Nghiên cứu phương pháp thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kw khởi động bằng dây quấn lồng sóc

Tuy nhiên nhược điểm của động cơ loại này là hiệu suất và hệ số công suất còn thấp so với động cơ đồng bộ dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng điện chưa cao.. Việc sử dụng động cơ đồng bộ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn là TS Bùi Đức Hùng Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, tính toán được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, và cũng được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình

Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2013

Tác giả

Hồ Song Hào

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU TỪ DÙNG CHẾ TẠO NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 12

1.1 Tìm hiểu về vật liệu từ dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu 12

1.1.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứng 14

1.1.2 Một số loại vật liệu từ cứng dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu 17

1.1.3 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu từ cứng đến tính năng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 18

1.2 Ứng dụng của vật liệu từ trong ngành chế tạo máy điện 21

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 23

2.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 23

2.2 Tổng quan về thiết kế, chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên thế giới và trong nước 26

2.2.1 Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ở một số hãng trên thế giới 26

2.2.2 Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tại Việt Nam 34

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT ĐẾN 1KW KHỞI ĐỘNG BẰNG DÂY QUẤN LỒNG SÓC 35

3.1 Các thông tin cần thiết cho thiết kế phần điện động cơ 35

3.2 Tính toán, thiết kế stato động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc 35

3.2.1 Sự ảnh hưởng của hình dạng răng rãnh tới tính năng động cơ điện 35

3.2.2 Tính toán stato động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến

1kW 39

3.3 Tính toán, thiết kế roto động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1 kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc 53

3.3.1 Ảnh hưởng của cấu trúc roto nam châm vĩnh cửu 53

3.3.2 Phân tích thông số chính ảnh hưởng đến việc tính toán mạch từ roto 58

3.4 Ví dụ tính toán thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất 370W khởi động bằng dây quấn lồng sóc 60

3.4.1 Tính toán các thông số cơ bản 61

3.4.2 Tính toán stato 61

3.4.3 Tính toán roto 67

3.4.4 Tính toán mạch từ 75

3.4.5 Tính toán các tham số của động cơ 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ls Chiều dài tính toán của lõi thép stato

kD Hệ số kết cấu, tỷ lệ giữa đường kính trong và đường kính ngoài

W Tải nhiệt cho phép của động cơ

 Điện trở suất của vật liệu dẫn điện

hgS Chiều cao gông stato

h4s Chiều cao miệng rãnh stato

b4S Chiều rộng miệng rãnh stato

Bg Mật độ từ thông trong gông

hrS Chiều cao rãnh stato

kZ Hệ số bão hòa răng

x1, x2 Điện kháng tản dây quấn stato, roto

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình1.1 Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng 12 Hình 1.2 Những tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu 14

Hình 2.1 Nguyên lý cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 24 Hình 2.2 Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm

được gắn chìm bên trong roto

Hình 2.5 Hình dáng và kích thước động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu loại hiệu suất cao 13÷22kW

33

Hình 3.5 Quan hệ  = f(Pđm) của động cơ điện công suất nhỏ 3 pha

Hình 3.11 Các kiểu roto sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu khởi động trực tiếp từ điện áp lưới công nghiệp

54

Hình 3.12 Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-a 55 Hình 3.13 Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-a 56 Hình 3.14 Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-b 56 Hình 3.15 Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-b 57 Hình 3.16 Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-c 57

Hình 3.17 Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-c 58 Hình 3.18 Ví dụ về đường đặc tính momen - tốc độ lúc khởi động 59

Hình 3.21 Đường cong khử từ của vật liệu N35 theo nhiệt độ 68

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đó là nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng lên Phần lớn điện năng tiêu thụ thuộc về các hệ thống truyền động điện mà chủ yếu ở đây là các loại động cơ điện khác nhau Hiện nay các động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động kể trên, đó là vì chúng có kết cấu đơn giản, dễ dàng vận hành bảo dưỡng, giá thành thấp và độ tin cậy tương đối cao Tuy nhiên nhược điểm của động cơ loại này là hiệu suất và hệ số công suất còn thấp so với động cơ đồng bộ dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng điện chưa cao

Để khắc phục nhược điểm trên của động cơ không đồng bộ thì người ta cân nhắc đến việc sử dụng động cơ đồng bộ có hiệu suất và hệ số công suất cao để thay thế Song do có nhược điểm là cấu tạo phức tạp, có chổi than - vành trượt nên khó khăn trong vận hành bảo dưỡng, độ tin cậy không cao, nhất là các khu vực dễ cháy

nổ

Việc sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một giải pháp có khả năng giải quyết được nhược điểm của cả hai loại động cơ trên Hiện nay động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh và dần dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động Nhờ sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu sản xuất nam châm vĩnh cửu nên chất lượng, hiệu suất và hiệu năng động học của động cơ loại này ngày càng được nâng cao

Tuy vậy ở Việt Nam hiện nay, nhiều tài liệu của các tác giả uy tín đã công bố cũng chỉ mới chủ yếu tập trung nghiên cứu về thiết kế điện từ, còn các vấn đề liên quan đến kết cấu, công nghệ chế tạo… hầu như được đề cập đến một cách hết sức khái quát [1] Việc triển khai nghiên cứu, thiết kế và chế tạo loại động cơ này trong nước để trở thành thương phẩm là điều rất cần thiết Trên cơ sở phân tích trên, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp thiết kế Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc”

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là đi sâu vào tìm hiểu phương pháp tính toán, thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ dưới 1kW, bao gồm: cách lựa chọn các kích thước cơ bản, tính toán thiết kế các bộ phận chính của động cơ, tính toán các thông số và tham số của động cơ

3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ dưới 1kW, khởi động bằng dây quấn lồng sóc

4 Phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu về vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu dùng trong động cơ, tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và đưa ra phương pháp tính toán thiết

kế

5 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu phương pháp thiết kế và tính toán được động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông qua thực tế và tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU TỪ DÙNG CHẾ TẠO NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 1.1 Tìm hiểu về vật liệu từ dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu

Vật liệu được dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu gọi là vật liệu từ cứng

