như η, cosϕ để lựa chọn và tính toán lại cho đến khi có kết quả hợp lý nhất

+Chọn khe hở không khí: khi khe hở không khí lớn làm tỷ lệ δ/τ tăng, kết quả là

Iµ/Iđm tăng, kết quả là cosϕ giảm Để đảm bảo cosϕ nằm trong giới hạn cho phép, vì vậy trong tính toán động cơ hiệu suất cao người ta cố gắng giảm nhỏ khe hở không khí xuống trong giới hạn công nghệ cho phép

+Chọn mật độ dòng điện : mật độ dòng điện dây quấn stator, rotor quyết định một phần tổn hao đồng ở stator, rotor, chọn mật độ dòng điện nhỏ làm giảm điện trở stator, rotor làm giảm tổn hao đồng, góp phần tăng hiệu suất động cơ

+Chọn hệ số lấp đầy rãnh: hệ số lấp đầy càng lớn thì tiết diện đồng trong rãnh càng lớn, dẫn đến mật độ dòng điện giảm, tổn hao đồng giảm, hiệu suất tăng Nhưng hệ số lấp đầy nếu lớn quá sẽ khó khăn cho khâu lồng dây Do vậy, tùy thuộc vào điều kiện thực tế đối với từng loại công suất, tốc độ cụ thể trải qua thực nghiệm ta chọn hệ số

lấp đầy cho hợp lý đảm bảo hiệu quả sản xuất Ngoài ra, sau khi chọn hệ số lấp đầy ta còn phải kiểm tra lại mật độ từ cảm ở răng stato (BZ1); gông stato (Bg1) theo mật độ từ cảm khe hở không khí đã chọn, các trị số này phải nằm trong phạm vi cho phép

3, Yếu tố công nghệ

Yếu tố công nghệ định hình một phần sự lựa chọn trong thiết kế, công nghệ quyết định phẩm chất sản phẩm và sự đồng đều trong chế tạo, công nghệ chế tạo tốt đem lại năng suất cao, sự ổn định về chất lượng sản phẩm và góp phần giảm tiêu hao nguyên vật liệu chế tạo Trong sản xuất động cơ điện, công nghệ điện quyết định nhất định đến tính năng của máy như : trong quấn dây nếu quấn trên máy quấn có cơ cấu đếm vòng sẽ tránh được sai số vòng dây, máy quấn tự động có tốc độ quấn dây đều sẽ giảm được hiện tượng xước dây, đứt dây ảnh hưởng tới tuổi thọ bin dây Khuôn dây chuẩn góp phần hạn chế phần đầu nối làm giảm tiêu hao dây đồng và giảm điện trở dây quấn dẫn đến giảm tổn hao đồng

Công nghệ dập và ép lá tôn: nếu sử dụng máy dập tiên tiến sẽ tạo ra lõi thép ít bị biến tính phần mép cắt, không ba via, góp phần giảm tổn hao thép do ít bị biến tính, nâng cao độ ép chặt, lõi thép không ba via làm nguy cơ rách lót cách điện rãnh được giảm thiểu

Công nghệ đúc thanh dẫn rotor tốt sẽ loại bớt hiện tượng co ngót, rỗ khí và xốp trong thanh dẫn rotor đảm bảo đúng tiết diện thiết kế của thanh dẫn, góp phần giảm tổn hao trên thanh dẫn rotor và đảm bảo tuổi thọ của rotor nói riêng và động cơ nói chung

4,Các giải pháp nâng hiệu suất

Về việc tính toán dây quấn, sự lựa chọn vật liệu dẫn điện trên Stator và Rotor có liên quan trực tiếp đến tổn hao chính trên động cơ điện là tổn hao đồng trên Stator và Rotor

Tổn hao thép ngoài yếu tố vật liệu còn phụ thuộc vào khâu tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo máy điện vì tổn hao thép tỷ lệ với mật độ từ cảm và tần số từ trường, công thức sau biểu thị mối tương quan này:

PFe = Ph + Pe = Kh * f * Bn + Ke *f2 * B2

Trong đó : f (Hz) là tần số nguồn điện, B(T) là mật độ từ cảm

+PFe(W) là tổn hao thép

+Ph(W) là tổn hao từ trễ trong lõi thép

+Pe(W) là tổn hao dòng xoáy trong lõi thép

+Các hệ số Kh , Ke và n phụ thuộc vào vật liệu lõi thép

Do vậy để nâng cao hiệu suất động cơ điện ta phải thực hiện đồng thời 3 phương pháp chính :

+Lựa chọn vật liệu tối ưu: dây dẫn có điện trở suất thấp, tôn silíc tổn hao thấp nhưng trong giới hạn cho phép về chi phí kinh tế và công nghệ

