Luận Án tiến sĩ nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men Động cơ bldc rotor ngoài trong truyền Động trực tiếp

Do đó việc leại bỏ hộp số là cân thiết, để chuyển song hệ thống truyền động trực tiếp sử đụng đông cơ nam châm vĩnh cửu ghép trực tiếp với tải đáp ứng tốc độ thấp hoặc tốc độ cao,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCIT KIOA HÀ NỘI

NGUYEN VIET ANH

NGHTEN CUU CAT THIEN CHAT LUQNG MO MEN

PONG CO BLDC ROTOR NGOAT TRONG TRUYEN BONG

'TRỰC TIẾP

LUẬN ÁN TIỀN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN

Hả Nội — 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCIT KIOA HÀ NỘI

NGUYEN VIET ANH

NGIIÊN CỮU CẢI THIỆN CHIÁT LƯỢNG MÔ MEN

DONG CO BLDC ROTOR NGOAI TRONG TRUYEN DONG

TRỰC TIẾP

Ngành: Kỹ thuật diện

Mã số: 9520201

LUẬN ÁN TIỀN SÏ KĨ THUẬT ĐIÊN

NGƯỜI HƯỚRG DẪN KHOA HỌC

1 T8 Pham Hùng Phi

2 T8 Phủng Anh Tuấn

Hà Ni - 2021

LOI CAM DOAN

Tỏi xin cam đoan dây là công trình nghiên cửu của riêng tôi Các số liều, kết quả tính toán trinh bảy trong Luận án lá trung thực và chưa từng dược ai công, bố trong bất cứ công trình nào khác

1a Nội, ngày 16 tháng 11 năm 2021

TS Pham Hing Phi TS Phùng Anh Tuấn Nguyễn Việt Anh

LOICAM ON

Để hoàn thành luận án này tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đền tập thé

hướng dẫn khoa học là T3 Phạm Hùng Phi và TS Phong Anh Tuan luôn dành

nhiễu công sức, thời gian quan lâm, động viên và lận tình hướng đẫn nghiên cứu

sinh trong suốt quá trình thục hiện luận ám

‘Tac gi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Vũ Thanh, T8 Bủi Minh Định đã hỗ trợ

và đông góp các ý kiến quý báu đã nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án

Táo giả chân thành cảm ơn các thây, cô giáo trong Bộ môn Thiết bị Diện - Diện tử,

Viện Diện và phòng Dào tạo - Trường Dại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian và co sở vật chất trong quả trình nghiên cứu sinh thực hiện luận án

Tc giả trân trọng cảm em Viện Nghiên cứu quốc tế Khoa học & Kỹ thuật tính toán (DAST) đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tac giả sử đụng chương trình phản mềm

ANSYS/Maxwell 2D để thực biện các bải toán mở phỏng FEM cho động eø BLDC röto ngoài

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Anl/Chị/Em đồng nghiệp và các bạn đã động viễn, giúp đỡ về mọi mắt, gép phần vào sự thành công của luận án

nhất, những

trong rhững

Cuéi cũng, tác giả xin gửi lới bố mẹ, vợ và các cơn lời câm ơn sâu s

người thân đã luôn ở bên cạnh động viên, hỗ trợ về tình thần, vật cl

túc khó khăn, mệt mỏi Đề tác giả yên lâm trong quá trình nghiên cứu, góp phẩn

không nhỏ vào thành công của luận án

MỤC LỤC MỤC LỤC

DANH MUC VIET TAT, KY HTB

1.1.1 Động cơ một chiều khéng chéi than nam cham vinh cia (BLDC)

1.3 Đặc điểm điều khiển của động cơ BT.DC

1.1.3 Ứng dụng động cơ BLDC trong tuyển động trực tiếp

1.2 Cac nghiên cứu trong nước và quốc tế

1.2.1 Các nghiên cửu trong tước ni snneeerer

1.2.2 Các nghiền cửu trên thế giới

1.3 Các tên tại và đề xuất nghiên cửu động cơ I3LDDC rotor ngoải

1.4 Vật liệu đẫn từ trong động cơ HBLDC 255cc sec,

1.4.1 Khái niệm mạch từ

1.4.2 Vật liêu từ tính

1.4.3 Nam châm vĩnh cửu

1.4.4 Mô hình mạch từ của nam châm vĩnh cửu

Chương 2: MÔ HỈNH MẠCH TỪ DONG CO BLDC

2.1 Giới thiệu

2.2 Mỏ bình dịch chuyển nam châm vĩnh cửu qua rãnh stator

2.2.1 Mô hình toàn họe 2 22 s22 E212 ceecrer

2.2.2 Ảnh hưởng của độ cong in nu

tà 3 Quá trình năng lượng trong đông cơ BLDC

kẻ 3.1 Xây dựng mạch từ tương đương,

2.3.2 Mạch từ tương đương chưa xét đến phân ứng phần ứng

Chuong 3: MO MEN DAP MACH (COGGING TORQUE) TRONG ĐÔNG CƠ

3.3 Ảnh hưởng của chiêu rộng miệng rãnh 68

3.4.2 Khai wién chuối Fouricr để phân tích ảnh hưởng của độ phú nam châm 72 3.4.3, So sánh kết quả tính toán giải tích và mô phỏng FEM

4.1.2 Ung dug thiét ké cho quat tran - 7 - 81

4.2 Tính toán thông số động cơ được đề xuất trong luận án - - 94

4.3.1 RMxpr

43.3 Kiém nghiém kết quá giám nhỏ đường kinh ngoài rotor

4.3.5 Dánh giả kết quá mô phóng

4.4.1 Dặc tính B-1I thép kĩ thuật điện Posco 1300 chế tạo mạch từ stator 1H

Những mặt hạn ghễ à se nnneeeiesereirrrrrrserruaue TTĐ Khả năng phát triển tử luận án

TAI LIBU THAM KHAO 121

Phu luc 1 Thao luận các điền kiện ranh giới cho toàn bộ khu vực nghiên cửu tại

Phụ lục 6 Kết quả tính toàn thông sở động cơ BLI2C bằng phương pháp giấi tích theo thuật toàn thiết kế hình 4.12 và đùng để mỏ phỏng tại mục 4.3.4 140

DANH MUC VIE AT, KY HIEU

Dong điện xoay chidu (4iernating current)

Stic phan dién ding (Back-Electromotive Force)

Dong co mot chiéu khéng ch6i than (Brushless Direct Current) Bội chung nhỏ nhất

Dong dign mat chiéu (Direct Current)

Ước chung lớn nhất

Sức từ Nam châm vinh ctu (Permanent magnet)

éng (Magnetomotive Force)

Động cơ déng bộ nam cham vinh citu (Permanent

magnet synchorous motor)

Động cơ một chiều không, chối than sử dụng nam châm vĩnh cứu

t diện rãnh mm”

‘Mat dé từ thông tản tại khe hở không khí t Mặt độ từ thông tại khe hở không khi T

vi

‘Mat d6 ey théng tai diém lâm việc nam châm

Mật độ từ dư nam châm

Mật độ từ thông tổng của gông rotor va stator

Mật dộ từ thông stator

Mật độ từ thông gồng rotor Mit dé tir thong géng stator Đường kính động cơ

Duong kinh trong rotor

Đường kính trong sialor

Đường kính ngoái rotor

Đường kính ngoài stator

Chiều dài khe hở không khí

Chiều đài khe hỏ không khí theo hệ số Carter

Cuong, dé từ trường

Lực kháng từ

Cường độ từ trưởng tại điểm làm việc nam châm

Chiều cao răng, rãnh stator

Chiều cao miệng rãnh stator,

Chiều cao cô rãnh stator

Chiều cao rãnh stator

Chiêu dày nam châm

Hz Sim

mn

ức điện động cảm ứng

Điện câm chính

Chiều đài nam châm (heo trục động cỡ)

