Permanent magnet synchronous motor (Động cơ Đồng bộ nam châm vĩnh cửu)

Cấu tạo Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Permanent magnet synchoronous motors – PMSM là một dạng đặt biệt của máy điện đồng bộ.. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi Rotor máy đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÁY ĐIỆN

ĐỀ TÀI PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR

(ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU)

LỚP: N1HT Giảng viên hướng dẫn: Ts Mai Bá Lộc Sinh viên thực hiện Mã số sinh viên

Đinh Nguyễn Khánh Linh 2248029

Trương Thị Thuý Ngân 2248036

Nguyễn Hoàng Quyên 2248055

Thành phố Hồ Chí Minh – 2025

BẢNG PHÂN CÔNG

Tên MSSV Công việc Tiến độ hoàn

thành

Võ Thị Như Huỳnh 2248022 3 Đặc tính,ưu nhược điểm 100% Đinh Nguyễn Khánh Linh 2248029 4 Mô phỏng 100% Trương Thị Thuý Ngân 2248036 1.Cấu tạo 100% Nguyễn Hoàng Quyên 2248055 2 Nguyên lý 100% Trần Tú Trinh 2248071 4 Mô phỏng 100%

MỤC LỤC

1 Cấu tạo 1

1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi 1

1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn 2

2 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) 4

3 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ : 6

3.1 Ưu điểm 6

3.2 Nhược điểm 7

4 Mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) 7

4.1 Phương pháp chuyển đổi Park-Clark 7

4.2 Sơ đồ khối của điều khiển hướng trường 10

4.2.1 Sơ đồ khối điều khiển định hướng từ thông FOC 10

4.2.2 Điều khiển hướng trường vòng lặp bên trong 10

4.3 Mô hình động lực PMSM 10

4.3.1 Phương trình điện áp của PMSM trong khung tọa độ “abc” 10

4.3.2 Phương trình điện áp và momen trong hệ quy chiếu rotor 11

4.4 Tóm tắt các phương trình 15

1

1 Cấu tạo

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ( Permanent magnet synchoronous motors – PMSM) là một dạng đặt biệt của máy điện đồng bộ

Động cơ đồng bộ thông thường có một cuôn dây phần ứng và cuộn dây quấn kích từ rotor được cấp dòng điện một chiều qua chổi than và vành trượt Đối với động cơ PMSM người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từ một chiều, chổi than vành trượt thành một nam châm vĩnh cửu

Stator sử dụng các lá thép kĩ thuật ghép lại với nhau Bên trong có xẻ rãnh

để đặt lại dây quấn Động cơ có 3 cuộn dây quấn phân tán hình sin trên chu vi sator Ba cuộn dây được cấp 3 điện áp xoay chiều Dạng dòng điện trong cuộn dây là hình sin hoặc gần hình sin Sự phân bố từ thông ở khe hở không khí có dạng hình sin hoặc gần hình sin

Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu được cấu trúc sao cho độ phân

bố tự cảm ( hoặc mật độ từ thông) là hình sin Các thanh nam châm được làm từ đất hiếm ví dụ như Samarium Cobalt (SmCo), Neodymium Iron Boride (NdFeB)

Có suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn bên trong (cực ẩn) hay bên ngoài (cực lồi) lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao Khi làm việc với tốc độ cao thì khe hở không khí giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao như sợ thủy tinh hoặc bắt vít lên các thanh nam châm

Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia ra làm 2 loại: động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi

1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

Rotor máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rotor có thể lớn, trong khi chiều dài nhỏ Rotor thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ độ bền cao Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này Các loại máy này thường được gọi là máy từ trường hướng trục ( rotor đĩa), loại này thường được

sử sụng trong kĩ thuật robot

2

Hình 1.1 Động cơ PMSM cực lồi

1 Lỗi thép sator

2 Rotor

3 Nam châm vĩnh cửu

1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

Rotor của máy điện cực ẩn thường làm từ thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc

Với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không được coi là khe hở không khí đều Trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor

về mặt vật lí coi là không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng bọc cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn từ sao cho sao cho

từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh

mô men của máy điện

3

Hình 1.2: Động cơ PMSM cực ẩn 1- Lỗi thép sator

2- Rotor

3- Nam châm vĩnh cửu

Với yêu cầu của truyền động secvô là vận hành phải êm, do đó cần phải hạn chế momen răng (rãnh) và mô men đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra Để đạt được yêu cầu này người ta tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo truc rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm Kỹ thuật tạo các rotor xiên khá đắt tiền và phức tạp Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các momen điều hòa răng (rãnh) trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác thông số hoạt động như tốc độ, vị trí động cơ

Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển trên stator có các răng, ngày nay ta có thế chế tạo stator không răng Trong trường hợp này dây quấn sator được chế tạo từ bên ngoài sao đó được lồng vào và định vị trong sator Máy điện như vậy sẽ không đạp mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng được không gian cho dây quấn sator, nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng điện định mức của máy điện do đó tăng được công suất máy Nhưng khe hở

4

không khí lớn gây bất lợi cho từ thông nên phải chế tạo rotor có đường kính lớn hơn và bề mặt nam châm lớn hơn Động cơ có nhiều kiểu rotor khác nhau, một số kiểu thường gặp:

Hình 2.3: Các kiểu rotor nam châm cực ẩn vĩnh cửu

2 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM – Permanent Magnet

Synchronous Motor) là một loại động cơ đồng bộ trong đó nam châm vĩnh cửu

được gắn trên rotor để tạo ra từ trường kích từ, thay vì sử dụng dòng điện kích

từ như trong động cơ đồng bộ truyền thống Do vậy, nguyên lý hoạt động của PMSM có một số điểm tương đồng với động cơ đồng bộ, nhưng cũng có những đặc điểm riêng biệt

Khi cấp điện xoay chiều ba pha cho cuộn dây stator, một từ trường quay

được hình thành, có tốc độ góc quay được tính bằng công thức:

n = 60f/p Trong đó:

• n: tốc độ quay đồng bộ (vòng/phút)

• f: tần số nguồn điện (Hz)

• p: số đôi cực của stator

5

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của PMSM

• Stator: Gồm ba cuộn dây được cấp nguồn xoay chiều 3 pha, tạo ra từ trường

quay

• Rotor: Gắn nam châm vĩnh cửu, tạo ra từ trường cố định

• Nguyên lý hoạt động: Từ trường quay của stator tương tác với từ trường

cố định của rotor, tạo ra mômen quay Rotor quay đồng bộ với từ trường stator, đạt tốc độ đồng bộ

Rotor mang theo các nam châm vĩnh cửu, tạo ra một từ trường không đổi,

không quay theo thời gian Khi từ trường quay của stator tương tác với từ trường

tĩnh của rotor, sẽ hình thành mômen dao động Tuy nhiên, giá trị trung bình của

mô men này ban đầu bằng 0, vì từ trường của rotor chưa quay cùng với stator

→ động cơ không thể tự khởi động theo cách thông thường

Để khởi động PMSM, cần đảm bảo rotor đạt đến tốc độ quay bằng tốc độ của từ

trường quay stator – gọi là tốc độ đồng bộ Khi hai từ trường đồng bộ, mômen

trung bình sẽ khác 0, và động cơ sẽ duy trì trạng thái quay ổn định

6

Trong thực tế, có một số phương pháp giúp PMSM đạt được trạng thái đồng bộ hóa:

• Phương pháp truyền thống: sử dụng động cơ sơ cấp kéo rotor quay đến

tốc độ đồng bộ, sau đó nối PMSM vào lưới Phương pháp này cồng kềnh, chi phí cao và ít được sử dụng hiện nay

• Phương pháp phổ biến hiện nay: khởi động đồng bộ có điều khiển

Cuộn dây dập dao động (damper winding) được dùng để tạo mômen như động cơ không đồng bộ trong giai đoạn khởi động Sau đó, nhờ mômen dao động kết hợp với mômen đồng bộ sinh ra từ nam châm, rotor được kéo vào trạng thái quay đồng bộ