+Tính toán thiết kế tối ưu hiệu suất động cơ điện: lựa chọn các tham số đầu vào hợp lý nhằm nâng cao hiệu suất động cơ điện

+Công nghệ chế tạo : đảm bảo gia công chính xác, giảm thiểu các yếu tố gây ra tổn

hao cho động cơ điện như biến tính thép, rỗ thanh dẫn, v.v,… như đã nêu ở trên

PHẦN V: THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT CAO

I CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN

• TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT CAO:

Từ các yêu cầu trên, việc tính toán thiết kế động cơ điện tiết kiệm năng lượng cũng tương tự như trình tự thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc thông thường, tuy nhiên để động cơ điện đạt được hiệu suất cao ta phải thiết kế theo hướng

ưu tiên một số yếu tố quyết định đến hiệu suất của động cơ như thông số dây quấn, chọn thép kỹ thuật điện, chọn kích thước răng rãnh, chọn tải cảm Bδ(T), tải đường A (A/cm) Số liệu đầu vào thiết kế gồm các thông số sau :

- Công suất định mức của động cơ P2 (kW)

- Bội số mômen cực đại

dm

max M M

- Bội số dòng điện mở máy

dm

k I I

- Cấp bảo vệ động cơ (IP23, IP44 hoặc IP55)

- Cấp cách điện: cấp F hoặc H

- Điều kiện môi trường: độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí quyển

- Kiểu làm mát thông gió (IC)

- Kiểu lắp đặt, kích thước lắp đặt: Chiều cao tâm trục, toạ độ chân đế, kích thước bao

II TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH LÕI THÉP ĐỘNG CƠ

1- Vật liệu lõi thép:

Để chế tạo các phần tử của hệ thống mạch từ của máy điện hoặc khí cụ điện, người

ta dùng những vật liệu sắt từ khác nhau như các loại thép lá kỹ thuật điện, thép đúc, thép rèn, thép lá, hợp kim thép, các loại nam châm vĩnh cửu

Trong máy điện xoay chiều như biến áp, động cơ điện, máy phát điện, thì thường dùng thép lá kỹ thuật điện nhằm giảm tổn hao sắt từ Các nhà máy sản xuất máy điện thường sử dụng tôn silic 2211, 2212 của Nga hoặc loại M470-50A, M600-50A, M800-50A để chế tạo lõi thép động cơ điện và máy phát điện xoay chiều

2- Các kích thước chính của lõi thép:

Kích thước chính của lõi thép gồm: Đường kính trong lõi thép D, chiều dài lõi thép

ld Các kích thước này phụ thuộc vào công suất tính toán của động cơ P'(kVA); tốc độ quay của từ trường

p

f

π 2.

α k k A B n

P dq

s .

.

' 10 1 , 6 1 7

Trong đó: Công suất tính toán của động cơ được tính theo công thức:

P’= ( )

cos

. 2

kVA P

k E

ϕ η

4- Xác định đường kính ngoài của lõi thép stato:

Từ chiều cao tâm trục H của động cơ xác định sơ bộ đường kính ngoài lõi thép stato:

Dn= (0,73÷0.76) 2H

Đường kính ngoài lá tôn có liên quan trực tiếp đến hiệu suất động cơ, khi Dn↓ thì LFe↑ hay máy thon dài khi giảm Dn dẫn đến chiều dài đầu nối giảm, khối lượng đồng giảm, điện trở dây quấn giảm, tổn hao đồng Stato giảm góp phần tăng hiệu suất Tuy nhiên nếu Dn quá nhỏ sẽ làm việc chọn răng rãnh trên rôto trở lên khó khăn do giới hạn về mật độ thanh dẫn rôto, mật độ từ cảm giới hạn trên răng và gông rôto nên trong thiết

kế phải hiệu chỉnh các kích thước sao cho tối ưu nhất

5- Xác định đường kính trong của lõi thép stato:

Đường kính trong của lõi thép stato D tính theo đường kính ngoài và tốc độ đồng bộ của động cơ:

Dn= (1,75 ÷ 1,85).D với 2p =2

Dn= (1,55 ÷ 1,65).D với 2p =4

Dn= (1,4 ÷ 1,5 ).D với 2p =6 ÷ 8

6- Chiều dài tính toán của lõi thép:

Chiều dài tính toán của lõi thép được tính theo công thức:

α

' 10 1 , 6

δ

2 δ

7

B A D n k k

P l

dq s

=

Trong đó :

- ks hệ số sóng, khi sóng hình sin ks=1,11;