Chiếu đài hướng trac stator Chiều dài hướng truc rotor

Điện cầm chính

Điện căm rỏ ri do sóng hài bậc cao

Điện căm tân đầu cuối

Điện căm tân rãnh stator

Điện căm toàn phan

Công suất khe hở không khí Công suất điện từ

Công suất cơ

Số cực

Suất tốn hao sắt Công suất phản kháng, Điện trở

ám kính cong đây rãnh dưới

Từ trỡ,

Mô men

Mô men điện từ

Mo men ce,

Mô men dap mach

Số thanh dãi n trong thột rãnh

Tổng số thanh dan trong một pha Thời gian

Điện áp pha A, B, Ơ

H

H mun

2

tm

Nm

Nm Nam

Nm

8 Vv

tâm

®

Thể Lich, Vận tốc Năng lượng, Khoảng cách giữa 2 cực (Nam châm) Chiều đây gông rolor

Wb Om

DANH MUC BANG

Bang 1.1 Tinh chat dién hình của vật liệu narn châm vĩnh cửu ¬

Bang 2.1 Mai quan hệ giữa động cơ từ trường hướng tâm và mô hình rãnh 48

Thăng 1.2 Bảng thông số tương đương giíia trạch điện và mnạch Lừ - 5 Bảng 2.3 Bảng kháo sát số lượng thanh dẫn — 5D Bang 3.1 Thong số khảo sát bạn Và đ cniiierrrerrorroeeee Ổ

Bang 4.1 Gia ti chu vi bé mat khe hd khong khi ở một số động cơ [70 80 Bảng 4.2 Thông số yêu cầu thiết kế và thông số lựa chẹn se

am làm việc vậL

Tảng 4.3 Số liệu khảo sát đường kính ngoài rolor Dạx để thiết kế d

liêu thép kỹ thuật điện ào nnenerrrrrerisirrsrsaoeoaoe 104 Bang 4.4, So sanh kết quá tính toán và mồ phống sec TEỤ

Bang 4.8 Thong sé nach do dic tính B-H thép Poseo 1300 112

Bang 4.6 Thông số B-H theo số lần đo ào, LỤ3 Bang 4.7 Théng số mật độ từ thông của nam châm Tferrite MA Bang 4.8, Thông số động cơ BLDC được chế tạo với độ phủ nam châm a=0,7 116 Bang 4.9, Thông số động cơ Beuney (Thailand) với độ phú nam châm ø=1 117

DANH MỤC HÌNH

THình 1.1 Phân loại động cơ đựa trên nguồn cưng cấp đông điện AC /DC 4

Tình 1.2 Dạng sóng kích thích cơ bản cho động cơ xoay chiêu EM 25

Hinh 13 Céu tao dién hinh cia PMSM 5 Hinh 1.4, Can tao dng co BLDC rotor bén trang 6 Himh 1.5, Cau tạo động co BLDC rotor b&n ngodi cessesesessssssseesseeeeeanssse E Hình L6 Câu tạo động cơ BLDC kiểu lừ trường dọc trục T Hình L.7 Các thành phản trong hệ thông truyền dòng sử dung déug co BLDC .8

1iinh 1.8 Mạch phân ứng động cơ I3L2C được cấp điện thông qua biển tần 8

Hình 1.9 Trình tự chuyên mạch van ban dan va dang sóng dòng điện tương tng, 9

Hình L.16 a) Hệ truyền dộng giảm tốc; b) Hệ truyền động trực tiếp 10

Hinh 1.11 a) May gidt thong thudmg, b) May giit truyén dong tue tiép [1(] 11

‘Hinh 1.12 Quat trin str dung déng co BLDC [16] "1 Hìmh 1.13 Hinh dạng lõi của dộng cơ I3LDC [46| saseesre, T14 1iinh 1.14 Sự thay đối hiệu suất theo số cực [49] - 14 Tình 1.15 Mô men điện từ thay đối khi kết hợp giữa số rãnh và cực [48] 15

Tình 1.16 Vị phân phần tữ đơn vị vật liệu tir [54] "¬" Tình 1.17 Khối vi phân theo đơn vị đệ dài phân tử vật liệu từ [5⁄1] - 17 Tình 1.18 Khối vi phân theo thé tích phân Lử vật liệu từ [54] 18 Tình 1.19 Cuộn dây được quần quanh một mẫu vật liệu từ |54[ 18

Hình 1.20 Từ trường sinh ra quanh một thanh đẫn [55] - 19 Tình L2L Mô hình nguồn từ cuộn đây ruang dòng điện |55] - - 20

Hìmh 1.22 Từ trường di qua khe hớ không khi giữa hai cực [561 31

Tỉnh 1.23 Mê hình không gian từ dẫn khe hở không khí [S6] 31

Tình 1.24 Mô hính tỉnh Loán từ dẫn khe hở không khí |56] "—

Hìmh 1.28 Đường sức từ trong rãnh (a) vả phân chia hình học (b) [57] 22

Tình 1.26 Ảnh hưởng chiêu rộng miệng rãnh stator theo hệ số Carter [58] 33 Hình L27 Giá trị hệ số cartcr với tỉ số chiều rộng miệng rãnh và bước rãnh |55| 24 Hình 1.28 Từ trường tập trung của rnột răng [55] ~ase.5 Tình 1.29 Đặc tính B-H vật liệu ti [59] - 26

Hinh 1.30 BS thi quan hệ giữa đường cong từ hóa với độ từ hóa [59] 37

Hình L3 Tên thất vật liệu sắt từ theo tần số lâm việc 2T

‘Himh 1.32 Cau tao dang tam mỏng của vật liệu sắt từ 38

Hinh 1.34, Anh hưởng từ trường ngoài lên diễm lam việc nam cham [59] 30

'Hìmh 1.35 Đặc tính vật liệu nam cham - - 31

Hình 1.36 Họ các dường dẳng năng (BH) constamltrên góc phần lừ thir TT [59] 32 Hình 1.37 So sánh giá trị tích năng lượng cực đại các loại nam châm 33

Tĩnh 1.38 Dặc tính khử từ nam châm Ferrite theo nhiệt 46 [59] - 34

Tình 1.39 Trạng thái nan châm với mật dộ từ dư (a), lực kháng tử (b) 35

Hình 1.40 Dặc điểm đường từ dư nam châm vĩnh cứu theo nhiệt độ [62| 36

Hình 1.41 Sự đao động quanh điểm lam việc nam châm vĩnh cửu [62] 37

Himh 1.42, Nam cham vinh citu dang khối (a) và mô hình mạch từ thay thể (bì 38

Hình 1.43 Một số hình dạng nam châm vĩnh củu được sử đụng trong động cơ 38

Hình 1.44 Hình đạng nam châm vĩnh cửu được sử đựng trong động cơ BLDC 39

Tình 1.45 Cầu trúc mạch từ nam châm vĩnh cửa với khe hở không khi déu [63] 39 ‘Dinh 2.1 Cac ving nang Iveng gitta nam cham va ranh stator [68] 43 Hình 2.2 Sự phân hồ từ hỏa dọc theo hướng x 45 Tình 2.3 Cầu trúc của động cơ PM từ trường hướng tâm |68|, m

Hình 2.4 So sánh mật độ từ thông khe hở không khi («ot = 6°) [68] 48 Tình 2.5 So sánh mật độ từ thông khe hở không khi (ai 19 [68] - 49 Hình 2.6 So sánh mật độ từ thông khe hở không khi (ot = 2°) |68| Hình 2.7 So sánh mật độ thông lượng khe hở không khi (ot = 4°) [68] Tình 2.8 Sơ đồ trải 1⁄4 động cơ BT.DC - 12 rãnh, 16 cực 530 Hinh 2.9 Duong kit ti nam cham vĩnh cửu Tinh 2.10 Mach tir tương đương động cơ BL.DC - 12 ranh, 16 cure 5] Hình 2.11 Mạch từ tương đương rút gọn khi chưa xét đến phân ứng phần ứng 53

Limb 2.12 Mit ct nam cham sit dung trong d6ng co BLDC Hình 2.13 Từ trường tại điểm làm việc nam châm với độ phủ œ kháo nhau, khi gong tir rotor méng - - - 55