Đây là loại vật liệu sắt từ có đặc điểm là khó khử từ và khó từ hóa Có thể hiểu ý

nghĩa của từ cứng là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa của vật liệu từ, chứ

không phải là lý tính của nó

Hình1.1 - Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ được phát hiện và sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người Người Trung Quốc khẳng định rằng từ đời Hoàng Đế (trị vì Trung Quốc từ những năm 2698 TCN đến 2599 TCN), đã biết chế tạo các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng Chúng là các loại đá nam châm có khả năng hút được sắt và định vị theo hướng Bắc-Nam Sử sách đầu tiên ghi chép việc chế tạo các la bàn loại này là đầu đời Nhà Chu (những năm 1046-771 TCN) và la bàn đã xuất hiện nhiều từ thế kỷ thứ 7 trước công nguyên (đồng thời xuất hiện ở Hy Lạp và Trung Quốc) Các kim chỉ nam dùng trong la bàn là một dạng của vật liệu từ cứng,

đó là một loại của ôxit sắt - Fe3O4 [8]

Các vật liệu từ cứng được dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu (dạng thương phẩm) xuất hiện lần đầu tiên vào những năm từ 1740 ÷ 1750 ở châu Âu và thực sự phát triển mạnh mẽ từ cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 đến nay

Quá trình phát triển của các loại nam châm vĩnh cửu bắt đầu từ những năm đầu của thế kỷ 20, đầu tiên là vật liệu thép từ Nó chính là vật liệu từ đầu tiên được phát triển để sử dụng cho các thiết bị cơ điện trong những năm 1930 Đây là hợp kim gồm nhôm – niken- coban AlNiCo Tuy nhiên mặt hạn chế chính của hợp kim này là lực kháng từ thấp [4]

Bước tiếp theo là sự phát triển của nam châm vĩnh cửu sử dụng để chế tạo các cực từ (chủ yếu là loại SRO 6 (hay Fe2O3)) trong những năm 1950 Loại vật liệu này có giá rẻ hơn đáng kể mà lại có lực kháng từ cao hơn và năng lượng từ B.H nhiều hơn so với các vật liệu trước đó Cho đến ngày nay, đây vẫn được coi là vật liệu nam châm hàng đầu nhờ có hiệu suất cao và được sử dụng chủ yếu để chế tạo loa phóng thanh và động cơ một chiều công suất nhỏ Động cơ nam châm vĩnh cửu công suất lớn cũng đã được chế tạo nhưng do mật độ cảm ứng từ dư tương đối thấp nên khó đạt được từ thông khe hở không khí đủ lớn cho những động cơ hiệu suất cao [4]

Cột mốc quan trọng tiếp theo trong tiến bộ về nam châm vĩnh cửu là sự phát hiện nam châm coban kết dính có đất hiếm khoảng năm 1970, đặc biệt là hợp kim SmCo Nó có thể cung cấp độ cảm từ dư và lực kháng từ cao hơn nhiều lần so với vật liệu sắt từ đang được sử dụng lúc đó.Những nam châm có đặc tính và phạm vi khử từ thuận nghịch lớn (cường độ lực kháng từ Hc cao) sẽ là sự lựa chọn tốt hơn cho các máy cần hiệu suất cao Tuy nhiên, do giá của nguyên liệu này quá cao nên

bị hạn chế sử dụng quy mô lớn Do đó cần đòi hỏi những nỗ lực lớn hơn để tìm thấy một loại vật liệu nam châm đặc tính tốt và giá rẻ Vào năm 1983 người ta đã tìm ra sắt-bo nam châm NdFeB NdFeB rẻ hơn SmCo và mật độ năng lượng thậm chí còn cao hơn, tuy nhiên NdFeB không phải lúc nào cũng tốt hơn do nó chỉ ổn định ở nhiệt độ thấp, mặt khác độ phản ứng của nó còn gây ra một số vấn đề về ăn mòn

Nhận thấy vật liệu sắt từ có thể bị tổn hao do dòng điện xoáy Do đó người ta khắc phục bằng cách nhúng bột đất hiếm trong nhựa thông, có tác dụng làm nam châm mềm dẻo, cao su (cũng được sử dụng với bột sắt từ) Hình 1.2b cho thấy chất lượng đường cong trễ của một số loại nam châm phù hợp cho các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Hình 1.2a minh họa sự tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu [4]

Hình 1.2 - Những tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu a) Quá trình phát triển, b) So sánh về cảm ứng từ dư và lực kháng từ

Hiện nay với hiệu suất cao, nam châm đất hiếm được sử dụng phổ biến, rộng rãi trong động cơ nhỏ, đặc biệt là các ổ đĩa cứng Các ứng dụng của nam châm đất hiếm trong các thiết bị điện đã trở nên phổ biến với các ổ đĩa servo, trong khi với máy đồng bộ lớn hơn là chỉ mới giới thiệu thương mại [4]

ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao Điều kiện tối thiểu là trên

100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn

Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường được biết đến qua công thức [8]:

Trong đó:

 Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với K1 là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, Is là từ độ bão hòa

 Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N1, N2 là thừa số khử từ

đo theo hai phương khác nhau

 Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với λs là từ giảo bão hòa, τ là ứng suất nội

Và a, b, c lần lượt là các hệ số đóng góp

1.1.1.2 Tích năng lượng từ cực đại

Tích năng lượng cực đại là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật liệu từ Đại lượng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng J3

m Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ (xem hình 1.1) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và cường độ từ trường H là cực đại Vì thế, tích năng lượng

từ cực đại thường được ký hiệu là (B.H)max

Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lượng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thường dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ):

Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ Một

số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao nhất hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ Curie từ 500°C đến trên 1000°C

Ở đây, B là cảm ứng từ, H là cường độ từ trường, M là độ từ hóa Vậy tồn tại

trường vô hướng Vm gọi là thế vô hướng từ (đóng vai trò tương tự điện thế trong tĩnh điện học), thỏa mãn:

H = - .Vm

 2

.Vm = -ρm

với ρm là mật độ từ tích hiệu dụng (đóng vai trò tương tự mật độ điện tích trong tĩnh điện học):

