Thiết kế động cơ DC đồng trục Design for Coaxial DC Motor

Động cơ xoay chiều gồm các loại chính sau: Động cơ xoay chiều đồng bộ Động cơ xoay chiều một pha Động cơ xoay chiều ba pha 1.1 Tổng quan về động cơ đồng trục Đối với hệ động lực đẩy dướ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐỨC THỊNH

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ DC ĐỒNG TRỤC

DESIGN FOR COAXIAL DC MOTOR

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số: 60520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận vãn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận vãn thạc sĩ) 1 "

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỒC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

- Xây dựng mô hĩnh toán cho động cơ DC đồng trục dựa trên mô hình toán của động

cơ DC và mô hình toán của động cơ 3 pha đồng trục

- lĩnh toán thiết kế cho động cơ DC đồng trục với một số yêu cầu cho trước ; xây dưng mô hĩnh tính chung áp dụng việc thiết kế động cơ DC (thiết kế GUI trên matlab)

- Thiết kế chế tạo mô hĩnh động cơ DC đồng trục nhỏ từ động cơ DC có sẵn và hệ thống kiểm tra mô men xoắn và tốc độ của động cơ và thu lại dữ liệu trên máy tính cho mô hình thực nghiệm nhỏ

- Kết quả của luận vãn có được từ kết quả mô phỏng trên matlab, kết quả mô phỏng thiết kể động cơ trên ANSYS Maxwel và các thông số như điện trở, cảm kháng, hàng số thời gian, mô men quán tính của động cơ bằng phương pháp thực nghiệm

IV

ABSTRACT

Base on the result from current researches and applications of many kind of coaxial motor, a DC motor with rotor and Stator can rotate in opposed directions is conducted The first part of this thesis represents the princinple of DC machine Functions and characteristics of rotor, Stator, commulator, winding are determined

The main content of this thesis is represented in chapter 3 and the result in the chapter

4 as following:

- A mathematic model of this design is developed basing on the combination of mathematic model of DC motor and mathematic model of 3-phase coaxial motor

- The foundation of mathematic model then the calculation of DC motor 35kW, 90V,

1760 rpm are shown And the a calculation model for designing a general DC motor is built

in Matlab GUI

- The real model is designed base on improving of DC motor and Torque testing system

is designed with 2 coincident separated axes for experimental part The torque system has two axes a joined by a spiral spring The motor torque is calculated by the difference angle

Lời cam đoan của tác giả luận văn

Đề tài luận vãn thiết kế động cơ DC đồng trục được dựa theo yêu cầu của đơn vị đặt hàng với các thông số cho trước Phần cơ sở lý thuyết được trĩnh bày dựa trên các tài liệu nghiên cửu trước đó có trích dẫn Phần xây dựng mô hĩnh toán cho động cơ được chính tác giả xây dựng lên Phần tính toán thiết kế cho động cơ cũng được tác giả tính toán lựa chọn các thông

số, mô phỏng trên Matlab, thiết kế trên ANSYS Maxwel Phân thực nghiệm được tác giả tự thiết kế, xây dựng lên

VI

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN 1

Giới thiệu về động cơ DC 1

1.1 Tổng quan về động cơ đồng trục 2

1.2 Đặt vấn đề 4

1.3 Một số giải pháp đề xuất 4

Giải pháp 1 4

Giải pháp 2 5

Giải pháp 3 5

Giải pháp 4 5

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ, ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG Cơ MỘT CHIỀU 7

2.1 Nguyên lý của động cơ một chiều 7

2.2 Cấu tạo của máy điện một chiều 8

2.2.1 Stator của máy điện một chiều 8

2.2.2 Cực từ chính 9

2.2.3 Cực từ phụ 9

2.2.4 Gông từ 9

2.2.5 Lõi thép 10

2.2.6 Dây quấn phần ứng 10

2.2.7 Cổ góp 10

2.2.8 Thiết bị chổi 10

2.3 Phân loại động cơ điện một chiều 11

2.4 Ket cấu máy điện 12

2.4.1 Phân loại theo phương pháp bảo vệmáy đối với môi trường 12

2.4.2 Phân loại theo cách lắp đặt 13

2.5 Tổng quan đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 13

2.5.1 Phương trình đặc tính cơ 13

2.5.2 Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ 14

2.5.3 Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 15

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ 17

3.1 Mô hĩnh hóa hệ thống 17

Phương trĩnh mô hình của động cơ single phase double rotor được biểu diễn : ! „

17

Với đông cơ DC đồng trục double-rotor sẽ là sự kết họp của 2 trường họp trên „ .„ !