Tình 2.14 Từ trường tại điểm lam viéc nam cham voi a6 pli a khác nhau, khỉ

gông từ rotor đầy ng HH 0 HH 10 te re se 58

Hình 2.15 Dường đi của từ thông khi chưa xét đến phan ủng phần ứng 55

Hình 2.16 Mô hình động oơ BLDC rotor ngoài với chiêu rộng miệng rãnh là 6mm

Tình 2.18 Mạch từ tương dương rút gọn khi xét đến phan img phan ứng:

Linh 2.19 Mật độ và dòng từ thông tương ứng phản ứng phân ứng khử từ trong

Hình 2.24 Mật độ từ thông tại điểm làm việc lương ứng thông số khảo sảt tại bằng,

Hình 2.24 Đặc tính đòng điện và mê ren khỏi động theo thông số khảo sát bảng

Hình 3.3 Từ trường tán trong rãnh và giản đỗ đường di từ thông -

Hình 3.4 Giá trị mê men đập mạch theo chiều rộng miệng rãnh và độ phủ nam

châm

Fink 3.5, Gia tri 16 men dap mach lớn nhất và nơ nhất của động co BLDC 69

(++ M6 men dap mach ting véi bà~4nun và ø~0,8; —: Mồ men đập mạch ứng với

Tình 3.6 Mật độ từ thơng khe hở khơng hi ding co BLDC thco boo va a “ Hình 3.7 Le dộ dịnh mức dộng cơ BLDC theo bạo và œ "¬ Tình 3.8 Mật độ từ thơng trong động cơ BLDC tại b,u=2mm và ø=0,7 70 Hình 3.9 Phân bổ từ tường khe hở khơng khí theo gĩc điện 72 Hình 3.18 Mơ men đập mạch theo biến đổi Fourier với độ phủ nam châm ơ= 0,5 74

Tinh 3.11 Mé men dap mach theo biến đối Fourier với độ phủ nam chim a= 0,75

Hình 3.12 Mơ men đập mạch theo biến đổi lourier với độ phủ nam chim o= 1 74 Hình 3.13 Đặc tính mơ men tốc độ gĩc trong động cơ BLDC ứng với pia tri a va

tốc độ dặt khác nhau ED

Hình 3.14 Dặc tính tốc độ động cơ BLDC với độ phủ nam châm œ= 0,5-1 75 Hinh 3.15 Dic tinh mé men cơ động cơ BLDC với độ phủ nam châm ø= 0,5-1 75 Tình 3.16 Đặc tính mơ ruen dập mạch động cơ BLDC theo độ phủ nan châm

Hình 3.17 Đặc tình dịng điện ứnA) động cơ BL.DC theo độ phủ nam châm ø— 0,5- 4 " 16 Hình 3.18 So sánh cơng suất điện động cơ BLDC theo đơ phủ nam châm ơ= 0,7 và

Hình 4.1 Luu dé thiét ké dong eg BLDC -

Hình 42 Lưu để thuật tốn thiết kế giảm nhỏ chiều cao hướng true stator

Hình 4.3 Chuyển hĩa răng lượng trong động sơ điệu 84 Hình 4.4 Câu trúc rãnh quả lẻ a

Hình 4.6 Mơ hình mình họa từ thơng tân trong các rãnh stator [58]

1ình 4.7 Mê hình tổng quát từ thơng tấn rãnh hình thang

Hình 4.8 Mơ hình quy đổi bối đây từ Tp vịng đây trên một răng - 92

Tình 4.11 Sơ đồ đây quấn động cơ BỊ,ĐC - 12 rãnh, 16 cực - 96

Hình 4.12 Thuật toán thiết kế và kết quả tỉnh toán đồng cơ BLDC theo thông số

bảng 4.2 - - - - 101

Tình 4.13 Thuật toán Hnết kế và kết quê tính toán động cơ BLDC sau khi hiệu chính thông số kg và n _ wM _ 'Hìmh 4.14 Động cơ BLDC thiết kế trên môi trường RMxprt - 103

Hình 4.15 Động cơ BLDC thất kế trên môi trường Maxwell 2D 103

Hình 4.16 Mật độ từ thông tại khe hớ không khi theo Dụ, ¬—

‘Tinh 4.17, Mat độ tử thông tại gông rotor theo Dự - 105

Hình 4.18 Mật dộ tử thông tại rắng stater theo Dục LOS Link 4.19, Kich thước mạch từ stator được chế tạo theo thông số ở phụ lục 5 106

Hình 4.20 Đặc tính mô men và tốc độ động cơ BLDC được thiết ké trong ứng với giá trị 187,5 rpm

Hình 4.21 Dặc tính dòng điện, điện áp động cơ thiết kế tương ứng với tốc độ 187,5 rpm - - ene 107 Finh 4.22 Đặc lính công suất cơ, công suất điện, hiệu suất động cơ tương ứng với tốc độ 187,5 rpm - - 107

Hình 4.23 Mật độ tù thông tại khe hở không khí tương ứng với tốc độ 187,5 rpm tại thời diễm t~0s và †”Ú,7§ cọc HH” Hee eo MA

Hình 4.24 Mật đô từ thông trên động cơ BLDC tương ứng với tắc độ 187,5 - - - 108

Himh 4.28 Câu trúc cực từ dộng cơ BLDC: (a) Nguyên bản; (b) Vát mép 1ŨE Hình 426 Dặc tính mô men, tốc độ động cơ thiết kể với tốc độ 187,5 rpm 108

Hình 4.27 Đặc tính dòng điện, điện áp động cơ tiết kế với tốc độ 187,5 rpmi 108

Hình 4.28 Đặc tính công suất cơ, công suất diện, hiệu suất dộng cơ với tốc dé 187,5 rpm - - - 108

Hình 4.29 Mật độ từ thông tại khe hở không khí với tốc đỏ 187,5 pm tại thời diễm 10s va 0,75 109 Hình 4.30 So sánh đặc tỉnh mô men, đòng điện trước và sau khi vát mép cục stator

110 1H

Tình 4.31 Sơ dỗ nguyên lý do đặc tỉnh B-H thép Poseo 1300 |30|

xv

Hình 4.32 Quá trình chế tạo lối thép va do thuc nghiéwn dic tinh B-H

Hình 4.33 Đặc tính B-H và độ từ thâm tương dối của thép C45

'Hìmh 4.34 Đặc tính B-H và độ từ thẩm tương đối của thép Posoo 1300

Fiinh 4.35, Ché

Hinh 4.36 Ché tao g6ng tu rotor va gn nam cham hinh thanh rotov

'Hìmh 4.37 Lắp ráp hoàn thiện động cơ BLDC rotor ngoài - 12 rãnh, 16 cực

lwo mach từ siator và đây quấn

Hình 4.38 Động cơ BLDC nguyên mẫu với độ phủ nam châm ø 1

Hinh 4.39, Dong co BLDC ché tạo thực nghiệm với độ phủ nam cham a= 0,7

Tinh 5.1 Phan bé nang fuong tir tinh vé hudng, dos theo bé mat stator [68]

Tình 5.2 So sảnh từ trường vỏ hướng dọc theơ chuồu rộng miệng rành khi có hiện

tượng chuyển tiếp N-8 [68] 0tr nnnexrve 133,

Hình 5.3 So sánh từ trường vẻ hướng doc theo chiếu rộng miệng rãnh khi có hiện tượng chuyển tiếp S-N qua miệng rãnh [68]

Hình &.4 So sánh mật độ từ thông tại khe hở không khi (s = 0)

Hình &.5 So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (s = 0,2)

Tình &.6 So sánh mật độ từ thông khe hở không khi ás— 0,5)

TRnh &.7 So sánh mật độ từ thông khe hở không khí (s = 1)

134

134

135

135 135

MỞ ĐẦU

x“_ Eý do chọn để tài

sual

Ngày my khi tuỗi quan tâm về mỗi trường tăng lên, dộng cơ diện có hiệi

cao luôn được lùn kiểm để đáp ứng đổi với hệ thông truyền động điện tiếu kiệm năng lượng, Môt nghiên cứu được công bô vào năm 2008 đã chỉ ra rằng động cơ điện chiếm 65% năng lượng tiêu thụ trên toàn thể giới [1] Do đó, việc sử dụng các động co điện có hiệu suất cao chẳng bạn như động cơ điện tran châm vĩnh cửu gần

