Thiết kế động cơ dc đồng trục design for coaxial dc motor

Động cơ xoay chiều gồm c c loại chính sau: Động cơ xoay chiều đồng bộ Động cơ xoay chiều một pha Động cơ xoay chiều ba pha Hình 1.2 Mô hình động cơ DC 1.1 Tổng quan về động cơ đồng trục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

T G ĐẠI HỌC CH H A

-

GUYỄ ĐỨC THỊ H

THIẾT Ế ĐỘ G CƠ DC ĐỒ G T ỤC

DESIGN FOR COAXIAL DC MOTOR

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số: 60520114

LUẬ VĂ THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH th ng 12 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

C n bộ hướng dẫn khoa học :

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

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

(Ghi rõ họ tên học hàm học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học B ch Khoa ĐHQG Tp HCM ngày th ng năm

Thành phần Hội đồng đ nh gi luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ tên học hàm học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

X c nhận của Chủ tịch Hội đồng đ nh gi LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒ G T Ở G H A…………

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

T G ĐẠI HỌC CH H A CỘ G HÒA XÃ HỘI CHỦ GHĨA VIỆT AM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

HIỆM VỤ LUẬ VĂ THẠC SĨ Họ tên học viên: MSHV:

Ngày th ng năm sinh: Nơi sinh:

Chuyên ngành: Mã số :

I TÊ ĐỀ TÀI:

II HIỆM VỤ VÀ ỘI DU G:

III GÀY GIA HIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV GÀY H À THÀ H HIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

V C Ộ H Ớ G DẪ (Ghi rõ học hàm học vị họ tên):

Tp HCM, ngày tháng năm 20

C Ộ H Ớ G DẪ (Họ tên và chữ ký) CHỦ HIỆM Ộ MÔ ĐÀ TẠ (Họ tên và chữ ký) T Ở G H A….………

(Họ tên và chữ ký)

L I C M Ơ

Em xin gửi lời c m ơn tới thầy hướng dẫn trực tiếp PGD.TS Nguyễn Tấn Tiến với những định hướng nghiên cứu c c phương ph p tiếp cân và tài liệu bổ ích của Thầy

Em xin gửi lời c m ơn tới tất cả các Thầy trong hội đồng đ nh gi đề cương với những câu hỏi và lời góp ý bổ ích cho đề tài này

Em xin gửi lời c m ơn tới tất cả các anh em trong High tech lab hỗ trợ đã tạo điều kiện giúp đỡ làm việc trong thời gian thực hiện luận văn

Em xin gửi lời c m ơn tới các anh em làm việc trong ngành EEIT Trường Đại học Việt Đức đã hỗ trợ và tư vấn về trang thiết bị để làm thực nghiệm trong thời gian dự án

Và sau cùng, em xin gửi lời c m ơn đến vợ con và gia đình em đã luôn động viên, hỗ trợ và là động lực chính để em hoàn thiện dự án

Phần lý thuyết về động cơ một chiều cũng như c c đặc tính cũng được tóm tắt lại

Phần trọng tâm của luận văn được trình bày ở Chương 3 với các nội dung chính thực hiện sau:

- Xây dựng mô hình to n cho động cơ DC đồng trục dựa trên mô hình toán của động cơ DC và mô hình to n của động cơ 3 pha đồng trục

- Tính toán thiết kế cho động cơ DC đồng trục với một số yêu cầu cho trước

; xây dưng mô hình tính chung p dụng việc thiết kế động cơ DC (thiết kế GUI trên matlab)

- Thiết kế chế tạo mô hình 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 văn có được từ kết quả mô phỏng trên matlab, kết quả mô phỏng thiết kế 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 ph p thực nghiệm

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 of 2 axes

- Experimental method is approached to determin motor parameters such as resistance, inductance, electrical time constant, and moment of ineria

- The result of this thesis comes from the Matlab, desing of motor in ANSYS Maxwell, and the result of the experimental part