21

3.2 Thiết kế hệ thống cho động cơ 23

3.2.1

Chọn kích thước chủ yếu 23

3.2.2 Kích thước rãnh phần ứng 24

3.2.3 Khe hở không khí, cực từ và gông từ 27

3.2.4 Cổ góp, chổi than 29

3.3 Xây dựng Graphic User Interface (GUI trên Matlab) cho thiêt kế chung cho động cơ DC 30

3.4 Thực nghiệm 31

Đo các thông số của động cơ 32

Kiểm nghiệm vận tốc, torque của động cơ được thiết kế 36

CHUƠNG 4 KÉT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THựC NGHỆM 46

4.1 Kết quả mô phỏng trên Matlab simulink 46

4.2 Kết quả thiết kế động cơ một chiều 35 kw, 90V, 1760 vg/ph 47

4.3 Kết quả thực nghiệm 53

CHUƠNG 5 KẾT LUẬN 55

Phục lục 1: Thiết kế cho phần thực nghiệm 56

Thiết kế động cơ đồng trục 57

Phần bánh đà có mô men quán tính thay đổi 58

Phần hệ thống kiểm tra tốc độ và mô men xoắn của trục 58

Thiết kể phần điện cho động cơ đồng trục 59

Thiết kể cho hệ thống đo mô men xoắn và động cơ 59

Thiết kể phần điều khiển cho đối trọng có mô men quán tính thay đổi 60

Phụ lục 2: Motor data sheet 64

Phụ lục 3: Matlab code 70

viii

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN

Giỗi thiệu về động co’

Nãm 1831, Michael Fraday đã phát minh và khảo sát hiện tượng cảm ứng đỉện từ Năm 1832, Thiết bị điện quay đầu tiên được công bố bởi một người chưa rõ tên P.M Năm 1834 động cơ DC đầu tiên được Moritz Jacobi chế tạo ra

Năm 1875 Hefner-Alteneck và Werner Siemens bắt đầu phát triển motor hình mỏ neo tang trống

Năm 1889 Dolivo-Dobrowolsky đã thiết kế động cơ 3 pha đầu tiên Thiết kế này đã được

sử đụng rộng rãi cho tớỉ ngày nay

Nửa đầu thế kỷ 19, hầu hết động cơ chạy bằng năng lượng Pin cho nên động cơ DC được tập trung phát triển Và sau đó động cơ đồng bộ, động cơ AC mới phát triển cho tới ngày nay

Phân loại động cơ điện

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại động cơ điện

Động cơ điện một chiều (động cơ DC) là thiết bị chuyển từ năng lượng điện một chiều thành năng lượng cơ năng đướỉ tác dụng của lực điện từ Động cơ DC cỗ 2 phần chính là: rotor (phần chuyển động) và Stator (phần đứng yên) Động cơ điện một chiều gầm các loại chính sau:

Động cơ một chiều kích từ độc lập

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ một chiều kích từ song song

Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Động cơ điện xoay chiều hay Động cơ AC là động cơ điện được dẫn động bằng dòng điện xoay chiều (AC) Động cơ AC thường bao gồm hai phần cơ bản, một Stator bên ngoài

có các cuộn dây được cấp dòng xoay chiều để tạo ra từ trường quay và một rotor bên trong được gắn vào trục đầu ra tạo ra từ trường quay thử hai Từ trường rôto có thể được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu, sự lồi từ trở, hoặc cuộn dây điện DC hoặc AC

ít phổ biến hơn, động cơ tuyến tính AC hoạt động trên các nguyên tắc tương tự như động

cơ quay nhưng có các bộ phận cố định và chuyển động của chúng được bố trí theo cấu hình đường thẳng, tạo ra chuyển động thẳng thay vĩ xoay Động cơ xoay chiều gồm các loại chính sau:

Động cơ xoay chiều đồng bộ Động cơ xoay chiều một pha Động cơ xoay chiều ba pha

1.1 Tổng quan về động cơ đồng trục

Đối với hệ động lực đẩy dưới nước một chân vịt, khi chân vịt quay, song song với việc tạo một lực đẩy dọc trục giúp đẩy toàn bộ thiết bị đi về phía trước, chuyển động xoay còn kéo theo việc chuyển động tiếp tuyến của dòng nước Các chuyển động tiếp tuyến này kết họp với lực liên kết giữa các phân tử nước gây ra một mômen làm cho toàn bộ hệ thống xoay quanh trục của động cơ Việc xoay quanh trục động cơ sẽ gây nên những bất lợi cho bài toán lái hoặc phải tốn một lượng công nhất định giúp giữ thiết bị không đi theo đường xoắn ốc Đe khắc phục tình trạng này hệ đẩy hai tầng cánh đồng trục ra đời và đã thể hiện được ưu điểm vượt trội như : Tăng hiệu suất đẩy, tiết kiệm nhiên liệu, Sự ra đời của mô hình thiết bị đẩy dùng hai tầng cánh quay ngược chiều được phát triển dựa trên mô hình thiết bị bay sử dụng hai chong chóng đồng trục quay ngược chiều nhau và vận hành bằng việc lên dây cót của nhà bác học Lomonosov, người cha của nền khoa học Nga hiện đại

Mặc dù có những khó khăn nhất định về độ phức tạp của kết cấu, Trên thể giới có rất nhiều ứng dụng được sử dụng mô hình đẩy hai tầng cánh và được sử dung trong đa dạng các phương tiện di chuyển bởi một số ưu điểm Đối với máy bay, khi tốc độ cánh quạt thấp, lượng không khí chảy dọc tầng cánh sẽ gây nên những luồng không khí di chuyển tiếp tuyển với biên dạng tầng cánh Dòng không khí tiếp tuyển không chỉ lãng phí năng lượng do không góp phần nâng máy bay mà còn khiển toàn bộ thân máy bay sẽ chịu một mômen xoắn và phải mất thêm một

s

Hình 1.2 Mô hĩnh động cơ DC

2

phần năng lượng chống lại mômen xoay này Khi sử dụng hai tầng cánh liên tiếp với biên dạng cánh khác nhau lượng không khí trước khi đi qua tầng cánh nâng chính được gia tốc bởi tầng cánh phía trên vì vậy giảm được lượng không khí chuyển động tiếp tuyến Ngoài ra hai tầng cánh còn tạo ra hai mômen xoắn ngược nhau để giữ cho máy bay không bị xoay Theo công bố của công trình nghiên cửu cơ học chất lưu cho loại cánh quạt đồng trục, hiệu quả nâng được tăng

lên từ 6% đến 10% so với sử dụng cánh quạt một tầng cánh [2] Công ty Sun-Flightcraft của

áo đã ứng dụng thiết kế hai cánh quạt quay ngược chiều cho

tàu lượn và tuyên bộ thiết kế tăng hiệu suất đẩy thêm từ 15% đến 20%[3]» [4], Các thiết bị

di chuyển dưới nước tiêu biểu như ngư lôi Bliss-Leavitt, MK18 được sử dụng chân vịt kép quay ngược chiều để có tốc độ tối đa trong phạm vi đường kính bị hạn chế Ngoài ra ứng dụng kiểu chân vịt kép đồng trục, quay ngược chiều chống lại tốt các xu hướng làm ngư lôi quay xung quanh trục tâm của mình, tăng

độ chính xác bám đuổi và tiêu diệt mục tiêu [4]

Năm 1982 Volvo Penta giới thiệu một hệ chân vịt cho tàu thuyền quay ngược chiều đồng trục mang thương hiệu «DuoProp» hãng này công bố thiết kế giúp

giảm lượng nhiên liệu từ 10% đến 15% so với chân vịt thường.[5] Các thiết bị cấp bằng sáng chế đã được bán trên thị trường kể từ đó

Ở nước ta chưa có bất cử công trình nào liên quan đến hệ đẩy có hai cánh quay ngược chiều, tuy nhiên theo những thông tin được công bố Nước ta đang trang bị một lượng không nhỏ các dòng ngư lôi điện, ngư lôi hơi ga trong trang bị Hải quân cũn^ử dụng thiết kế chân vịt đồng trục quay ngược chiều