ρm = -  M 1.1.2 Một số loại vật liệu từ cứng dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu 1.1.2.1 Hợp kim AlNiCo

Là hợp kim được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu, có thành phần chủ yếu

là nhôm (Al), niken và côban (Co), có thể có thêm các thành phần phụ gia như đồng (Cu), titan (Ti), Hợp kim này có từ dư cao, nhưng có lực kháng từ khá nhỏ (thường không vượt quá 2 kOe) và có giá thành cao

1.1.2.2 Vật liệu từ cứng ferrite

Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari (BaFexO), stronsti (SrFexO)

và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ Lanthannium (La)) để cải thiện tính

từ cứng Ferrite là vật liệu có 2 phân mạng từ bù trừ nhau, và chứa hàm lượng ôxi lớn nên khó tạo ra từ độ lớn, nhưng lại có lực kháng từ lớn hơn rất nhiều so với AlNiCo Lực kháng từ của ferrite có thể đạt tới 5 kOe Ferrite có điểm mạnh là rẻ tiền, chế tạo dễ dàng và có độ bền cao Vì thế nó chiếm phần lớn thị phần nam châm thế giới (tới hơn 50%) dù có phầm chất không phải là cao

1.1.2.3 Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm

Điển hình là hai hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu

từ cứng, do đó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên thường sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao) Tuy nhiên, nhược điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm

(312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt được Nam châm đất hiếm có tích năng lượng từ kỷ lục là Nd2Fe14B đạt tới 57 MGOe

1.1.2.4 Hợp kim FePt và CoPt

Bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1950s Hệ hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu điểm là

có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao Loại hợp kim này hiện nay đang được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng

1.1.2.5 Nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi

Loại vật liệu được bắt đầu phát triển từ những thập kỷ 90 của thế kỷ 20, với cấu trúc tổ hợp của 2 loại vật liệu: vật liệu từ mềm cung cấp từ độ bão hòa lớn, vật liệu từ cứng cho lực kháng từ cao, và các hạt tổ hợp ở kích thước nanomet, có liên kết trao đổi với nhau, tạo ra tính chất tổ hợp và sẽ cho loại nam châm mới với tính

từ cứng tuyệt vời, lớn hơn tất cả các vật liệu từ cứng đã biết Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại, các tính chất đạt được trong thực tế còn thua xa dự đoán lý thuyết do chưa tạo được cấu trúc hoàn hảo như dự đoán Loại vật liệu này vẫn trong giai đoạn nghiên cứu phát triển

1.1.3 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu từ cứng đến tính năng của động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Một trong những điểm quan trọng nhất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cực từ chế tạo từ vật liệu từ cứng, đã được từ hóa thành nam châm vĩnh cửu Như đã phân tích ở trên, vật liệu từ cứng để chế tạo nam châm vĩnh cửu hiện nay cũng rất đa dạng và nhiều loại có tích trữ năng lượng lớn Tuy nhiên, loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất hiện nay là NdFeB có cấu trúc tinh thể là tứ giác Để tạo ra vật liệu từ cứng tốt, người ta thường phải tạo ra nó gồm các hạt có cấu trúc đơn đômen, tức là mỗi hạt chỉ là một đômen từ tính, và cơ chế đảo từ sẽ là cơ chế quay kết hợp các mômen từ (cơ chế quay - rotation mechanism) hoặc cơ chế hãm sự phát triển của mầm đảo từ (nucleation field mechanism)

Hình 1.3 - Cấu trúc tinh thể của NdFeB

Với cùng loại vật liệu, tùy theo cách chế tạo nhà sản xuất đưa ra các sản phẩm với các tính năng khác nhau như mật độ từ dư (residual flux density), lực kháng từ (coercive force), năng lượng cực đại (maximum energy product) hay nhiệt

độ làm việc Bảng 1.1 dưới đây giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan khi lựa chọn vật liệu cho phù hợp với thiết kế sản phẩm

Bảng 1.1 - Một số loại vật liệu từ cứng làm nam châm vĩnh cửu và tính năng

Trên Bảng 1.1 nhận thấy, cùng vật liệu đất hiếm Nd2Fe14B có thể cho ra tới

35 loại sản phẩm với các tính năng khác nhau Căn cứ vào đó có thể lựa chọn được vật liệu phù hợp cho công việc thiết kế, để động cơ có các đặc tính theo yêu cầu

Tùy theo cấp cách điện lựa chọn và môi trường làm việc của động cơ mà một thông số quan trong phải lựa chọn đó là nhiệt độ làm việc của vật liệu Điều đó có nghĩa là vật liệu phải không được biến đổi tính chất nếu nhiệt độ sản phẩm đạt tới

ngưỡng giới hạn rong quá trình làm việc Bảng 1.2 cho biết nhiệt độ làm việc của một số vật liệu từ cứng dùng làm nam châm vĩnh cửu có thể được lựa chọn cho thiết

kế động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu Nhiệt độ làm việc còn được sử dụng trong quá trình xây dựng công nghệ chế tạo sản phẩm như nhiệt độ sấy để khô keo dán nam châm vĩnh cửu vào giá đỡ trên rôto

Bảng 1.2 - Nhiệt độ làm việc của một số loại vật liệu từ cứng

Vật liệu o Nhiệt độ làm việc lớn nhất

1.2 Ứng dụng của vật liệu từ trong ngành chế tạo máy điện

Trong chế tạo máy điện nói chung và chế tạo máy điện quay nói riêng thì vật liệu chiếm một vai trò đặc biệt quan trọng và chiếm tỷ trọng lớn nhất trong giá thành sản phẩm Vật liệu chế tạo bao gồm: vật liệu tác dụng (vật liệu từ, vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện) để hình thành nên hệ thống mạch từ và mạch điện (hai mạch cơ bản tạo nên máy điện) và vật liệu kết cấu (gang xám, nhôm, chất dẻo…) để chế tạo vỏ máy, hộp đấu dây, quạt gió… và các chi tiết kết cấu liên quan