Lời cam đoan của tác giả luận văn

Đề tài luận văn thiết kế động cơ DC đồng trục được dựa theo yêu cầu của đơn vị đặt hàng với c c thông số cho trước Phần cơ sở lý thuyết được trình bày dựa trên

c c tài liệu nghiên cứu trước đó có trích dẫn Phần xây dựng mô hình to n cho động

cơ được chính t c giả xây dựng lên Phần tính to n thiết kế cho động cơ cũng được

t c giả tính to n lựa chọn c c thông số mô phỏng trên Matlab thiết kế trên ANSYS Maxwel Phân thực nghiệm được t c giả tự thiết kế xây dựng lên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG 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 NGUY N L Đ C TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VI C C A Đ NG CƠ M T CHI U 7

2.1 Nguyên lý của động cơ một chiều 7

2.2 Cấu tạo của m y điện một chiều 8

2.2.1 Stator của m y 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 Kết cấu m y điện 12

2.4.1 Phân loại theo phương ph p bảo vệ m y đối với môi trường 12

2.4.2 Phân loại theo c ch 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 nh hưởng của c c thông số điện đối với đặc tính cơ 14

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

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ 17

3.1 Mô hình hóa hệ thống 17

Phương trình 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 hợp của 2 trường hợp trên 21

3.2 Thiết kế hệ thống cho động cơ 23

3.2.1 Chọ n 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 c c thông số của động cơ 32

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

CHƯƠNG 4 KẾT QU MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHI M 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

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 55

Phục lục 1: Thiết kế cho phần thực nghiệm 56

Thiết kế động cơ đồng trục 57

Phần b nh đà có mô men qu n tính thay đổi 58

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

Thiết kế phần điện cho động cơ đồng trục 59

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

Thiết kế phần điều khiển cho đối trọng có mô men qu n tính thay đổi 60

Phụ lục 2: Motor data sheet 64

Phụ lục 3: Matlab code 70

CH Ơ G 1 TỔ G QUA

Giới thiệu về động cơ

Năm 1831 Michael Fraday đã ph t minh và khảo s t hiện tượng cảm ứng điện

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 ph t 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 dụng rộng rãi cho tới ngày nay

Nửa đầu thế kỷ 19 hầu hết động cơ chạy bằng năng lượng Pin cho nên động

cơ DC được tập trung ph t triển Và sau đó động cơ đồng bộ động cơ AC mới

ph t 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 dưới t c dụng của lực điện từ Động cơ DC

có 2 phần chính là: rotor (phần chuyển động) và Stator (phần đứng yên) Động cơ điện một chiều gồm c c 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 c c 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 thứ hai Từ trường rôto có thể được tạo ra bởi c c 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 c c nguyên tắc tương tự như động cơ quay nhưng có c c bộ phận cố định và chuyển động của chúng được

bố trí theo cấu hình đường thẳng tạo ra chuyển động thẳng thay vì xoay Động cơ xoay chiều gồm c c loại chính sau:

Động cơ xoay chiều đồng bộ

Động cơ xoay chiều một pha

Động cơ xoay chiều ba pha

Hình 1.2 Mô hình động cơ DC 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 hợp với lực liên kết giữa c c 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 l i hoặc phải tốn một lượng công nhất định giúp giữ thiết bị không đi theo đường xoắn ốc Để khắc phục tình trạng này hệ đẩy hai tầng c nh 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 thế 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 c nh quạt thấp lượng không khí chảy dọc tầng cánh sẽ gây nên những luồng không khí di chuyển tiếp tuyến với biên dạng tầng cánh Dòng không khí tiếp tuyến không chỉ lãng phí năng lượng do không góp phần nâng máy bay mà còn khiến toàn bộ thân máy bay sẽ chịu một mômen xoắn và phải mất thêm một

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 c nh 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 cứu cơ học chất lưu cho loại cánh quạt đồng trục hiệu quả nâng được tăng lên từ 6% đến 10% so với sử dụng c nh 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 s ng chế đã được b n trên thị trường kể từ đó