đây đã nhân được sự quan tâm lớn

Tông co nam châm vĩnh cửa không có cuộn đây rolor nên tốn thất đẳng thân hơn

va có hiệu suất cao hơn so với động cơ cảm mg Đồi với các ứng dụng tốc độ thấp,

đưới 500 vòng/phút, động cơ nam châm vĩnh củu cỏ thể khẳng cân hộp số

Theo truyền thống, để điều chỉnh tốc độ và mô men của hệ truyền động thì sử đụng động cơ cảm img két hợp với hộp số Tuy nhiên hệ truyền động này có nhược điểm gay ra tiếng én, tén kém vật tư, nhân công báo dưỡng và hiệu suất truyền động thấp Do đó việc leại bỏ hộp số là cân thiết, để chuyển song hệ thống truyền động

trực tiếp sử đụng đông cơ nam châm vĩnh cửu ghép trực tiếp với tải đáp ứng tốc độ

thấp (hoặc tốc độ cao),

Hệ truyền động trực tiếp có một yêu cầu quan trọng là chất lượng mô raen điện

từ được tạo ra phải có giá tri gon xung mé men nhỏ nhật để đàm bão hệ thông hoạt động trơn tru, tiếng ên thấp vả it rung lắc Các gợn xung mô men trong động cơ điện nội chúng là do các sông điển hỏa phụ thuộc thời gim và không gian của lừ trường khe hẻ không khí gây ra Sóng điều hòa phụ thuộc không gian còn được gọi 1a mé men dap mach (cogging torque), sinh ra bởi sự tương tác giữa nam châm vĩnh cửu và rãnh sutlor {2| Như vậy, mô men đập mạch là một hiện tượng có hữu trong,

động gơ nam châm vĩnh cửu có rãnh

Mô men dập mạch ảnh hưởng đến việc tăng và giảm tốc độ dộng cơ trong từng

thời điểu Nó là một trong những nguồn lạo ra gợn xung mô ren không mong

mudn khi gay ra tiếng ên, rung động âm thanh, làm biến dạng sóng điều hỏa và mài mên vỏng bị ở tốc độ thấp [3] Do dé vẫn đề phải giảm thiểu mô men đập mạch để nâng cao liệu rững động cơ mam châm vĩnh cửu bằng cách phân lích, tính toán các thêng số tạo ra mô men đập mạch hoặc thiết kê động cơ theo công nghệ mới Một trong những cách nâng cao hiệu năng động cơ được áp dụng đề nghiên cứn, chính là phân tích, tính toán và lựa chọn các thông sỏ tốt nhất khi thiết kế, Như vậy để tải

“Nghiên cảm cũi thiện chất lượng mô men động cơ BLDC roler ngoài trong

truyén động trực tiến" là hệt sức cân thiết trong bối cảnh này

- Nghiên cứu sự lác động của phan ứng phan ứng đến mam châm trong quá trình

xác lập và quá độ, từ đó đưa ra phương án biệu chính số vòng đây để đảm bảo động,

cơ van hanh tin cậy Xác định tỷ lệ chiều đải hướng trục stator vá rotor sao cho phú hop với ram châm

- Dễ xuất giá trị bai thông số chiều rộng miệng rãnh (bạ), độ phủ nam châm (ø) phủ hợp trong Hnết kế động cơ BLDC rotor ngoai dé giam id men đập mạch

*'_Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận ấn

Chế tạo hai mẫu động cơ theo quan điểm thiết kẻ của luận án và thử nghiệm

ng trong dai tên số từ 7,2 Hz dẫn 25 Hz Các kỹ sư có thể sử dụng lưu dễ

LDC rotor ngoài do luận án đề xuất dé tinh oán, thiết kế và điều chỉnh

cầu trúc động cơ phú hợp với yêu cầu thực tế

+⁄“_ Đối trợng nghiên cứu

Dong co BLDC rotor ngoài, công suất 38 W, tải (cảnh quat) nói trực tiếp, lưu Tượng gió 230 m3/1 phút, 9 cập tốc độ ứng với dai tin sd tr 7,2 Hz dén 25 Iz

⁄ˆ Phạm vinghién cứu

Nghiên cứu gidin md wen dip mach động co BLDC roter ngoài khi xét đến các yêu tô chiều rộng miệng rãnh, đỏ phủ nam châm và thực nghiệm chế tạo động cơ công suất 38 W

+⁄_ Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, tham khảo lài liệu trong tước và quốc lế ĐặL

ra bai toan, xây đựng và mô hình hóa động cơ

Sử dụng phương pháp mạch lừ tương đường và giải tích để nghiên cửu tính toán xác định mật độ từ (hông tại điểm làm việo nam châm Áp dụng phương pháp PEHH trên phần mềm Ansys Maxwell để mô phỏng các đặc tính điện từ ở chế độ tinh va déng

- Thực nghiệm chế tạo vả kiểm chủng, Dánh giả, ưu nhược điểm mô hình và đề xuất,

⁄ˆ_ Các kết quả (mới) dự kiến sẽ đạt được

- Xác định hệ số Ka.u thông qua phân lích chuỗi Fourier theo biển không gian, đề

iA trị hai thông số chiêu rộng miệng rãnh (bạ) và độ phủ nam chảm (a) trong thiết kế giảm mô men đập mạch ở động cơ BLDC rotor ngoài

+“ Kết cầu của lưận án hao gầm

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu về động cơ BLDC sử dựng trong truyền động trực tiếp Chỉ dan mot sé

công trình trong nước và quốc tê đã được nghiên cứu, giải quyết một số vẫn đề của

động cơ và những tên tại còn lại

Giới thiệu, phân tích tính chất vật liệu dẫn từ và mô hình tính toán mạch từ nam

‘Trinh bày sự tương đồng giữa mạch điện với mạch từ Sau đỏ cho phép đơn giản

Thỏa tinh chal và quy đổi ram châm trở thành nguồn Lừ thông mắc sorgr song với từ:

trở để tính toán cụ thế mật độ từ thông nam châm sinh ra tại khe hở không khí

Chương 3: M6 men dap mach tong ding co BLDC

Lam rõ khái niệm vẻ mô men đập mach trong déng co BLDC và phân tích cơ sở sink md men dip mạch Thực hiện giảm mô men đập mạch rong động cơ khi xét tới ảnh hưởng của độ phủ nam châm, chiêu rông miệng rãnh thông qua việc phân

tích chuối lượng giác Fourier theo biển không gian

Giá trị mô men đập mạch được giảm có ý nghữa quan trọng đổi với các ứng dựng

truyền động trục tiếp khi yêu cảu tiếng dn động cơ ở mức tháp nhật

Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm

Xác định kích thước hình học động cơ BLDC bằng cáo bước tính chọn thông, số

co bin, nam châm, dây quần, kích thước rãnh Kết quả tính toán giải tích được kiểm nghiêm thông qua mẽ phỏng trên phan mém Ansys Maxwell

ê với các vòng liệu chỉnh và để xuất giá Irị chiều cao hướng trục stator phù hợp voi nam cham Ferrite có mật độ từ dư thấp, để tiết kiệm vật liệu sắt từ Chế tạo thực nghiệm nguyên chiếc động cơ BLDC

Xây dựng lưu dỗ thuật toán thiết

Chuong 1: TONG QUAN

1.1 Giới thiệu

Động cơ điện là loại máy phổ biến nhật trong cuộc sống hàng ngày Số lượng

chủng loại động cơ điện tăng lên theo sự phát triển của khoa họo, kỹ thuật và công nghệ Động cơ điện dược sử dụng trong dãi công suất rộng từ mW (máy vi co) đến 1,7 GW [4]

Động cơ điện được phân loại thành động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiêu và

ning lượng cùng với những thách thức ương công nghệ Do đó động co nam a

vĩnh cửu đang được ñng dung nhiều ong hệ thông điều khiến chuyển động và nhạy

cắm với tiếng ồn

Động cơ nam châm vĩnh cửa được phân thành hai loại [5]