Vật liệu từ chiếm khối lượng lớn nhất trong vật liệu tác dụng, nó giúp hình thành nên mạch từ, dẫn từ thông và là yếu tố quyết định cho sự vận hành của máy Tính năng của vật liệu từ quyết định đến công suất, hiệu suất, tổn hao trong máy và kích thước cũng như khối lượng máy, vì vậy nó đóng vai trò đặc biệt quan trọng

Vật liệu từ dùng trong chế tạo động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm vật liệu từ chế tạo lõi thép stato và vật liệu từ chế tạo lõi thép rô to Lõi thép

stato được sử dụng vật liệu chính là thép kỹ thuật điện – vật liệu từ mềm Lõi thép

rô to gồm hai phần: phần khung là vật liệu từ mềm có thể là các loại thép hợp kim

có hàm lượng các bon thấp hoặc cũng có thể sử dụng thép kỹ thuật điện;phần tạo từ trường chính là các thanh nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các loại đất hiếm – nhóm này thuộc nhóm vật liệu từ cứng

Kết luận:

 Vật liệu từ là thành phần cơ bản, là vật liệu tác dụng chiếm phần lớn khối lượng của động cơ và có vai trò quyết định đến kích thước, khối lượng và tính năng của sản phẩm thiết kế Việc nắm vững tính chất của vật liệu sẽ giúp người thiết kế lựa chọn được chủng loại vật liệu phù hợp cho sản phẩm đồng thời cũng xây dựng được các phương án công nghệ hợp lý trong quá trình chế tạo sản phẩm

 Vật liệu từ tại Việt Nam chưa chế tạo được để đáp ứng chế tạo sản phẩm trong nước, hoàn toàn phải nhập ngoại Trên cơ sở đó, chương 1 đã tổng hợp những loại vật liệu từ hiện tại đang được sử dụng trong ngành chế tạo máy điện tại Việt Nam và những tính năng cơ bản của chúng, từ đó tạo thuận lợi cho việc lựa chọn

 Chương 1 cũng đi sâu phân tích kỹ về vật liệu từ cứng được dùng trong chế tạo nam châm vĩnh cửu trên cơ sở tổng hợp từ các tài liệu tham khảo Đây cũng

là những loại vật liệu có thể lựa chọn và dễ dàng mua được trên thị trường Việc đưa ra các bảng tra cứu về các loại vật liệu từ cứng và tính năng của chúng cũng sẽ góp phần quan trọng giúp người thiết kế thuận lợi hơn trong quá trình lựa chọn vật liệu chế tạo cực từ cho động cơ

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Hiện nay động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh

và dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động Với sự phát triển nhanh và mạnh của nam châm vĩnh cửu đất hiếm như SmCo và NdFeB không những nâng cao được hiệu suất động cơ đồng bộ mà còn nâng cao được mật độ công suất, chất lượng và hiệu năng động học Giá thành của vật liệu đất hiếm cũng ngày càng giảm và công nghệ định dạng nam châm vĩnh cửu cũng ngày càng thuận lợi hơn, khiến cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng trở nên phổ biến

Với những tiện ích do động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cử đem lại, trên thế giới động cơ loại này đã được nghiên cứu chế tạo thành công với rất nhiều sản phẩm có công suất từ nhỏ đến lớn [6], [7] Tính năng kỹ thuật của các loại động

cơ này cũng đã được các hãng chế tạo máy điện nổi tiếng trên thế giới như Siemens, ABB, General Electric,… cải tiến thiết kế tối ưu [1] Các sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của ngành kinh tế như: công nghiệp, nông nghiệp, y tế, quân sự, giao thông,… cũng như dân dụng

Bên cạnh công nghệ chế tạo, vật liệu mới cũng được nghiên cứu sâu để áp dụng vào máy điện, nhằm nâng cao hiệu suất, giảm trọng lượng, nâng cao chất lượng điều khiển trong hệ thống truyền động điện

Ở Việt Nam, hiện nay chưa có một đơn vị nào nghiên cứu chế tạo một cách hoàn chỉnh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu để loại động cơ này trở thành thương phẩm cạnh tranh được trên thị trường với các sản phẩm cùng loại của nước ngoài

2.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hiện nay động cơ xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc đặc biệt phổ biến vì cấu tạo đơn giản, chi phí sản xuất thấp và ít bảo trì Tuy nhiên hạn chế của chúng là tốc độ làm việc thấp hơn tốc độ từ trường quay và hệ số trượt thay đổi phụ thuộc vào tải, nghĩa

là khi tải tăng sẽ làm tốc độ giảm xuống Do đó động cơ không đồng bộ roto lồng

sóc không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi điểu khiển chính xác tốc độ và vị trí như hệ thống servo Nhưng tốc độ của động cơ đồng bộ có thể kiểm soát được một cách chính xác bằng cách thay đổi tần số của từ trường quay, gọi là tốc độ đồng bộ Tuy nhiên động cơ đồng bộ lại có nhược điểm là chi phí sản xuất và bảo trì cao

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu loại bỏ được việc sử dụng các chổi than - vành trượt để kích từ nên giảm được chi phí bảo trì và tổn thất trong roto Do kích thước nhỏ gọn và mật độ momen xoắn cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, trong hệ thống truyền động hiệu suất cao như máy CNC, robot và các hệ thống sản xuất tự động trong ngành công nghiệp

Theo cấu tạo của roto, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể phân thành 2 loại là:

- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn trên bề mặt roto (hình 2.1 a)

- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn chìm bên trong roto (hình 2.1 b)

Hình 2.1 – Nguyên lý cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt Bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn với rôto (khối quay) đã tạo ra mật

độ thông lượng lớn và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mật độ mômen quay tốt hơn Mắt khác động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn chìm bên trong roto dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở cộng thêm vào mômen vốn

có do nam châm sinh ra (hình 2.2) Đặc tính này khiến động cơ có khả năng sinh mômen rất cao Mặt khác, động cơ này cũng có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ

Hình 2.2 – Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn

chìm bên trong roto

Ưu điểm và khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một loại động cơ hiệu suất cao có những đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm ứng xoay chiều thông thường