Tất cả các thiết bị nêu trên đều sử dụng nguyên lý cơ bản về khí động học của mô hình hai tầng cánh đồng trục quay ngược chiều Tuy nhiên các thiết kế chỉ dừng lại ở việc giảm bớt mômen xoắn hoặc kết hợp với tổng thể thiết kế để chống xoay cho thiết bị, chưa đảm bảo chống xoay một cách tối ưu cho các tư thế di chuyển khác nhau như nghiêng máy bay, ngư lôi, tàu ngầm thay đổi độ sâu lặn

Việc nghiên cứu đề xuất thiết kể cơ khí theo mô hình hai cánh quạt đồng trục kết họp với giải thuật điều khiển tự khử mômen xoắn sẽ là bước đầu làm chủ các víkhí trang bị hiện có

và là tiền đề cho việc tiếp thu làm chủ công nghệ chế tạo hệ lực đẩy hiệu suất cao

(a) Mô hình cánh quạt

của Lomonosov năm

1754

(b) Trực tỉ năm 2015

1.2 Đặt vấn đề

Các thiết bị có hệ đẩy thiết kế theo mô hình hai tầng cánh quay ngược chiều đặt sát nhau đến thời điểm hiện tại mới chỉ dừng lại ở mức tốc độ hai trục có tỉ lệ cố định vì vậy sẽ chỉ dừng lại ở mức hạn chế mômen xoắn gây ra tại thân động cơ, hoặc triệt tiêu hoàn toàn khi tải cố định, hay tư thế di chuyển cố đinh Một số có thể điều chỉnh riêng lẻ từng trục như kết cấu kiểu tua bin khí nên rất khó điều khiển và phức tạp trong kết cấu Vì các lý do trên nên thiết kế hệ đẩy được đặt trong bài toán tống thể của toàn bộ thiết bị Khi thiết bị có sự cố một phần hay thay đổi tư thế sẽ dẫn đến tính trạng phá vỡ tính cân bằng làm tăng nguy cơ xoay quanh trục động

cơ

Để tăng tính ổn định, luôn giữ tư thế cho các thiết bị di chuyển dưới nước khi tăng, giảm

độ sâu cần thiết phải nghiên cửu một hệ đẩy có khả năng tự khử mômen gây xoay cho toàn bộ thiết bị trong các trường họp khác nhau

Để có hệ đẩy điện có hai trục lồng nhau quay ngược chiều tự khử mômen gây xoay cho toàn bộ thiết bị yêu cầu kết hợp tốt giữa cơ khí và điều khiển

về cơ khí: cần phải thiết kế một motor có hai rotor quay ngược chiều và tốc độ có thể điều khiển độc lập, đảm bảo các yêu cầu cơ khí

về điều khiển: Phải giải quyết được bài toán bám tốc độ trục bị động theo hai yếu

tố là tốc độ của trục chủ động và góc xoay tuyệt đối của thân động cơ

1.3 Một số giải pháp đề xuất

Đối với hệ động lực đẩy hai tầng cánh các giải pháp đề cập sau đây giữ nguyên kết cấu chung về cách lắp hai chân vịt đặt liên tiếp nhau, có biên dạng cánh ngược nhau trên hai đầu trục của động cơ Các giải pháp chỉ đi sâu vào phương án thiết kế, điều khiển hệ động cơ theo vận tốc, góc xoay của toàn bộ hệ động lực Có 4 giải pháp nhóm tác giả muốn trình bày như sau [1]

Giải pháp 1

Giải pháp này đề cập đến việc ghép nối hai động cơ điện một chiều không chổi than tạo thành một hệ đồng trục, trong đó hai rotor sẽ ở hai đầu, hai Stator sẽ được cố định với nhau và nằm kẹp giữa hai rotor Việc điều khiển khử mômen gây xoay được thực hiện nhờ việc điều khiển tốc độ một trục bám theo tốc độ trục còn lại và góc xoay của Stator (hình 1.4)

Giải pháp 2

Giải pháp đề cập đến việc thiết kế mới một hệ động cơ gồm 2 động cơ Động cơ thử nhất

có rotor theo dạng “inraner” động cơ thử hai có rotor theo dạng “outruner”, hai Stator của hai động cơ được lồng vào nhau cách nhau bởi một lớp vật liệu cách từ về nguyên tắc khử mômen lật cũnguơng tự như giải pháp thử nhất đã đề cập ở trên

Stator 1 Non magnet ring

Hình 1.7 Chế tạo động cơ điện một chiều đặc biệt

Nghiên cửu này chủ yếu đi sâu vào trình bày phương án thiết kế của giải pháp 4 gồm các phần:

4- Tổ chức của luận vãn

- Nguyên lý đặc tính và các trạng thái làm viêc động cơ một chiều (DC)

- Xây dựng một mô hình toán cho động cơ DC đồng trục

- Tính toán thiết kế các thông số cho động cơ

- Thiết kế mô hĩnh thực nghiệm nhỏ có chức năng tương đồng như động cơ DC đồng trục

- Thiết kết thiết hệ thống đo vận tốc và mô men xoắn cho mô hình thực nghiệm

6

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ, ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI

LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG cơ MỘT CHIỀli 2.1 Nguyên lý của động CO’ một chiều

Quá trĩnh điện từ dùng giải thích nguyên lí hoạt động một chiều như sau:

Khi cấp nguồn áp một chiều vào dây quấn phần cảm để tạo ra từ trường kích thích Đồng thời cấp nguồn áp một chiều vào hai đầu phần ứng để tạo dòng lư qua các thanh dẫn trên phần ứng Các thanh dẫn phần ứng mang dòng điện lư và đặt trong từ trường kích thích sẽ chịu tác động của lực điện từ F và tạo thành moment làm quay phần ứng

Quá trĩnh điện từ khi vận hành ở chế động cơ được tóm tắt như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ khối tóm tắt quá trình điện từ của động cơ DC

B

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC kích từ nối tiếp

Khi phần ứng quay, các thanh dẫn trên phần ứng cùng di chuyển cắt đường sức từ trường phần cảm trên các thanh dẫn hình thành các sức phản điện e

Chú ý dòng Iứ qua thanh dẫn phần ứng so với hướng của sức điện động cảm ứng e sinh ra ữên chính thanh dẫn đó Vì hướng của dòng Iứ và sức điện động ngược nhau chứng tỏ sức điện động e đang nhận năng lượng từ nguồn ngoài

2.2Cấu tạo của máy điện một chiều

Máy điện một chiều là danh từ gọi chung cho máy phát và động cơ một chiều Mẩy phát

và động cơ cố cấu tạo giống hệt nhau; nói cách khác máy phát và động cơ có tính thuận nghịch Cỗ thể hiểu một cách đơn giản: khỉ dùng động cơ sơ cấp quay động cơ một chiều, động cơ thực hiện tính năng của máy phát điện hoặc khi cung cấp điện năng vào dây quấn phần ứng và phần cam của máy phát một chiều thì máy phát thực hiện tính năng của động cơ điện Tại phần này, ta xét máy điện một chiều là động cơ điện

2.2.1 Stator của máy điện một chỉều

Stator máy điện một chiều có vò, cực từ chính và cực từ phụ Vò thường là thép đúc hoặc thép tấm uốn lại Đối với máy lớn

8

T RIG Cực lử plrụ ỊVfld m cực tử

Lỗi ĩhép Cực lýf ch Ihlì

Cltỉì :ha n Gũng stalo Lủi tháp p#.ân dng

□ ảy quiổiì phlri ứng

Cày qufri

Ểơt I j ph>i;

Vrinh gãj>

CỂy quip tlch lu

nđì nép

TPuj-fi d

□ ijuin

leiM lõ

=h«g E-Dig

Ca-y qu(ír bú

Khcs hồ nriữíìg khi

Trên cực từ, dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng và mỗi cuộn dây được bọc cách điện trước đặt trên các cực từ

2.2.3 Cực từ phụ

Được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép các cực từ phụ làm bằng lá thép đúc, mặt cực có khe khở không khí với Rôto rộng hơn so với cực từ chính và được gắn vào vỏ máy nhờ các bulong

2.2.4 Gông từ

Gông tạo đường dẫn cho dòng từ thông của cực từ được khép mạch Vì vậy, gông Stator được tạo nên bởi các lá thép kỹ thuật mỏng để giảm tổn hao lõi sắt từ trong động cơ truyền động bằng nguồn chỉnh lưu bán Trong động cơ điện nhỏ thường làm từ thép dày uốn hàn lại còn với máy điện lớn người ta thường dùng thép đúc

chổi được làm bằng kim loại gắn vào Stator, có lò xò tạo áp lực chổi và các thiết bị khác

2.3 Phân loại động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biển điện năng dòng một chiều thành cơ năng

Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi.Đe tạo ra từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng một chiều