- Khi hệ số cung cực từ αδ=2/π=0,64;

- kdq hệ số dây quấn stato kdq=(0,95÷0,96) đối với dây quấn 1lớp;

kdq=(0,91÷0,92)đối với dây quấn 2 lớp;

- n là tốc độ đồng bộ của động cơ tính theo vòng/phút

và A nhỏ để giảm tổn hao đồng (chiếm tới 35% công suất tổn hao) nhằm tăng hiệu suất động cơ điện Tuy nhiên, khi tỷ lệ Bδ/A tăng nghĩa là Bδ tăng, A giảm sẽ làm tăng dòng điện từ hóa Iµ(%) tăng làm giảm cosϕ Do vậy, ta phải căn cứ vào yêu cầu đầu vào như η, cosϕ để lựa chọn và tính toán lại cho đến khi có kết quả hợp lý nhất

III TÍNH TOÁN RĂNG RÃNH, DÂY QUẤN STATO

1- Chọn số rãnh của 1 pha dưới một cực q 1

.

= Z

D π

a A t

ur (vòng)

Trong đó: - I1 (A) là dòng điện pha định mức của động cơ;

- A là phụ tải đường (A/cm);

- a là số mạch nhánh song song của cuộn dây stato

5- Số vòng dây nối tiếp của một pha:

1

1 = a

u q p

Trong đó: - AJ chọn theo đồ thị (A2/cm.mm2);

- J1 là mật độ dòng điện trong dây quấn stato (A/mm2)

Chọn mật độ dòng điện phụ thuộc kiểu bảo vệ IP, Đường kính ngoài lõi thép, tốc độ động cơ Từ mật độ dòng điện đã chọn ta tính ra tiết diện dây dẫn:

1

= aJ

I

sdd (mm2); dây quấn chọn dây êmay cách điện cấp F Mật độ dòng điện dây quấn Stato quyết định một phần tổn hao đồng ở Stato, chọn mật độ dòng điện nhỏ làm giảm điện trở Stato làm giảm tổn hao đồng, góp phần tăng hiệu suất động cơ Với động cơ hiệu suất cao ta chọn mật độ dòng điện thấp hơn động cơ thông thường khoảng 10% để giảm tổn hao đồng

8- Chọn rãnh stato:

- Dạng rãnh của động cơ điện cũng được thiết kế giống như rãnh của động cơ điện

bình thường

- Đối với động cơ điện công suất từ (0,55kW÷18,5kW) thường chọn kiểu rãnh stato

hình quả lê hoặc hình thang (răng có cạnh song song);

- Các kích thước của rãnh được thiết kế dựa vào tiết diện dây đồng trong rãnh, mật độ

từ thông trên răng, trên gông

- Từ số vòng dây trong một rãnh, tiết diện dây dẫn, cách lót cách điện ta tính được hệ

số lấp đầy rãnh

r

cu cu S

S

k = thường tính chọn hệ số kcu = (35÷48)%

Trong đó: - Scu(mm2) là tiết diện đồng trong rãnh

- Sr (mm2)là tiết diện rãnh

Hệ số lấp đầy càng lớn thì tiết diện đồng trong rãnh càng lớn, dẫn đến mật độ dòng

điện giảm, tổn hao đồng giảm, hiệu suất tăng Nhưng hệ số lấp đầy nếu lớn quá sẽ khó

khăn cho khâu lồng dây Do vậy tùy thuộc vào điều kiện thực tế đối với từng loại công

suất, tốc độ cụ thể trải qua thực nghiệm ta chọn hệ số lấp đầy cho hợp lý đảm bảo hiệu

quả sản xuất Ngoài ra, sau khi chọn hệ số lấp đầy ta còn phải kiểm tra lại mật độ từ

cảm ở răng stato (BZ1); gông stato (Bg1) theo mật độ từ cảm khe hở không khí đã tính,

các trị số này phải nằm trong phạm vi cho phép

2

9 1

Khi khe hở không khí lớn làm tỷ lệ δ/τ tăng, kết quả là Iµ/Iđm tăng kết quả là cosϕ

giảm Để đảm bảo cosϕ nằm trong giới hạn cho phép, trong tính toán động cơ hiệu

suất cao người ta cố gắng giảm nhỏ khe hở không khí xuống trong giới hạn công nghệ

cho phép

10- Số rãnh rôto:

Việc chọn số rãnh rôto lồng sóc Z2 là một vấn đề rất quan trọng, vì khe hở của động cơ có công suất từ 0,55kW÷ 30kW rất nhỏ nên khi khởi động mômen phụ do từ trường sóng bậc cao gây nên ảnh hưởng rất lớn đến quá trình khởi động cũng như đặc tính làm việc, nếu phối hợp rãnh giữa rôto và stato không hợp lý có thể gây ra rung và kêu