Ứng dụng điển hình sẽ là những ứng dụng có mômen quay cao, như thang máy, cần trục, trục quay Tuy nhiên, động cơ này cũng tạo ra những ưu thế cho

những ứng dụng tiêu thụ năng lượng lớn, như trong quạt, bơm và máy nén công suất lớn

Trong những ứng dụng mômen quay lớn, động cơ này đem lại rất nhiều lợi ích Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ

Đối với thang máy, động cơ này giúp tiết kiệm không gian nhờ được lắp trong trục thang máy Điều khiển tốc độ cũng được tăng cường, điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần trục

Về kích thước thì so với một động cơ cảm ứng xoay chiều chuẩn, kích thước vật lí của động cơ này chỉ bằng 1/3

Ngoài ra, động cơ này còn được ứng dụng trong công nghiệp ôtô điện Nó có thể chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có trong ắc quy thành động năng cung cấp cho ô tô (so với 64.6% của các loại động cơ khác)

Đồng cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu sẽ không thể tự khởi động được Do đó phải áp dụng các biện pháp khởi động giống như đối với động cơ đồng

bộ thông thường Song trong đề tài này chỉ xét động cơ đồng bộ công suất đến 1kW nên chọn phương pháp khởi động dùng quân quấn lồng sóc Đây là phương pháp khởi động rất đơn giản và lại thích hợp được với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mà đề tài đang nghiên cứu

2.2 Tổng quan về thiết kế, chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên thế giới và trong nước

2.2.1 Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ở một số hãng trên thế giới

2.2.1.1 Hãng VEM – Đức

Một số nét chính trong thiết kế mới loại động cơ đông bộ nam châm vĩnh cửu của hãng VEM như sau:

VEM là hãng đã đi sâu vào nghiên cứu chế tạo các loại động cơ gồm:

- Động cơ tiết kiệm năng lượng

- Động cơ công suất cao

- Động cơ momen

Đặc tính kỹ thuật của động cơ tiết kiệm năng lượng PE1R/PE0R:

- Dải công suất: 0,09 – 75 kW

- Dải công suất: 0,25 – 75 kW

Những ưu điểm nổi bật:

- Hiệu suất năng lượng tốt nhất

- Ít rung đối với vỏ gang xám

- Nhỏ gọn với kích thước giảm tối thiểu

- Ít tiếng ồn, độ tin cậy cao khi vận hành

- Kiểu dáng hiệ đại với loại P21R/P20R

- Đặc trưng cho vùng khí hậu theo tiêu chuẩn IEC 721-2-1 Đặc tính kỹ thuật của động cơ đồng bộ momen P2.F/P2.B:

- Dải công suất: 12 – 471 kW

- Các động cơ của hãng VEM đều tuân thủ các Tiêu chuẩn và Quy tắc thông dụng sau đây:

Bảng 2.1 - Các Tiêu chuẩn và Quy tắc thông dụng trong chế tạo máy điện quay

Máy điện quay, dãy và định dạng EN 600341 IEC 600341

IEC 60085 Động cơ không đồng bộ 3 pha đơn tốc – hiệu

suất

IEC

60034-30 Máy điện quay, phương pháp xác định hiệu suất

và tổn hao

DIN EN 2-1

60034-IEC

60034-2-1 Động cơ đồng bộ 3 pha thông dụng, kích thước

và công suất tiêu chuẩn với chiều cao tâm trục

Bảo vệ nhiệt độ IEC

60034-11 Máy điện quay, phương pháp làm mát EN 60034-6 IEC 60034-6

- Nhãn máy: Trên nhãn máy ghi các thông số cơ bản như kiểu thiết kế, số sản xuất, công suất, điện áp, dòng điện, tốc độ, hiệu suất, hệ số công suất, cấp cách điên, cấp bảo vệ,… Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu thì các thông số còn được mở rộng liên quan đến bộ biến đổi lắp cùng động cơ

- Kích thước và kết cấu: động cơ có thể có các kiểu cấu trúc IM B3, IM B35

và IM V1 song sự quan hệ giữa các kích thước phải theo các tiêu chuẩn thiết kế cơ bản

- Nhiệt độ làm việc: đối với tất cả các động cơ của VEM thì dải nhiệt độ làm việc từ -200C đến 400C Động cơ có thể thiết kế để làm việc với nhiệt độ từ -400

C song phải được đặt hàng Trong trường hợp lắp đặt tại vị trí có độ ẩm cao hoặc có hơi nước thì phải sử dụng thiết bị sấy nóng hoặc hút ẩm để đảm bảo yêu cầu cần thiết

- Công suất ra: Được thiết kế theo tiêu chuẩn DIN EN 60034-1 làm việc ở nhiệt độ dưới 400C và độ cao dưới 1000m so với mực nước biển

- Điện áp và tần số danh định: ở phiên bản tiêu chuẩn, động cơ được cấp nguồn từ lưới với cấp điện áp 400V và tần số 50Hz, động cơ có thể chỉ làm việc khi được điều khiển bởi thiêt bị biến tần Điện áp và tần số có thể được điều khiển theo yêu cầu của quá trình công nghệ Điện áp cung cấp cho động cơ nam châm vĩnh cửu luôn nhỏ hơn điện áp danh định của lưới, còn tần số được điều chỉnh theo yêu cầu

về tốc độ

- Ổ bi và bôi trơn ổ bi: động cơ VEM được trang bị các vòng bi chống ma sát

từ sự quan tâm đặc biệt của nhà sản xuất Tuổi thọ trung bình của bi vào khoảng 20.000 giờ trong điều kiện mang đầy tải Tuổi thọ trung bình cho các động cơ trục ngang không có trục phụ lên tới 40.000 giờ trong trường hợp nối khớp tiêu chuẩn

Vấn đề đặc biệt quan trọng để kéo dài tuổi thọ của bi là bôi trơn đúng Ví dụ như sử dụng đúng loại mỡ, bôi mỡ điền vào ổ bi đúng cách và đúng khối lượng, định kỳ thay mỡ đúng hạn Đối với các động cơ có chiều cao tâm trục từ 56 mm đến