+ Động cơ được cấp nguồn với điện dp hinh sin

+ Déng cơ được cấp nguồn với điện áp hình thang hoặc hinh vuông

Động cơ được kích thích bằng các đạng sóng hình sin ba pha (hình 1.2 (a)), hoạt động trên nguyên tắc từ trường quay Chúng được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cứu (PM§M) Tất cá các cuộn đây pha dẫn dỏng điện trong củng một thời điểm, Cầu lạo điền hình của PMSM như hình 1 3

Hình 1.2 Dạng sóng kích thích cơ ban che déng cv xoay chiéu PM

(a) hinh sin và (bì hình chữ nhật

am châm vĩnh cưu

Tình 1⁄3 Cầu tạo điển hình eta PMSM

Động cơ được cùng cấp dạng sóng ba pha lệch nhau 120 độ điện nhưng các

dang sóng này là hình chứ nhật hoặc hình thang như hình 1.2 (b) Hình dạng thư

vậy được tạo ra khi sức từ động phần ting (MMP) duoc đẳng, bộ chính xáo với vị trí

tức thời của rotor [2] Phương pháp cung cấp thông tim vị trí rator lả sử dụng cảm biển vị trí gỏc gắn trên trục động cơ Chỉ có hai cuộn dây pha din dong tai bat ky thời diém nao Sa 46 khiển hoặc chuyển mạch điện tử như vậy vẻ mặt chức năng tương đương với chuyển mạch cơ học trong động cơ điện một chiều có chỗi

than Điêu nảy giải thích tại sao động cơ kích tử sóng vuông được gọi là động cơ

điện một chiêu không chối than rau châm vĩnh cửa (BI,DC?)

Hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu này khác rau về hiệu suất và khả năng

điên khiến Trong nghiên cứu này, tác giả nhân mạnh vao động cơ một chiều không

chỗi than nam châm vĩnh cửu

1.1.1 Động cơ một chiều không chối than nam châm vĩnh cửu (BLDC)

Đông cơ BL.DC có cầu trúc phù hợp cho các ứng dựng khảo nhan Ba câu trúc cơ

bản của động cơ BLĐC la rotor trong, rotor ngoai va thiét ké đạng đía có khe hở

đọc trục, với nhiễu kiêu quân dây và hình dạng cực từ kháo nhau [6] Các nam cham

có thể ở dạng đãi, vòng cung hoặc dĩa với nhiều hình dạng khác nhau và chúng có

thể được từ hóa trước hoặc không,

Cau tric động cơ BLDC rotor bên trong gẫn giống với động cơ dòng bộ xoay chiêu Stater lương tự như của động sơ cảm ứng ba pha Vu điểm của kiểu rolor bên trong là tỷ lệ mỗ men xoắn/quán tính cao Do đó, nó được sử đụng rộng rãi trong các hệ thông servo, khi tải có yên cầu tầng, giảm tốc độ nhanh chóng, Tiần hết các động cơ rolor bên trong là ba pha hoặc nhiều pha nhằm giảm các sự cố khởi dòng

liên quan đến động cơ một phá Stator có thế là cục lỗi hoặc cuộn dây phân lân

Hinh 1 4 minh hoa déng co BLDC ba pha han eve kiéu rotor bén trong,

Hình 1.4 Cáu tạo déng co BLDC rotor bên trong

so BLDC rotor ngoài với hiệu suất cao va hệ số công suất lớn có triển

trong lĩnh vực img dụng truyền dộng trực tiếp như rô bốt di dộng, xe diện, sâu xuất điện gió, quạt điện, máy giối, tũ tạnh |7, |8]

Nếu ứng dụng yêu cầu ở tốc độ không đổi từ trung bình đến cao, có thể sử dụng

cấu tạo rotor bên ngoài Hình 1.5 biểu điển mặt cắt dộng cơ một chiều không chỗi

than nam châm vĩnh cửu roler bên ngoài điển lrình

ae

CX

ay

Hình 1.5 Cấu (ao dling co BLDC rotor bên ngoài

Ứng dụng quan trọng nhất dối với động cơ rotor bên ngoài là các truyền động trực tiếp như quạt, máy thôi, dộng cơ trục chink 6 dia cimg HDT Nhiing img dung nay yêu cầu tốc độ rất đều và không đổi, do vậy quán tính cao của rotor bên ngoài là một lợi thể để đạt được điều này

Ngoài ra động cơ BLDC còn được sử dụng cho các phụ tải y độ quay tương đối thấp như: máy ghi am, may nghe nhac VCR, é dia CD va 6 đĩa mém cho máy tính Để đáp ửng với các phụ tải rên người ta thường thiét ké déng eo BLDC

có khe hở đọc trục hoặc động cơ có stator dạng đĩa (hình T.6)

\— Revo (véinam chim vish ci)

Vinh 1.6 Cau tao déng co BLDC kiéu tt ruimg doc true

Ưu điểm chính của những động co nay lá chỉ phi thấp, hình dang phẳng và quay trơn trụ Việc lựa chọn loại động cơ là quyết định thiết kế cơ bản nhái, vì giá thành

của nam châm tương đổi cao, cùng với các vẫn để liên quan đến lấp ráp, giữ nam châm và cuộn đây Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa xác định được cấu tạo nào nên được sử dụng để tối da hóa mật độ năng lượng, hiểu suất và tiếng ồn của động cơ [8] Để nghiên cứu kỹ lưỡng công nghệ đông cơ BI.DC nam châm vĩnh cửu, cân

phải nghiên cứu giá trị tương đối của lừng cầu hình về mật độ công suấi hiệu suất

và mức độ nmg/én

3 Đặc điểm điều khiển của động cơ BLDC

Dé dong eo BLDC hoạt dộng dược phẩt có bộ diễu khiến điện tử Các cuộn dây pha được nổi vi điện theo thứ tụ, do cáo phần tủ chuyển mạch trong biển tắn

thêng qua điều khiến bởi các cảm biển vị trí rotor Do đó sức từ động của stator

(MME) chạy trước so với địch chuyển súc từ động rotor (MMIT) một gác không đổi Các thành phân cơ bản của hệ thống bao gỗnn bộ nguồn, dộng cơ BLDC và tải như hình! 7

Hộ chỉnh lưu: Chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC Lioặc sử dụng trực tiếp nguồn DC (pm, ắc quy )

Nghịch lưu: Bao gồm các khỏa chuyển mạch bán dẫn công suất và các cảm biến

dong điện cùng mạch bao vệ Sơ đỗ mạch nghịch lưu được thể hiện Irong hình 1.8 cho các kết nối hinh sao và hình tam giác

“44h Sasa]

(a) Kết nổi hình sao (bì Kết nếi hình tam giác

Hìmh 1.8 Mạch phần ứng động cơ BLDC được aấp điện thông qua biển tân

Đổi với hoạt đông điều khiển động cơ BLDC, thông thường có hai van bán dân cùng dan một lúc Các van bản dan trong bién tan nhận lệnh từ một hé thong logic được đồng bộ hỏa với các cảm biển vị trí rotor Hình 1.9 cho thây trình tự chuyên

đổi các van ban dan cho dạng sóng dòng điện tương ứng với kết nói hình sao,

Trình tự chuyển mạch van bán dan Kết quả các dạng sóng dòng điện

Hình 1.9 7rình tự chuyển mạch van ban dân và dạng sóng dòng điện tương tỉng

Cảm biến vị trí rotor: Phát hiện vị trí quay của nam châm và gửi mã logic đến

bộ giải mã chuyên mạch đề kích hoạt các mạch điêu khiến van bản dân chuyên đôi

nguồn cấp cho cuộn dây stator động cơ Mô men động cơ được tạo ra thông qua sự

tương tác giữa nam châm vĩnh cửu và đòng điện chạy trong cuộn dây

Nói chung, cảm biến vi tri rotor động cơ BLDC trong thương mai được thực hiện

bởi bộ phân giải và bộ chuyên đổi hiệu ứng Hall Những năm gân đây có nhiều

nghiên cứu cải tiên đẻ loại bỏ sự không cân thiết của bộ chuyên đổi vị trí Đây được gọi là điêu khiên không cảm biên Động cơ không cảm biến có the ap dung trong ti

lạnh, máy điều hỏa không khí, quạt điện và đặc biệt là trong ö đĩa cứng [10]

Động cơ BLDC: Có câu trúc và kích từ khác nhau cho các ứng dụng cụ thẻ như

đã đê cập trong mục 1.1.]