Ở nước ta chưa có bất cứ 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 cũngsử 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 kh c nhau như nghiêng máy bay, ngư lôi, tàu ngầm thay đổi độ sâu lặn…

Việc nghiên cứu đề xuất thiết kế cơ khí theo mô hình hai c nh quạt đồng trục kết hợp với giải thuật điều khiển tự khử mômen xoắn sẽ là bước đầu làm chủ các vũkhí 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 thăng Ka-31 năm 2015 (c) Hệ đẩy của ngư lôi

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 cứu một hệ đẩy có khả năng tự khử mômen gây xoay cho toàn bộ thiết bị trong các trường hợp 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]

và góc xoay của Stator (hình 1.4)

Hình 1.4 Ghép nối hai động cơ theo phương dọc trục

Hình 1.6 Chế tạo bộ vi sai có điều khiển Giải pháp 4

Giải pháp đưa ra mô hình động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cả phần cảm và phần ứng quay, tốc độ tương đối của hai trục là cố định, tốc độ tuyệt đối của từng trục được điều chỉnh nhờ tăng ma sát cho phần cảm Như vậy việc điều khiển quy về điều khiển lực ép phanh giảm tốc độ quay của phần ứng (Hình 1.7)

Hình 1.7 Chế tạo động cơ điện một chiều đặc biệt

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

Tổ chức của luận văn

- Nguyên lý đặc tính và c c trạng th i làm viêc động cơ một chiều (DC)

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

- Tính to n thiết kế c c thông số cho động cơ

- Thiết kế mô hình 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

CH Ơ G 2 GUYÊ L Đ C T H VÀ C C T Ạ G TH I

LÀM VIỆC CỦA ĐỘ G CƠ MỘT CHIỀU

2.1 guyên lý của động cơ một chiều

Qu trình điện từ dùng giải thích nguyên lí hoạt động một chiều như sau:

Khi cấp nguồn p một chiều vào dây quấn phần cảm để tạo ra từ trường kích thích Đồng thời cấp nguồn p một chiều vào hai đầu phần ứng để tạo dòng Iư qua c c thanh dẫn trên phần ứng

C c thanh dẫn phần ứng mang dòng điện Iư và đặt trong từ trường kích thích sẽ chịu t c động của lực điện từ F và tạo thành moment làm quay phần ứng

Qu trình điện từ khi vận hành ở chế động cơ được tóm tắt như sau:

SỨC TỪ ĐỘ G KÍCH THÍCH

TẠ TỪ THÔNG KÍCH THÍCH

THA H DẪ MANG DÒNG

Đ T T G

TỪ T G PHẦ CẢM

Ê CHỊU T C

ĐỘ G LỰC ĐIỆ TỪ

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

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

- Khi phần ứng quay c c thanh dẫn trên phần ứng cùng di chuyển cắt đường sức từ trường phần cảm trên c c thanh dẫn hình thành c c 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 trên 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

2.2 Cấu tạo của máy điện một chiều

M y điện một chiều là danh từ gọi chung cho m y ph t và động cơ một chiều

M y ph t và động cơ có cấu tạo giống hệt nhau; nói c ch kh c m y ph t và động cơ

có tính thuận nghịch Có thể hiểu một c ch đơn giản: khi dùng động cơ sơ cấp quay động cơ một chiều động cơ thực hiện tính năng của m y ph t điện hoặc khi cung

cấp điện năng vào dây quấn phần ứng và phần cảm của m y ph t một chiều thì m y phát thực hiện tính năng của động cơ điện Tại phần này ta xét m y điện một chiều

là động cơ điện

2.2.1 Stator của máy điện một chiều

Stator máy điện một chiều có vỏ cực từ chính và cực từ phụ Vỏ thường là thép đúc hoặc thép tấm uốn lại Đối với m y lớn

Hình 2.3 Cấu tạo chung DCMC 2.2.2 Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ C c lỗi sắt cực từ được làm từ c c l thép kỹ thuật điện có đồ dày 0,5-1 mm ghép lại với nhau nhằm để giảm bớt sự tổn hao phần lõi Cực từ được gắn chặt với vỏ m y nhờ c c bu long Trên cực từ dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng và mỗi cuộn dây được bọc c ch điện trước đặt trên c c cực từ