160 mm được lắp đặt bi chắn mỡ, những vòng bi này phải được thay thế theo thời gian mà mỡ hết tác dụng Trường hợp các động cơ có chiều cao tâm trục trên 180

mm, các vòng bi thường phải thay mỡ đúng thời hạn: 10.000 giờ hoạt động với máy

2 cực, 20.000 giờ với máy 4 cực với loại bi không chắn mỡ

- Giám sát nhiệt độ ổ bi: các động cơ thiết kế có thể đưa các thiết bị giám sát nhiệt độ, momen xung kích và giám sát độ rung cho các ổ bi

- Dây quấn và cách điện: động cơ VEM được thiết kế theo P2 /PE là các sản phẩm có cách điện cấp F (1550C) Dây đồng được bọc men chất lượng cao kết hợp với việc tẩm sơn cách điện hòa tan trong dung môi được sử dụng Những vật liệu này làm tăng độ bền cơ, bền điện và kéo dài thời gian làm việc của động cơ Một số thiết kế sử dụng cách điện cấp H (1800C)

- Kiểu kết cấu: các kết cấu đều được thiết kế theo tiêu chuẩn DIN EN

60034-7 Động cơ kiểu IM V5, IM V1 hay IM V8 có thể bảo vệ ở phía trên để tránh các vật có thể rơi vào bên trong Ở cuối đầu trục cũng có nắp bảo vệ để tránh các vật rơi vào quạt gió Dòng khí làm mát không thể bị ngăn cản bởi vỏ máy

Hình 2.3 – Hình dáng và cấu trúc roto động đồng bộ nam châm vĩnh cửu [1]

Hình dạng ngoài của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không giống với động cơ không đồng bộ Thiết kế cơ bản của VEM là loại vỏ gang xám, stato cơ bản theo kiểu K2.R Roto lồng sóc của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc được sử

dụng làm khung cho mạch từ nam châm vĩnh cửu Roto lồng sóc đƣợc tiện sau khi đúc sau đó cố định các miếng nam châm bằng cách dán lên bề mặt và bƣng đa cố định

Bảng 2.2 – Thông số của một số động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do VEM sản xuất

2.2.1.2 Động cơ của công ty Tai’an Sunshine power Electric Machinery Co Ltd – Trung Quốc

Công ty Tai’an Sunshine power Electric Machinery Co Ltd là một trong nhiều công ty chế tạo máy điện của Trung Quốc đã chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Dải công suất thiết kế từ 0,15 đến 130kW là loại tiết kiệm năng lƣợng, hiệu suất cao

Hình 2.4 – Hình dáng và kích thước động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

loại hiệu suất cao 0,15÷4kW Bảng 2.3 – Thông số kỹ thuật của các động cơ hiệu suất cao 0,15÷4kW

Công suất Điện áp Tốc độ Dòng điện cosυ Hiệu suất Momen Loại Chiều dài lƣợng Khối

0.15kw 220V 1500 rpm 0.44A 0.98 91.0% 0.95Nm Y80－4M 295 14kg 0.2kw 220V 1500 rpm 0.59A 0.98 91.0% 1.27Nm Y80－4M 295 15kg 0.5kw 220V 1500 rpm 1.49A 0.98 91.0% 3.18Nm Y80－4M 295 16kg 0.8kw 220V 1500 rpm 2.38A 0.98 91.1% 5.09Nm Y80－4M 295 17kg

1 kw 220V 1500 rpm 2.98A 0.98 91.2% 6.37Nm Y80－4L 295 17.5kg 1.5 220V 2000 rpm 4.47A 0.98 913% 7.12Nm Y80－4L 295 19kg 2kw 220V 3000 rpm 5.96A 0.98 91.4% 6.37Nm Y80－4L 295 15kg 2.5kw 220V 3500 rpm 7.45A 0.98 91.5% 8.28Nm Y80－4L 295 16kg

3 kw 220V 4500 rpm 8.95A 0.98 91.6% 6.37Nm Y80－4L 295 17kg

4 kw 220V 6000 rpm 11.93A 0.98 91.6% 6.37Nm Y80－4L 295 19kg

Động cơ đƣợc thiết kế theo kiểu B3 hay B35 với các tính năng:

- Làm việc dài hạn, khởi động trực tiếp không cần qua bộ biến đổi

- Điện áp làm việc: 380V – 50Hz

- Cấp cách điện: F

- Cấp bảo vệ: IP54

- Bội số momen khởi động: 2

- Bội số dòng điện khởi động: 5

- Tiết kiệm năng lượng và giảm giá thành vận hành

- Được ứng dụng cho ngành dệt, quạt gió, bơm nước, máy nén

- Có thể thay thế trực tiếp cho động cơ không đồng bộ

- Tiết kiệm 15% năng lượng so với động cơ thông dụng

- Hệ số công suất xấp xỉ 1, cải thiện được hệ số chất lượng của lưới

Hình 2.5 - Hình dáng và kích thước động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

loại hiệu suất cao 13÷22kW Bảng 2.4 – Thông số kỹ thuật của các động cơ hiệu suất cao 13÷22kW

Công suất Điện áp Tốc độ Dòng điện cosυ Hiệu suất Momen Loại Chiều dài Khối lượng

13 kw 380V 1500 rpm 21.2A 0.98 93.5% 82.8Nm Y160－4M 605 103kg

15 kw 380V 1500 rpm 24.5A 0.98 93.5% 95.5Nm Y160－4M 605 110kg

18.5 kw 380V 1500 rpm 30.2A 0.98 93.6% 117.8Nm Y160－4L 650 117kg 20kw 380V 1500 rpm 32.6A 0.98 93.6% 127.3Nm Y160－4L 655 121kg 22kw 380V 1500 rpm 35.8A 0.98 93.6% 140Nm Y160－4L 660 125kg

2.2.2 Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tại Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam có khá nhiều công ty hoạt động trong lĩnh vực sản xuất máy điện, song các sản phẩm chủ yếu vẫn chỉ là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc một pha và ba pha Còn đối với việc nghiên cứu chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì vẫn chưa có cơ sở nào quan tâm thực hiện một cách hoàn chỉnh