Trong quá trình khởi động, mômen do nam châm sinh ra có xu hướng chống lại mômen quay sinh ra từ cuộn dập dao động → tạo mômen hãm Vì vậy, mômen tổng mà stator cung cấp phải đủ lớn để vượt qua mômen hãm, tải cơ khí, và

mômen quán tính để động cơ tăng tốc thành công đến tốc độ đồng bộ

Khi đã đạt tốc độ đồng bộ, từ trường quay của stator và từ trường cố định

của rotor duy trì vị trí tương đối không đổi, tạo điều kiện cho động cơ hoạt động

với hiệu suất cao, mômen ổn định và khả năng điều khiển chính xác

3 Ưu điểm và nhược điểm,đặc tính của động cơ :

3.1 Ưu điểm :

− Có mô-men xoắn gợn sóng thấp nên có thể tạo ra mô-men xoắn không đổi, có khả năng duy trì mô-men xoắn tối đa ở tốc độ thấp

− Hiệu suất cao, sinh nhiệt ít do roto không có cuộn dây

− Kích thước nhỏ và ít cuộn dây hơn tạo nên mật độ năng lượng cao Vì vậy nó tạo ra tốc độ cao ở mức độ ồn thấp, truyền nhiệt cũng tốt hơn và hệ thống làm mát cũng đơn giản

− Không có chổi than nên dễ lắp đặt và chi phí bảo trì thấp

− Nó có thể cung cấp kích thước nhỏ hơn cho các gói cơ khí nhỏ gọn hơn Vì vậy động cơ nam châm vĩnh cửu rất hữu ích cho các công việc công nghiệp

7

− Không cần thêm nguồn điện DC cho nó Nguồn điện xoay chiều được cung

cấp trên stato và nam châm vĩnh cửu nằm trên rôto

3.2 Nhược điểm :

− Cần có bộ truyền động để vận hành và không thể chạy nếu như không có bộ điều khiển

− Chỉ có thể dòng điện phần ứng của stato vì chỉ có một nguồn trong nguồn AC cung cấp cho động cơ trên stato nên để điều khiển động cơ ta phải điều khiển nguồn AC cung cấp trên stato Để thực hiện được việc này cần có một hệ thống phức tạp

− Khó khởi động hơn động cơ cảm ứng xoay chiều do chi phí ban đầu cao

− Dòng điện phần ứng lớn sẽ có thể gây ra sự khử từ ở các cực Buồng từ cũng

sẽ xảy ra sự khử từ do nhiệt độ quá cao và khi động cơ quá tải trong thời gian dài

− Không thể them Ampe bổ sung để làm giảm phản ứng phần ứng của động cơ

3.3 Đặc tính :

Động cơ đồng bộ AC có dạng sóng EMF ngược hình sin và kích thích từ trường được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu Nó có cùng rotor và stato như động cơ cảm ứng, nhưng rotor là nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường Do đó, không cần cuộn dây từ trường trên rotor.

4 Mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Tổng quan về mô phỏng PMSM gồm có 3 phần:

− Phương pháp chuyển đổi Park-Clark

− Sơ đồ khối

− Mô hình hóa động lực học PMSM

4.1 Phương pháp chuyển đổi Park-Clark

Clark-Park là chuyển đổi từ dạng pha abc sang dạng trục thực, trục ảo Công thức biến đổi Clark-Park thuận

Căn chỉnh vecto pha a theo trục d

8 Công thức biến đổi Clark-Park nghịch đảo

Căn chỉnh vecto pha a theo trục q

9

10

4.2 Sơ đồ khối của điều khiển hướng trường

4.2.1 Sơ đồ khối điều khiển định hướng từ thông FOC

Vòng lặp bên trong dùng để điều khiển dòng điện và vòng lặp bên ngoài dùng để điều khiển tốc độ Bộ quan sát bộ mã hóa dùng để quan sát tốc độ và vị trí của động cơ