- Số rãnh rôto được tính theo công thức:

Z2=2.m.p.q2;

Trong đó: Thường chọn

3

2 1

2 = q ±

- Hay có thể chọn số rãnh rôto Z2 theo kinh nghiệm thiết kế như động cơ bình thường Với động cơ công suất 0,55kW ÷ 30kW rôto lồng sóc đúc nhôm thường chọn rãnh sâu, hình quả lê và rãnh có thành răng song song

11- Thiết kế tiết diện rãnh, răng (kích thước rãnh):

Việc thiết kế kích thước rãnh rôto phụ thuộc vào loại nhôm đúc thanh dẫn và mật

độ dòng điện chạy trong thanh dẫn rôto

- Chọn nhôm đúc thanh dẫn rôto là nhôm loại A7;

- Mật độ dòng trong thanh dẫn rôto của động cơ theo kiểu bảo vệ IP được chọn tùy thuộc và cấp bảo vệ: Với động cơ kiểu kín (IP44 hoặc IP55), chọn mật độ dòng trong thanh dẫn J2 = Jtd = 1,5 ÷ 4 (A/mm2), với động cơ hiệu suất cao, ta chọn mật độ dòng điện Jtd lớn hơn động cơ thường khoảng 10%

- Diện tích rãnh rôto:

2

2 2 J

I

Sr = (mm2)

12- Đường kính trục rôto:

R·nh r«to h×nh qu¶ lª

Đường kính trục rôto được tính theo công thức:

H - Chiều cao tâm trục của động cơ;

Sau khi nạp các số liệu cơ bản như đã nêu: D, Dn, LFe, Z1, Z2, ur1, p, P, U1, a1, y1, các kích thước răng, rãnh trên Stator, Rotor, η, Cosϕ, việc tính toán kiểm nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế sẽ được thực hiện trên phần mềm SPEED, gồm có tính toán từ thông, mật độ từ cảm trên các đoạn mạch từ, tính toán tham số làm việc định mức, tham số khởi động động cơ, tính mật độ từ thông khe hở không khí, dòng điện không tải, đặc tính tải : I1 =f(P2) ; Cosϕ =f(P2); η%=f(P2);n= f(P2); M=f(s),đặc tính khởi động, v.v,… Việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ điện được thực hiện theo hướng giảm tối đa tổn hao đồng trên dây quấn Stator/Rotor nhưng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu về đặc tính động cơ: cosϕ, mô men khởi động, mô men max, dòng điện khởi động với điều kiện ràng buộc

là vật liệu sử dụng tổng không được tăng quá 15% Để thực hiện được như vậy người thiết kế đã tiến hành giải pháp:

+Tăng tiết diện dây quấn Stator

+Tăng tiết diện rãnh

+Kéo dài lõi thép

+Tăng hệ số lấp đầy rãnh để tránh tăng quá nhiều lõi thép

Với các giải pháp đã nêu ta có các kết quả chọn và tính toán như sau:

IV THIẾT KẾ TỐI ƯU HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN

1, Các bước tính toán điện từ động cơ điện trên máy tính sử dụng phần mềm SPEED:

+Kích hoạt phần mềm Win-IMD

+ Nạp các thông số kích thước cơ bản của động cơ điện: D, Dn, LFe, Z1, Z2, số đôi cực

p, khe hở không khí, kiểu rãnh Stato, rôto, kích thước rãnh, điện áp pha Stato, bề dày cách điện, chiều dài phần đầu nối, chọn phương pháp tính: theo công suất trên đầu trục, theo độ chênh nhiệt, kích cỡ dây quấn, số vòng dây quấn, số sợi chập, số mạch nhánh song song, v.v,…

Về quy cách kích cỡ dây được quy chuẩn sẵn cho việc chế tạo và sử dụng Hiện nay, trên thế giới, đang tồn tại song song một số quy chuẩn về cỡ dây theo từng vùng địa lý khác nhau, ký hiệu khác nhau, nhưng quy cách gần giống nhau Ở Mỹ dùng quy chuẩn AWG, Anh dùng BWG, ở nước ta, Trung Quốc và Nga dùng quy chuẩn PETV

và PET-155 của Nga, ngoài ra còn có SWG (Standard Wire Gause) Dưới đây là các bảng tra dây quy chuẩn của một số nước dùng để thiết kế động cơ điện:

Bảng tra kích thước dây đồng tròn của các nước

Đường kính ruột dẫn danh định Tiết diện dây