Các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang được sử dụng ở Việt Nam hiện nay vẫn chủ yếu là phải nhập khẩu Những sản phẩm chế tạo trong nước mới chỉ ở mức nghiên cứu với số lượng hạn chế và chưa thể thành thương phẩm

Kết luận:

Qua tìm hiểu và phân tích ở trên, có thể nói rằng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một loại động cơ có các chỉ số năng lượng cao, nhiều ưu điểm nhưng hiện vẫn chưa được nghiên cứu chế tạo tại Việt Nam Rõ ràng đây là một thị trường tiềm năng, là cơ hội phát triển rất tốt, do đó cần phải được tập trung nghiên cứu để sớm có thể sản xuất thương phẩm thành công ở trong nước

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG

CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT ĐẾN 1KW KHỞI

ĐỘNG BẰNG DÂY QUẤN LỒNG SÓC 3.1 Các thông tin cần thiết cho thiết kế phần điện động cơ

Để thiết kế động cơ điện nói chung và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng cần phải có các số liệu cần thiết sau đây:

tính điều chỉnh, đặc tính khởi động (bội số momen khởi động, bội số dòng điện khởi động), năng lực quá tải (bội số momen cực đại), yêu cầu về độ ồn nhỏ,…

Việc lựa chọn loại và kiểu động cơ thì dựa vào nhiệm vụ thiết kế và công dụng, còn các kích thước chủ yếu thì được xác định theo các số liệu định mức của động cơ Khi chọn tải điện từ, tính toán roto, các vấn đề có liên quan đến kết cấu động cơ thì cần chú ý đến các điều kiện đặc biệt nêu trên

3.2 Tính toán, thiết kế stato động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc

3.2.1 Sự ảnh hưởng của hình dạng răng rãnh tới tính năng động cơ điện

Việc lựa chọn răng rãnh là hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế máy điện quay cũng như máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng Có nhiều loại

rãnh và đi cùng với nó là kết cấu của răng Lựa chọn được răng rãnh thích hợp sẽ vừa nâng cao được tính năng của máy, vừa hạn chế được những ảnh hưởng do từ trường bậc cao gây ra (như tiếng ồn, phát nhiệt, hiệu suất thấp…) Ngoài ra việc lựa chọn răng rãnh thích hợp sẽ giúp công nghệ chế tạo hợp lý và đơn giản hơn, lại giảm giá thành của sản phẩm

Hình 3.1 dưới đây giới thiệu một số hình dạng rãnh cơ bản Sau đây sẽ xem xét sự ảnh hưởng của mỗi hình dạng rãnh đến đặc tính của động cơ

Hình 3.1 - Một số dạng rãnh cơ bản a) Rãnh Hình thang, b) Rãnh hở, c) Rãnh Hình chai, d) Rãnh Quả lê

e) Rãnh Chữ nhật nửa kín, f) Rãnh nửa hở, g) Rãnh Ô van, h) Rãnh Hình chêm

3.2.1.1 Rãnh chữ nhật hở

Rãnh chữ nhật hở chủ yếu được dùng cho lá tôn stato máy điện xoay chiều điện áp cao Do các bối dây của máy được làm bằng dây dẫn chữa nhật quấn định hình tạo thành bối dây cứng được bọc cách điện tăng cường nên rãnh hở sẽ giúp việc lắp dây quấn vào dễ dàng Khi đó việc lồng dây được thực hiện bằng cách đặt cạnh của bối dây vào rãnh Do chiều ngang bối dây đã bọc cách điện xấp xỉ bề rộng rãnh nên nếu dùng dạng rãnh nửa kín hoặc nửa hở sẽ không thể lồng dây và nếu

lồng được thì cách điện bối dây sẽ bị hư hại Nhìn vào Hình 3.2 sẽ thấy nhược điểm của loại rãnh chữ nhật hở là bề rộng của răng không đều

Hình 3.2 - Rãnh chữ nhật hở cho lá tôn stato

Rãnh chữ nhật hở còn được dùng trong dây quấn roto của máy điện một chiều có công suất trung bình trở lên và có số rãnh nguyên tố lớn Ngoài ra còn dùng trong roto máy phát điện đồng bộ cực ẩn có bối dây cứng làm từ dây dẫn chữ nhật

3.2.1.2 Rãnh hình chêm, hình chai

Rãnh hình nêm hình chai là dạng rãnh khá đặc biệt sử dụng để chế tạo rô to động cơ không đồng bộ công suất lớn nhằm tăng cường mômen khởi động do ứng dụng hiệu ứng mặt ngoài Loại rãnh này còn có thể áp dụng cho cuộn dây khởi động

ở các máy điện đồng bộ công suất lớn

3.2.1.3 Rãnh quả lê

Là dạng rãnh nửa kín (hình 3.1 d) thường sử dụng chế tạo rãnh Stato các máy công suất dưới 100kW, dây quấn có tiết diện tròn Loại rãnh này cũng có thể dùng làm rãnh rôto động cơ không đồng bộ công suất 40kW trở xuống

Do đường bao rãnh là những cung tròn nên độ bền khuôn dập tăng và dễ chế tạo rãnh Khi tính toán, thiết kế thì cần làm sao cho các răng có bề rộng đều để mật

độ từ cảm phân bố đều trên răng và tránh tình trạng phát nóng cục bộ

Bởi vì loại rãnh này chỉ phù hợp với việc sử dụng dây quấn có tiết diện tròn nên nó thường được dùng trong các máy điện công suất nhỏ và trung bình, có điện

áp thấp Tuy nhiên một số nước như Mỹ đã ứng dụng rãnh quả lê cho động cơ công suất lớn tới 500kW và có điện áp 3,3kV

3.2.1.4 Rãnh chữ nhật nửa kín

Rãnh chữ nhật nửa kín có thể dùng cho cả rãnh roto và rãnh stato (hình 3.3 a) Loại rãnh này khi dùng trong roto động cơ không đồng bộ thì sẽ chế tạo kiểu rãnh sâu với bề ngang hẹp để tận dụng hiệu ứng mặt ngoài làm tăng mômen lúc khởi động Khi dùng làm rãnh stato thì do kích thước răng không đều nên loại rãnh này thường dùng trong các loại động cơ điện áp thấp và dây quấn tròn Nếu dùng dây dẫn chữ nhật thì việc lồng dây rất khó khăn bởi cách sắp xếp các sợi dây trong rãnh Với rô to máy điện không đồng bộ sử dụng thanh dẫn đồng thì ưu điểm lớn khi dùng loại rãnh này đó là thuận lợi trong chế tạo các thanh dẫn

a) (b)