Tùy thuộc vào sơ đồ nối dây giữa phần ứng và phần cảm, ta phân loại các loại động cơ một chiều như sau:

Động cơ điện kích từ nối tiếp

Động cơ điện kích từ song song

Động cơ điện kích từ độc lập

Động cơ điện kích từ hỗn họp

Classif cation of DC machines

long shunt short shunt

Hinh 2.6 Phân loại động cơ một chiều

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tang công suất của máy điện một chiều, cấp điện áp của máy một chiều thường

là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V

2.4 Kết cấu máy điện

Mặc dù kích thước của các bộ phận vật liệu tác dụng và đặc tính của máy phụ thuộc phần lớn vào tính toán điện từ và tính toán thông gió tản nhiệt nhưng cũng có phần liên quán đến kết cấu của máy Thiết kế máy phải bảo đảm sao cho máy gọn nhẹ, thông gió tản nhiệt tốt mà vẫn

có độ cứng cững và độ bền nhất định Thường căn cử vào điều kiện làm việc của máy để xác định độ cứng và độ bền của các chi tiết máy Vì vậy thiết kế kết cấu là một phần quan trọng trong toàn bộ thiết kế

Nguyên tắc chung để thiết kể kết cấu:

• Đảm bảo độ tin cậy của máy lúc làm việc

• Đảm bảo bảo dưỡng máy thuận tiện

• Đảm bảo chế tạo đơn giản, giá thành hạ

2.4.1 Phân loại theo phưong pháp bảo vệ máy đối vói môi trường

Cấp bảo vệ của máy ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu của máy cấp bảo vệ được ký hiệu bằng chữ IP và hai số kèm theo, trong đó chữ số thứ nhất chỉ mức độ bảo vệ chống sự tiếp xúc của người và các vật khác rơi vào vào máy, được chia làm 7 cấp đánh số từ 0 đến 6 trong đó ố 0 chỉ rằng máy không được bảo vệ( kiểu hở hoàn toàn) còn số 6 chỉ rằng máy được bảo vệ hoàn toàn không cho người tiếp xúc, đồ vật và bụi không được lọt vào Chữ số thứ hai chỉ mức độ bảo vệ chống nước vào

12

máy gồm 9 cấp đánh số từ 0 đến 8 trong đó số 0 chỉ rằng máy không được bảo vệ còn số 8 chỉ

số máy có thể ngâm trong nước trong thời gian vô hạn định

2.4.2 Phân loại theo cách lắp đặt

Theo cách lắp đặt máy, ký hiệu bằng chữ IM theo 4 chữ số tiếp theo Ở đây: số thử nhất chỉ kiểu kết cấu gồm 9 số đánh từ 1 đến 9 chỉ cách lắp đặt đặc biệt, số thử hai và ba chỉ cách thức lắp đặt và hướng đầu của trục máy số thử tư chỉ kết cấu của đầu trục gồm 9 loại đánh số từ 0 đến 8 trong đó số 0 chỉ máy không có đầu trục, số 1 chỉ máy có đầu trục hình trụ, số 8 chỉ đầu trục có các kiểu đặc biệt khác

2.5 Tổng quan đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 2.5.1 Phương trình đặc tính cơ

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng như sơ đồ nguyên lý ở hĩnh 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = lư nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải:

Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ Phương trĩnh trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện lư < (0,8 0,9)Iđm Tiếp tục tăng lư thì tốc độ tăng từ thông chậm hơn tốc độ tăng lư rồi sau đó khi tải lớn (lư > Iđm) thì

có thể coi § = const vì mạch từ đã bị bão hòa

Hình 2.8 Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng

Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung: u u =

E u +(R U +R uf ).I U E u = KẠa >

9

Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là một đường hyperbol

Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở vùng tải định mức Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bão hòa (4> = const) Khi MC = 0 (lư = 0), theo phương trĩnh đặc tính cơ (2.13) thì trị số Cũ sẽ vô cùng lớn Thực

tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư (c|)dư -ệ 0) nên

khi không tải MC ~ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:

u

<j\ = —

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư 4>đư nhỏ nên Cũ0 cũng lớn hơn nhiều

so với trị số dinh mức (5 6)cũđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ TDD Vĩ vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải Không dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly họp ma sát Thông thường, tải tối thiểu của động cơ là khoảng (10 ^ 20)% định mức Chỉ những động

cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải

2.5.2 Ảnh hưởng của các thông số điện đối vói đặc tính cơ

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòng điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp

Phương trĩnh đặc tính cơ Cũ = f(M) (2.13) của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng và cũng là mạch kích từ) Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ Rưf = 0 Các đặc tính cơ nhân tạo ứng

với Rưf ệ- 0 Đặc tính càng thấp khi Rưf càng lớn

Hình 2.10 Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặctính cơ động cơ điện một

chiều kích từ nối tiếp

Trị số Mmm suy từ phương trĩnh đặc tính cơ khi cho Cũ = 0

cơ tự nhiên không có điện trở mở máy

Hình 2.11 Mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ

Khi động cơ được cấp điện, các tiếp điểm KI và K2 mở để nối các điện trở RI và R2 vào mạch động cơ Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn cho phép ứng với mômen

mở máy: Mmm = Ml = (2 -ỉ- 2,5)Mđm

Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b Cùng với quá trĩnh tăng tốc, mômen động cơ giảm dần Tới điểm b, tốc độ động cơ là Cũ2 và mômen là M2 = (1,1 -ỉ- l,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở máy R2 ra khỏi mạch động cơ Động cơ chuyển

từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm c trên đặc tính cơ 1 Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ coi như giữ nguyên Đoạn bc song song với trục hoành OM Lúc này mômen động cơ lại tăng từ M2 lên Ml, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1 Khi mômen động cơ giảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ Cũi) thì điện trở mở máy RI còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm KI Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặc tính này tới làm việc tại điểm A Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng với mômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định (ũA

16

CHƯƠNG 3 THIẾT KỂ ĐỘNG cơ DC ĐỒNG TRỤC

Phần thiết kế động cơ bao gồm trĩnh tự như sau:

- Xây dựng mô hình hóa cho động cơ

- Tính toán thiết kế thông số cho động cơ

- Mô phỏng thiết kế trên phần mềm

- Tiến hành thực nghiệm trên mô hĩnh động cơ nhỏ

3.1 Mô hình hóa hệ thống

Mô hình toán của động cơ DC đồng trục được phát triển là sự kết hợp mô hình toán của động

cơ single phase double rotor [6] và mô hình toán của động cơ DC [7]

Phương trình mô hình của động cơ single phase double rotor được biểu diễn:

*>27

*>27

R là ma trận trở kháng

J ,J là mô men quán tính của Stator và rotor

T eiem_s ụ> a s’ a r)’ T eiem_r ụ> a s’ a r) là torque từ tác dụng lên Stator và rotor

T ext _ s (t),T ext r (í) là tải ngoài tác dụng lên Stator và rotor

D s ,D r là hệ số kinetic damping của Stator và rotor

o

half-ring (commutator)

magnet

rotation produced

Hình 3.1 Mô hình động cơ DC

Hình 3.2 Cấu trúc chức năng của động cơ DC

Từ hìrih 3.2 ta có

v 3 ,i 3 supply voltage and current

u E ,i E excitation voltage and current

jR, L winding electric resistance and inductance;

íữ{t) excitation flux;

e(t) back electromotive force;

<y(f) angular speed;

m(i) electromagnetic torque;

friction torque Phương trĩnh torque viết lại

Áp dụng phương pháp từ thông không đổi

Thay phương trĩnh (4), (5), (6) vào phương trĩnh (1) và (3) ta được

Với động cơ DC đồng trục double-rotor sẽlàsựkết họp của 2 trường họp trên

Khi đó phương trĩnh mô hĩnh hóa sẽ được biểu diễn như sau

a s là góc quay Stator a là góc quay rotor

T eiem_s (*’> T eiem_r (*> a ^ a r) là torque điện từ tác dụng lên Stator và rotor

T ext s (l),T cul r (í) là tải ngoài tác dụng lên Stator và rotor

D ,D là hệ so kinetic damping của Stator và rotor

Giả sử torque điện từ tác dụng lên Stator và rotor là bằng nhau về giá trị nhưng ngược chiều nhau

T, (ỉ,a ,a ) = —K i elem_ s V 9

s 9

r ỉ m

(3.22)

T, (ỉ,a ,a ) = K i elem_r \ 9

3.2 Thiết kế cho động CO’

Từ yêu cầu thực tế của đcm vị đối tác để thiết kế động cơ DC đồng trục có các thông số sau