Bộ điều khiển: Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển là giải mã đữ liệu đầu vào

cảm biến vi tri, dé điêu khiên điện áp cung cấp cho biên tan, vân hành vòng điều

khiến tốc độ vả vị trì

1.1.3 Ứng dụng động cơ BLDC trong truyền động trực tiếp

Thông thường, các động cơ điện có tốc độ tứ 1000 đến 3000 vòng/phút được nồi

với hộp giảm tốc, đẻ đạt được yêu cầu tốc độ thấp và mô men xoắn cao (hình 1.10.a) Ngày nay với sự xuất hiện dong co BLDC rotor ngoai da cung cấp một giải

pháp thay thể, đó lả động cơ nồi trực tiếp với tải mã vẫn đảm bảo tốc độ thập vả mô

men xoắn cao nên có thẻ triệt tiêu hộp số trong truyén déng (hinh 1.10.b).

Hình 1.10 a) Hệ truyền động giảm tốc; b) Hệ truyền động trực tiếp

Truyền động trực tiếp có nhiều tu điểm hơn so với truyền động hộp số, phần lớn

đến từ việc đơn giản hóa hê thông truyền động Những lợi thể nảy bao gồm [11][12]:

*⁄_ Giảm chỉ phí bảo dưỡng

*ˆ Độtin cậy cao hơn và động cơ có tuôi thọ lâu hơn

Giảm tiếng ôn - Hộp sé va các bộ phận cơ học khác của hệ thống truyền động như dây đai hoặc ròng rọc là nguồn gây ra tiếng ôn Nên truyền động trực tiếp đã khắc phục được nhược điểm nảy

Ý Hiệu quả cao hơn - Loại bỏ hộp số cũng đồng nghĩa với việc loại bỏ

nguồn tồn that tiêm ân Tôn hao trong hộp số phân lớn sinh ra do ma sát giữa các bảnh răng,

Giảm trọng lượng - Truyền động trực tiếp có thể nhẹ hơn truyền động

thông qua hộp số

Một số vi dụ về truyền động trực tiếp sử dụng, động cơ BLDC rotor ngoài đã chỉ

ra các lợi thế khác biệt so với truyền động qua hộp só

1.1.3.4 Máy giặt

Máy giặt truyền động trực tiếp đang dần thay thể máy giặt thông thường dùng

động cơ điện một chiều hoặc động cơ cảm ứng dẫn động lỏng giặt thông qua dây đai và ròng rọc (hình 1.11.a) Ưu điểm chính của máy giặt truyền động trực tiếp (hình 1.110) đến từ sự triệt tiêu của dây curoa, ròng rọc và cuối cùng là chỏi than của động cơ DC Những thiết bị nảy là những bộ phận yêu của máy giặt vả thường,

là nguyên nhân gây ra hỏng bóc

Đông cơ máy giặt dành cho thiết bị gia dụng thường có công suất nhỏ hơn 1 kW

Lông giặt của máy quay khoảng 50 vỏng/phút trong quả trình giặt và lên đền 1500 vòng/ phút hoặc cao hơn trong quá trình vắt [13] Do đó, động cơ truyền động trực

tiếp của máy giặt được hoạt động trên một dải tốc độ lớn, điều nảy đạt được bằng

cách hoạt động trong điều kiện từ trường yếu Động cơ BLDC được kết nói trực tiếp với lông giặt Động cơ nảy cỏ dạng sỏng sức phản điện động (Back-EMEF) hình

thang và được cung cấp dòng điện hình chữ nhật

Truyền động trực tiếp có trong quạt trần truyền thong, hoạt động dựa trên động

cơ điện không dong bộ xoay chiêu, mức tiêu thụ năng lượng dao động từ 60-8OW, với kích thước động cơ lớn và hiệu suất không quả 50% Vì hiệu suất tháp nên nhiều hãng sản xuất quạt đã nhận thây rằng động cơ điện nam châm vĩnh cửu cỏ

công suất định mức tháp hơn 40-50% so với động cơ không đồng bộ mà vẫn có the

cung cập cùng một lưu lượng giỏ đâu ra Điều đỏ cỏ nghĩa là hệ thông quạt sir dung

động cơ một chiêu không chỏi than nam châm vĩnh cửu (BLDC-hình 1.12) cỏ công, suất khoảng 30-40W sẽ thay thể mức tiêu thụ điện 60-80W ở động cơ không đồng

bộ xoay chiêu Đây là một sự tiết kiệm điện năng rất lớn Hơn nữa, kich thước, khôi

lượng đông cơ BLDC nhẹ hơn nhiều so với đồng cơ không đỏng bộ xoay chiều

Tuy nhiên khi quạt trần hoạt động, cỏ thê nghe thảy tiếng ôn được tạo ra do cánh quạt cắt qua không khi Nguyên nhân gây ra tiếng ôn có thẻ là điện từ hoặc cơ học

[1S] Trong khi đỏ thì bộ điều khiển điện tử được giữ bên ngoài quạt, nên không thể

góp phân tạo ra tiếng ôn trong quạt Vì vậy cân nghiên cửu đề giảm tiếng ôn từ câu

tạo quạt trần để nâng cao chất lượng sử dụng

Hình 1.12 Quạt trần sử đựng động cơ BLDC [16]

1.1.3.3 Mội số ứng dụng khác

Truyền dộng trực tiếp cũng trở nên phổ biển hơn trong các ứng dụng yêu cầu điều khiêu tốc độ và vị trí chính xác Các ứng dụng nay bao gồm rnáy công cụ, bàn quay, radar, kính thiên văn v.v

Đông cơ được sử dụng Irong các ứng dụng nay được gọi lá động cơ sorvo DƠ không chối than với nam châm gắn trên bé mat rotor Động cơ có kích thước từ 100mm đến hơn 2m [17] và có đường kính khe hỗ không khi lớn đẻ cưng cập giá trị

1nÔ Imien xoắn cao,

1.2 Các nghiên cứu trong nước và quốc tê

Mặc đà dông cơ BLDC có nhiều ưu diễm như vậy, nhưng mỏ men đập mạch la một khuyết điểm có hữa và có ảnh hướng lớn đến hoạt động ổn định của hệ thông

truyền động, đặc biệt là ở điều kiện tốc độ thấp [18] Do đó, điều quan trọng là phải

nghiên cửa một phương pháp thiết kế tốt hơn dễ giảm mô men dập mạch trong déng

co BLDG

1.3.1 Cáo nghiên cửu trong, nude

Hiện tại ö Việt Nam, các nghiên cửu về động cơ nam châm vĩnh cửa nói chưng

và động cơ BLDC nói riêng chưa có công bỗ về phương pháp giảm mô men đập mach Cac nghiên cứu dã công bố tập trung vào thiết kế, chế tạo, tối ưu hiệu suất thay cải thiện đặc tính khởi động, có thể tôm lắt một số nghiên cứu:

áo cáo tổng kết dễ tài cấp thành phổ Hà Nội do T8 Bài Đức Hùng chủ nhiệm và cộng sự (2013) [19| đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công động cơ nam châm vính cứu (PMSM) có công suất đưới 1 kW,

T8 Nguyễn Vũ Thanh (201 5) |20| với đề tài luận án TS: “Nghiên cứu thiết kế lối ưu động cơ đồng bộ 3 pha nam châm vĩnh cứu (T.SPMSM)” Trong nghiên cứu, tác g;

trung xem xét thuật toán thiết kể, chế tạo hoàn chỉnh động, cơ dong bộ 3 pha nam cham vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lưới diện, từ đỏ thực hiện tối tu để nâng cao hiệu suất,

hộ số công suất cos@ và giấm thể tích nem châm vĩnh cũu động cơ chế tao leo công nghệ đề xuất