Hình 3.3 - Rãnh ô van và chữ nhật a) Lá tôn stato rãnh chữ nhật nửa kín, (b) Lá tôn roto rãnh ô van

3.2.1.5 Rãnh ô van

Rãnh ô van ít được dùng làm lõi thép stato mà chủ yếu dùng chế tạo lõi thép roto động cơ không đồng bộ (hình 3.3 b) Ưu điểm của loại rãnh này là dễ chế tạo như rãnh quả lê do có các đường cong làm tăng độ bền khuôn dập Khi sử dụng loại rãnh này làm rãnh rôto lồng sóc thì nhờ đường cong đáy và đỉnh rãnh mà quá trình đúc nhôm dễ dàng hơn Nó là dạng rãnh nửa kín, nhưng do kích thước răng không đều làm cho sự phân bố từ cảm không đồng đều trong răng và có thể gây nóng cục

bộ lõi thép roto

3.2.1.6 Rãnh chữ nhật nửa hở

Rãnh chữ nhật nửa hở chủ yếu dùng chế tạo lá tôn stato các động cơ công suất 75kW trở lên, điện áp hạ thế và sử dụng dây dẫn tiết diện chữ nhật được quấn thành bối định hình

Ưu điểm của rãnh chữ nhật nửa hở là tiết diện đỉnh răng được tăng lên nhưng việc chế tạo và lồng các bối dây có phần hơi phức tạp Nhược điểm của loại rãnh này đó là có kích thước răng không đồng đều, dễ dấn đến phát nóng cục bộ lõi thép

Hình 3.4 - Rãnh chữ nhật nửa hở lõi thép stato

Từ các phân tích đã trình bày trên đây ta có thể nhận thấy ưu nhược điểm của từng loại rãnh, từ đó việc lựa chọn loại rãnh nào thì cũng cần phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa yêu cầu kỹ thuật cũng như công nghệ chế tạo Do hình dạng rãnh quyết định tới hình dạng răng, từ đó ảnh hưởng đến sự phân bố mật độ từ thông trong lõi thép Do đó chúng sẽ ảnh hưởng đến tính năng cũng như các đặc tính, hiệu suất của máy điện trong quá trình vận hành

Đối với các máy điện công suất nhỏ thì thường sử dụng dây quấn có tiết diện tròn do đó nên áp dụng loại rãnh quả lê Mặt khác, như đã phân tích ở trên, chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế sao cho kích thước răng đồng đều để hạn chế sự phân bố mật độ từ cảm không đều trong phần răng lõi thép

3.2.2 Tính toán stato động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW

3.2.2.1 Xác định kích thước chủ yếu

a) Hằng số máy điện và các hệ số kết cấu

Các yêu cầu đề ra cho động cơ công suất nhỏ thường mâu thuẫn nhau, vì vậy việc xác định kích thước chủ yếu trở nên phức tạp Kích thước chủ yếu gồm đường kính trong stato D hoặc đường kính ngoài Dn và chiều dài tính toán l của lõi thép

stato Ngoài ra cần chú ý đến sự liên quan giữa các kích thước chủ yếu ấy, thể hiện

ở các hệ số kết cấu như: tỷ lệ giữa đường kính trong và đường kính ngoài kD = D/Dn, tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép với đường kính trong stato λ = ls/D hay với đường kính ngoài stato λ = ls/Dn

Quan hệ giữa các kích thước chủ yếu của động cơ được biểu thị bằng hằng

số máy điện, còn gọi là hằng số Arnold

B – Mật độ từ thông khe hở không khí, Tesla

A – Tải đường của stato, A/cm

βs = β1 β2 là hệ số quy đổi, với máy 3 pha 1 = 2 = s = 1

1 là hệ số biểu thị tỷ số giữa công suất có ích của máy điện 3 pha với máy điện thiết kế có cùng kích thước: dm3

1 dm

PP

c c



Tích số .cos có thể tra theo đồ thị được tổng kết từ các động cơ đã chế tạo trong nước và quốc tế

b) Tải điện từ

Kích thước chủ yếu của động cơ công suất nhỏ (D và l) phụ thuộc vào việc chọn tải điện từ mà thông số này lại có quan hệ với vật liệu dẫn từ, cấp cách điện, kết cấu và cách làm mát máy

Tải điện từ gồm có các thông số sau:

- Mật độ từ thông khe hở không khí B đối với hệ thống mạch từ

- Tải đường A và mật độ dòng điện J đối với mạch điện (dây quấn) Các tham số A, J, B có thể biểu thị tình hình sử dụng dây quấn và hệ thống mạch từ, còn A và B có thể quyết định đặc tính làm việc và mở máy của động cơ điện

Trị số A, B của các động cơ công suất nhỏ tương đối bé do mật độ từ thông

B bị hạn chế bởi mật độ từ thông cho phép trong răng Do bước cực  của máy tương đối nhỏ, từ thông  ít nên số dây dẫn tương đối nhiều Mặt khác, tiết diện dây quấn nhỏ, vì vậy cách điện dây dẫn trong rãnh chiếm một không gian tương đối lớn, hệ số lấp đầy không cao, do đó việc nâng cao tải đường đối với loại động cơ công suất nhỏ bị hạn chế

Tải nhiệt cho phép của động cơ W được quyết định bởi phương pháp làm mát máy và cấp cách điện lựa chọn Nó tỷ lệ với tải đường và mật độ dòng điện lựa chọn

Trong đó:  là điện trở suất của vật liệu dẫn điện

Với một tải nhiệt cho phép, mật dộ dòng điện J cho phép có thể tăng lên khi giảm tải đường A Mật độ dòng điện của các động cơ công suất nhỏ thường chọn