4.2.2 Điều khiển hướng trường vòng lặp bên trong

4.3 Mô hình động lực PMSM

4.3.1 Phương trình điện áp của PMSM trong khung tọa độ “abc”

𝑉𝑎𝑏𝑐𝑠 = 𝑖𝑎𝑏𝑐𝑠𝑅 +𝑑𝜆𝑎𝑏𝑐𝑠

𝑑𝑡 liên kết thông lượng 𝜆 = 𝐿𝑠𝑖𝑎𝑏𝑐𝑠 + 𝜆𝑚 Trong đó Ls là ma trận độ tự cảm và iabcs là vector dòng điện Stator và Am là tác động của nam châm vĩnh cửu lên cuộn dây stator Giá trị độ tự cảm phụ thuộc vào vị trí rotor và không phải hằng số

Dạng tổng quát của ma trận điện cảm

11

(trong đó L là độ tự cảm và M là độ tự cảm tương hỗ)

Ở đây chúng ta đã chia nhỏ độ tự cảm thành độ rò rỉ Lis và độ tự cảm từ hóa Lms

Tài liệu tham khảo: Phân tích máy móc điện và hệ thống truyền động của Paul

C Krause

Trong đó 𝜆𝑚′ là biên độ của các liên kết từ thông được thiết lập bởi nam châm

vĩnh cửu khi nhìn từ các cuộn dây pha stator và L A L B là các thông số phụ thuộc

vào đặc tính hình học và từ tính của động cơ

4.3.2 Phương trình điện áp và momen trong hệ quy chiếu rotor

Chuyển đổi biến từ hệ abc sang hệ dq0 bằng cách sử dụng phép biến đổi Clark-Park:

Nhân cả hai vế với ma trận [P]:

Áp dụng quy tắc chuỗi trong vi phân:

12

Khi đó:

- Khai triển và đơn giản hóa

Ma trận biến đổi [P]:

Ma trận nghịch đảo [P-1]:

Đạo hàm theo thời gian của [P-1]:

Với 𝜔𝑒 =𝑑𝜃

𝑑𝑡 ( tốc độ điện)

=>

13

Phương trình điện áp và momen xoắn trong rotor

Phương trình điện

Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và tốc độ điện: Tốc độ động cơ học có liên quan như một hàm số của cực máy p

𝜔𝑒 =𝑃

2𝜔𝑚

14

- Phương trình momen điện từ

Công suất vào = Công suất ra + Tổn hao

Thay thế các phương trình điện áp vào phương trình

Sử dụng quan hệ giữa tốc độ cơ và tốc độ điện và đồng nhất các hệ số

Trong đó:

Tổn hao do điện trở:

Công suất cơ học:

Sự thay đổi năng lượng từ trường tích trữ:

Suy ra:

Momen điện trường

- Phương trình động học của trục động cơ

Áp dụng định luật II Newton cho hệ cơ học quay:

Trong đó:

𝐽𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙: Moment quán tính tổng mà trục động cơ cảm nhận được

𝑏: Hệ số ma sát nhớt

15

𝑇𝑀: Moment cơ học do động cơ tạo ra

𝑇𝐿: Moment nhiễu từ tải

- Phương trình cơ học

4.4 Tóm tắt các phương trình

* Phương trình điện

* Mối quan hệ giữa tốc độ cơ học và tốc độ điện

𝜔𝑒 =𝑃

2𝜔𝑚

* Phương trình moment điện từ

𝑇𝑚 = (𝑃

2)3

2(𝜆𝑑𝑖𝑞 − 𝜆𝑞𝑖𝑑) 𝜆𝑑 = 𝐿𝑑𝑖𝑑 + 𝜆𝑃𝑚 ; 𝜆𝑞 = 𝐿𝑞𝑖𝑞

* Phương trình cơ học

𝑑𝜔𝑚

𝑑𝑡 =

1

𝐽𝑡𝑇𝑀 −

1

𝐽𝑡𝑇𝐿 −

𝑏

𝐽𝑡𝜔𝑚

𝐽

𝐽

𝑏

1

1

𝑑𝑡

16

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 https://www.youtube.com/watch?v=uj2mu1KN3iM

2 https://www.slideshare.net/slideshow/luan-van-mo-phong-dong-co-dong-bo-nam-cham-vinh-cuu-hay/159360162

3 https://www.scribd.com/document/555618256/123doc-dieu-khien-nang-cao-hieu-suat-he-truyen-dong-dong-co-dong-bo-nam-cham-vinh-cuu