TS Lê Anh Tuân (2018) [21] với đề tài luận án TS: “Nghiên cứu đặc tính động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng của bão hỏa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoái” Trong nghiên cứu, tác giá tập trung đánh giá những yêu tổ, thông số chính ảnh hưởng đến quá trình khởi động Tính toán đặc tính điện căm từ hóa đồng bộ đọc truc (Luu), ngang trục (L„a) của LSPMSM có xét đến ánh hưởng bão hỏa mạch từ và chế tạo động cơ thực nghiệm đặc tỉnh khởi động, hiệu suất và hệ số công suất

cô rất nhiều công trình công bỏ về các phương pháp để giảm mô men đập mạch

Hầu như tất cả công trình nghiên cứu đêu liên quan đến những thay đổi của thiết

động cơ như định bình nam châm, nghiêng nam châm, chiều rộng miệng rãnh nhỏ hơn, tăng Ly lệ rănh/cưe, hỗ sưng các rãnh giá làm giảm số lượng rumm châm lên các

rãnh stator [22], [23] Việc tối tru hóa chiếu rộng miệng rãnh stator là một trong

những phương pháp được sử dụng phổ biên nhất đẻ giảm mö men đập mạch, bao sồm thiết kế chiều rộng miệng rãnh stator thích hợp hoặc thậm chí đóng kin miéng

rãnh Tuy nhiên với một lượng ram châm nhất định trên roLor có thể gây ra tình

trạng chiêu rộng miệng rãnh quá hẹp sẽ khó khăn khi lắp đặt cuộn day stator [24]—

[26]

Hoặc có thế giảm thiêu mô men đập mạch bằng cách ghép nồi các răng stator, tối

tm tỷ lệ cung cực và độ lệch rotor [27] Thực hiện các phân đoạn, địch chuyên, định hình va sắp xếp nam châm không đối xứng là một số phương pháp đã được phân tích đề giảm thiếu mô ren đập rạch [28Ƒ [34] Ba phương pháp chuyển địch nam châm vĩnh cửu, nhân đoạn nam châm vĩnh cửu và phương pháp vật liệu nam châm vĩnh cứu hỗn hợp được nghiên cứu để mô men đập mạch [35], [36]

Trong [37], bến mô hình phân tích để tính toán mê men đập mạch được so sánh

và mô hình miễn phụ được coi là mô hình chính xác nhật Trong [38] nam châm vĩnh cửu cỏ bình dang ở bánh mủ dược dé xuất va mé hinh phản tích dễ giảm mô men đập mạch được phát triển Một số phương pháp bao gốm phân đoạn PM, đưa

vào các rãnh phụ trợ đặc biệt, sử dụng rotor hai phần v.v, được nghiên cứu hoặc

tăng cường khá năng mỏ men dip mạch cho rnột số tng dụng đặc biệt [39] Nghiên cứu tính năng mô men dập mạch tạo ra bởi một PM dơn lễ và dưa ra phương pháp địch chuyển các cực PM theo đơn vị để giảm mô men đập mach nl 10]

mach tir stator và rotor cải tiên [42] Phương pháp phân tích tôi ưu lệch rãnh stator

đề giấm mô men đập mạch được để xuất [43]

Một vải nghiên cửu để nâng cao hiệu năng động cơ 1312C tải quạt gió (quạt trần)

ẻ cặp trong những năm gan đây Thục hiện thiết kế hình đạng cánh

quạt giổng với hình đạng của cánh máy bay để giảm tiêu thụ năng lượng [12]

Nghiên cứu đã chúng mình rằng, bằng cách sử dụng u nhẹ hơn như thép tâm

¡ nắng lương so với vật liệu bằng gỗ Mối liên hệ giữa độ lên

mô men đập mạch với tốc độ động cơ cũng đã chỉ ra, ở tốc độ thấp mô men đập mach the hiện rõ ràng còn ở tốc độ cao, quán tỉnh làm giảm tác dụng của lực đập

mạch Ảnh hưởng của hình dạng lõi stator đổi với hiệu suất động cơ được thực hiện bởi [46] đã chỉ ra rằng cả lõi trỏn và lõi tôi ưu đều tốt hơn trong việc tăng hiệu suất

lên tới 90% so với thiết

TT

TT

Hình 1.13 Hinh dang lõi của động cơ BLDC [46]

Hình 1.13 cho thấy bón thiết kế hình dạng lõi khác nhau của stator:

a Lõi cơ ban

đ Lõi tối ưu

Sự lựa chon tỷ lê số cực và số rãnh cũng ảnh hưởng đến mô men đập mạch trong

máy [47], [48 Nghiên cứu được thực hiện bởi [49] cho thay ảnh hưởng của số lượng cực đến hiệu suất động cơ, như trên hình 1.14, M.Fazil và K.R.Rajagopal kết

luận rằng sử dụng 8 cực là lựa chọn tốt nhất khi xét đến hiệu quả và chỉ phí sản xuất

ficiency (%)

Vide Ung sé luong cuc sé lam lng chi phi san xual do đó cần phải cân nhắc kỹ

tưởng trước khi quyết định số lượng cực được sử đựng Một nghiên cứa khác được

thực hiện béi Li Zhu cing cdc cộng sự chi ra méi quan hệ giữa số cục, số rãnh va đình của mô men đập mạch |48] Theo hình 1.15, giá trị tuô men dip mạch tăng lên khi tỷ lệ số cực nam châm vĩnh cửu và số rãnh tăng lên

táng lên, giá trị mô men đập mạch giảm xuống [50] Ilạn chế của kỹ thuật nảy là

làm cho chỉ phí sắn xuất tăng lên vi khó khăn trong việc từ hỏa hảng loạt nam châm vĩnh cửu, tăng diện cảm ro si, tăng tốn thát phân tán và cũng làm giảm công suất

điện từ của máy [51], [52] Một đề xuất ghép nổi hai loại răng với chiêu rộng khác

nhau có thể làm giảm mỏ men đập mach, do đó giảm được tiếng ôn âm thanh Kết quả thí nghiệm cho thấy việc để xuất ghép nổi răng làm giãm 85% mé men dap mach va Hếng ổn âm (hanh xuống 3,1đB |53|

1.3 Các tổn tại và đề xuất nghiên cứu động cơ BLDC rotLor ngoài

Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giã nhận thấy rằng có rất nhiều phương, pháp nghiên cửu để giảm mỏ men đập ruạch ở động cơ DLDC nham

nâng cao hiệu năng của máy bằng cách tối ưu các thông số thiết kế ở stator và rotor

Thâng thường, các phương pháp hiện quả để giảm mô men đập mạch của PMSM nói chưng va BLDC néi riêng bao gồm nghiệng rãnh, nghiêng nam châm, định hình

trúc răng lệch Lâm, thay đổi

an châm, chiều đảy ram châm không bằng nhau,

hệ số cung cực, thêm rãnh phụ, v.v Tuy nhiên, hâu hết các phương pháp trên chưa

đề cập đến động cơ TL.DC rator ngoài được đề xuất trang luận án

Do cau tric đặc biệt của BLDC rolor ngoài là từ hóa tiếp tuyển, niên hầu hết gác phương pháp đã nêu khó đạt được đổi với câu trúc ca hoe động co BLDC rotor ngoài để xuất trong luận án Một phương pháp mới dựa trên việc ép dụng kết hợp chiêu rộng miệng rãnh và độ phô nam châm để giảm mỗ men đập mạch được để xuất lần đầu tiên trong luận án này Đề cho thây sự cải tiến của phương pháp, động

cơ BLDC rotor ngoài, nam châm gắn mặt trong gông rotor được chọn làm đổi tượng nghiên cứu

Chiều rộng miệng rãnh, độ phủ nam châm là hai thông số đại điện cho stator va

rotor trong mét động cơ Khi lựa chọn các thông số nảy phủ hop sé gdp phản quan trọng trong thiết kế nâng cao luệu năng, cải thiện chất lượng mô men động eơ