Độ sẽ được áp dụng

Chọn chiều cao tâm trục h = 160mm (chọn theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN )

Kích thích từ nối tiếp

3.2.1 Chọn kích thước chủ yếu [14]

1 Hiệu suất của máy lấy 77 = 87%

2 Sơ bộ xác định dòng điện của động cơ

Chiều dài lõi sắt ngắn nên không đặt rãnh thông gió ngang trục l 2 =l g = 8.8cm

9 Hệ số Ả = ìị- = = 0.458 hệ số này thể hiện tính tối ưu của mỗi cấp công

12 Chiều dài tính toán mặt cực từbg = a g T =0.8xio.05 = 8.04cm

13 Chiều dài mặt cực từ (khe khở không khí không đều)b m ~bg= 8.04an

19 Chọn rãnh hình ovan với các cạnh song song

20 Số phiến góp G theo số rãnh nguyên tố G = z = 63

21 Tải đường A = -^- = - —— = 474.5(A/ cm)

ĩĩD 7ĨÌ92

22 Hiệu chỉnh lại phần lõi sắt phần ứng /' = L — = 8.8 X _ « 8.35cm

23 Chiều dài phần sắt của phần ứng l Fe = lgk c = 8.8x0.95 = 8.36cm

31 c ,.x - ,x r , 5X 0.64X0.957 -

Sơ bộ chiêu rộng răng phân ứng b 2 = —°- = - ———— =

0.37cm

B zl k c 1.72x95

Thép lã thuật điện 2312 dày 0,5mm lấy B z = 1.7T\ k =0.95

32 Kích thước rãnh phần ứng được chọn từ thông số thực tế

Chiều rộng rãnh là b = 4mm

Chiều sâu rãnh là h r = 18 mm

Chiều dài rãnh là L = 87 mm Chiều dày

cách điện rãnh c = 0.5mm Chiều cao

u = 1 là số rãnh nguyên tố được chọn để đổi chiều u < 5

36 Chiều dài trung bình của một vòng dây

26

03D = 3 X 19.2 = 5.76cm Chiều cao lưng phần úng:

Hình 3.3 Mô hình thiết kế 3D Stator

42 Khe hở không khí (theo bảng 12-21 tài liệu tham khảo)

Chọn h gl =13.5mm cho vật liệu bằng nhôm theo mô hình thật

51 Đường kính ngoài thân máy

u = 1 là rãnh ngu yên tố trên một rãnh thực

58 Chiều dài chổi than l h = 2.5 cm

59 Số chổi than trên một giá chổi than chọn N ch = 2

60 Đường kính cổ góp

D G =(0.65 -^0.7) D =(0.65 -ỉ- 0.7) X 19.2 = 124.8mm

Chọn theo tiêu chuẩn D c = 125mm

61 Chiều dài tác dụng của chổi than

lo = N ch {L + 0.8) +1 = 2(2.5 + 0.8) +1 = 1.6cm

Dây quấn kích thích nối tiếp

62 Dòng điện trong dây quấn kích thích nối tiếp bằng dòng phần ứng Vì vậy số vòng day kích thích nối tiếp bằng

Fa 3815x1

2 pl 2 6x41.3 vòng

Với a nt = 1 với dòng nhỏ hơn 200A

F t = cA = 8.04x474.5 = 3815 là sức từ động của dây quấn kích thích nối tiếp

Với c = 0.4(r-^) X10 = 0.4( 10.05- 8.04) = 8.04wm là cung dịch chuyển chổi than

3.3 Xây dựng Graphic User Interface (GUI trên Matlab) cho thiêt kế chung cho động

cơ DC [15]

Với cách tiếp cận này việc thiết kế động cơ DC trở lên linh hoạt hơn Với các thông số được chọn ban đầu thì việc tính ra được các bộ thông số thiết kế tương ứng Chi tiết phương pháp tính các thông số được trĩnh bày chi tiết ở phần phục lục Matlab code

Ví dụ cho các thông số như sau:

Hình 3.5 Thiết kế các thông số chính cho phần động cơ trên GUI matlab Mô tả chi

tiết về công thức tính và code trên GUI được trĩnh bày trong phụ lục 3

3.4 Thực nghiệm

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống đo vận tốc và mô men xoắn của động cơ

DC đồng trục Mục tiêu của mô hình thực nghiệm để kiểm tra chiều quay, tốc độ và moment xoắn của rotor và stator