Tổ giải bài toán kết hợp được cả 2 thông số với cimg một mục đích giảm mô men đập mạch Tác gia dé xuất hai phương pháp nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu năng cửa máy, đó là: Phương pháp mô hình hóa rnáy điện bằng các hệ phương trình vị phan và phương pháp hiện đại sử đụng phân mềm Ansys Maxwell dé mô phỏng các kết quả tính toán

Luận án lựa chọn phương pháp mô hình hóa mạch từ tương, đương, và giải tích để

nghiên cứu, tỉnh toán giảm mỏ men đập mạch H1LDC Phương pháp PLIIL sẽ được luận ẩm vận dụng đề kiểm chứng các kết quả từ phương pháp mô hình hóa mạch từ

tương đương

1.4 Vật liệu dẫn từ trong động cơ BLDC

1.4.1 Khái niệm mạch từ

1.4.1.1 Khải niệm cơ bản

Mật độ tử thông H, cường độ từ trường H là hai đại lượng véc tơ cơ bản cùng chiêu trong vật liên Đôi với vật liệu nam châm thiết kế động cơ khoảng làm việc

T11 nằm trong vũng tuyên tính vi vậy khi tiến hành thiết kế, xác định khoảng tuyến

tính trong miễn làm việc của động cơ là một trong những bước dầu tiên

Xét khối đơn vị của đối tượng từ như hình 1.16 với các định hướng 1,11 theo

Với 4w; Hệ số từ thâm cửa vật liệu

Trong mô hình đơn vị từ trường cơ bản, hai thông số luôn được xét là mật độ từ

thông và cường độ từ trường cùng với sức lir dong (F — MMF)

m+

đ

dy,

Tình 1.16 Vi phân phần từ don vj vat lide tie [54]

Phat triển mổ hình ở hình 1.16 thành mắng định hướng như hình 1.17, tổng từ thêng ® đi qua đổi tượng bằng tổng từ thông đi qua từng khối đơn vị dd Khi đó từ

thông được tính theo công thức:

Theo các phân tích ở trên B„ = B, giá trị từ thông được tính là:

Với Á là tiết điện

Link 1.17 Khối ví phân theo đam vị độ dài phân tứ vật liệu từ [54]

Kéo đài khối ở hình 1.17 theo phương z eẻ đạng như hình 1.18.

Từ thông đi qua tắt câ các lớp vi phân đz tạo ra các giá trị cường độ từ trường H

tương ứng, Đôi với mạch từ đồng nhật ta có theo biểu thức

Có hai nguồn từ phổ biển là: cuộn dây mang dòng điện và nam châm vĩnh cửu

ải từ Hường sinh ra bởi cuộn dây mạng dòng điện như hữnh 1.19 được quân cruanh

một đối tượng gọi là lõi

Hình 1.19 Cuộn đây được quấn quanh một mẫu vật liệu từ [54]

Từ trường sinh ra bởi đỏng điện trong cuộn dây theo định luật Ampere

Hình 1.20, 7” trưởng sinh ra quanh một thanh dẫn [55]

Áp dụng theo định luật toàn déng điện với N vòng dây của đối tượng như hình

b

Với Ì là chiều dài của cuộn đây theo chiều x

Tử (1.9, (1.10) ta có tích HỊ chính lá sức từ dong (F - MMF) cia dong dign trong cuộn đây, vậy công thức: F = NI chỉnh là công thức tính giá trị nguồn từ của dòng diện trong cuộn dày, tương tự như hiệu diện thể trong mạch diện

Khi mé hình hóa mệt nguên từ như hình 1.21, phải tính toán đến từ dẫn của lãi cuộn đây vi né bi ánh hưởng trực tiếp tính chất từ của vật liệu làm lôi vả giả trị sức điện động được tạo ra với cùng một đòng diện cấp vào

Hinh 1.21 446 hink nguén từ cuộn dây mang dòng điện [55]

1.4.1.3 Phân bố từ thông trong khe hở không khi

động cơ đều có đường sức từ giữa siator và rotor di qua khe hỗ không

i vay việc mô hình hóa để tính toán các thông số từ trường của khe hở không khí là một việc không thể bỏ qua trong quá trình thiết kế

Từ dẫn khe hở không khí được xác định nêu biết các kích thước của mạch từ và

độ lớn khe hở không khi Dại lượng đầu tiên cần thiết cho việc tỉnh từ dẫn khe hở không khi là dộ từ thâm chân không:

Từ dần có thể được tỉnh toán theo ruột Irongr các phương pháp sau:

vˆ Dùng công thức giải tích trên cơ sơ biến đổi các số liệu thục nghiệm bằng toán học Mô hình này thường dùng cho gác khe hở không khí

¥ Thuong pháp phân chia từ trường (Phương pháp Roters) Từ trường của khe hở không khí được chia ra các trường đơn giản và từ din ota nd bang tang các

từ dẫn có trong trưởng dơn giản - công (hức linh từ dẫn ứng với dạng hình lọc cơ bãn.

Tir din này là tích củ từ thâm với tỹ số giữa liết điện và chiều đài rung bình

(hay tý số giữa thê tích và bình phương chiều dài trang bình) của từ thông Từ dẫn

tổng khe hở không khi bằng tổng số các từ dẫn thành phần song song

IIIIIIIIIRIII

IRnh 1.22 Ti avong di qua khe ho khong Hii gitta hai cure [56]

v Tỉnh từ đẫn theo các đường cong thực nghiệm (phương pháp của BUL) Dựa vào các đường cong thực nghiệm về suất từ dẫn rò và tấn, ta dùng các công thức tỉnh sẵn đẻ tính từ đẫn Phương pháp này tiện lợi cho khe hở không khi phúc tạp và sai số của phương pháp là không lớa

Hình 1.23 A⁄ô hình không giản tir din khe ho khong khi |56|

¥ Tinh từ dẫn bằng phương pháp hình vẽ Phương pháp này được sử đụng khi

khe hở khêng khí có dạng phức tạp và cần độ chính xáo cao Phương pháp này chi

xiên sử dụng khi các phương pháp khác không thể thực biện được

1.4.1.4 Phân bồ từ thông trên rãnh

Với các thiết kế BLDC thông thường, rãnh dộng cơ có nhiệm vụ chứa các bối đây để sinh ra từ trường trên các răng Dây quân có tính chất phí từ tính, cho riển lừ thêng không đi qua rãnh mà từ thông đi qua khe hỏ không khí thắng với miệng rãnh như hình 1.25, như vậy lượng từ thông chỉ móc vòng đến các răng qua rãnh

"Nam chẩn vĩnh eine Tấn chấm Vĩnh

Hình 1.25 Đường sức tr trong rénh (a) va phan chia hinh hoc (6) [57]

Trong hình 1.25a gdm céc thanh phan tir din rang với răng và rãnh với răng, đo khá năng dẫn từ cứa khe hớ không khí kém nên các đường sức từ được móc vòng sang các răng do dé kéo đài đường sức từ, đẫn đến sự không đều của giá tri ur dan giữa phân răng với rằng và răng với rãnh trong toàn khe hở khẳng khí

Để đánh giá khả năng kéo đài đường sức lừ trong rãnh, hệ số Carter k, > 1 được đưa ra đề tính toán đến khá năng kéo dai đường sức từ qua khe hớ không khí g„ = keg

Với g: dộ đái của khe hở không khi, g„: dộ dài của quãng dường, bị kéo dải dua ra đần tiên bởi các nghiên cứu của Mukheijiand Neville, 1971; Qishan and Tengzhan 1985

Để đơn gián hóa mô hình tính toán ảnh hưởng của chiều rông miệng rãnh, ta tiếp

cận nguyên lý của F.W Carter khi đưa ra giải pháp cho vẫn để ảnh hưởng của rãnh

stator đề phân tích và thiết kể máy điện nói chung Theo đó, ánh hướng của rãnh siator được thể biện ð chiều đài khe hổ không khí g khi này sẽ trở thành g;