2.2.3 Cực từ phụ

Được đặt trên c c cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép c c cực

từ phụ làm bằng l thép đúc mặt cực có khe khở không khí với Rôto rộng hơn so với cực từ chính và được gắn vào vỏ m y nhờ c c 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 c c l thép kỹ thuật mỏng để giảm tổn hao lõi sắt từ trong động cơ truyền động bằng nguồn chỉnh lưu b n Trong động cơ điện nhỏ thường làm từ thép dày uốn hàn lại còn với m y điện lớn người ta thường dùng thép đúc

2.2.5 Lõi thép

Mạch từ của rôto để dẫn từ được ghép từ c c l thép kỹ thuật điện dày 0 5mm được c ch điện với nhau để giảm tổn hao do dòng xo y.Đối với động cơ công suất trung bình và lớn người ta tạo ra c c rãnh thông gió làm m t theo b n kính( c c l thép được ghép lại từng tệp c c tệp c ch nhau một rãnh làm m t)

2.2.6 Dây quấn phần ứng

Là mạch điện roto bao gồm 1 hoặc nhiều vòng dây với hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp

2.2.7 Cổ góp

Cuộn dây rôto là cuộn dây khép kín mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp

C c phiến góp được ghép c ch điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp Phiến góp được làm bằng đồng vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học chống mài mòn

Hình 2.4 Kích thước ngang của cổ góp

chổi được làm bằng kim loại gắn vào Stator có lò xò tạo p lực chổi và c c thiết bị khác

2.3 Phân loại động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là loại m y điện biến điện năng dòng một chiều thành

cơ năng

Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi.Để 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 c c 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 hợp

Hinh 2.6 Phân loại động cơ một chiều

Công suất lớn nhất của m y điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tang công suất của m y điện một chiều Cấp điện p của

m y một chiều thường là 120V 240V 400V 500V và lớn nhất là 1000V Không thể tăng điện p lên nữa vì điện p giới hạn của c c phiến góp là 35V

2.4 ết cấu máy điện

Mặc dù kích thước của c c bộ phận vật liệu t c dụng và đặc tính của m y phụ thuộc phần lớn vào tính to n điện từ và tính to n thông gió tản nhiệt nhưng cũng có phần liên qu n đến kết cấu của m y Thiết kế m y phải bảo đảm sao cho m y gọn nhẹ thông gió tản nhiệt tốt mà vẫn có độ cứng cững và độ bền nhất định Thường căn cứ vào điều kiện làm việc của m y để x c định độ cứng và độ bền của c c chi tiết m y Vì vậy thiết kế kết cấu là một phần quan trọng trong toàn bộ thiết kế Nguyên tắc chung để thiết kế kết cấu:

 Đảm bảo độ tin cậy của m y lúc làm việc

 Đảm bảo bảo dưỡng m y thuận tiện

 Đảm bảo chế tạo đơn giản gi thành hạ

2.4.1 Phân loại theo phương pháp bảo vệ máy đối với môi trường

Cấp bảo vệ của m y ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu của m y 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 c c vật kh c rơi vào vào m y được chia làm 7 cấp

đ nh số từ 0 đến 6 trong đó ố 0 chỉ rằng m y không được bảo vệ( kiểu hở hoàn toàn) còn số 6 chỉ rằng m y 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

m y gồm 9 cấp đ nh số từ 0 đến 8 trong đó số 0 chỉ rằng m y không được bảo vệ còn số 8 chỉ số m y có thể ngâm trong nước trong thời gian vô hạn định

2.4.2 Phân loại theo cách lắp đặt

Theo c ch lắp đặt m y ký hiệu bằng chữ IM theo 4 chữ số tiếp theo Ở đây: số thứ nhất chỉ kiểu kết cấu gồm 9 số đ nh từ 1 đến 9 chỉ c ch lắp đặt đặc biệt Số thứ hai và ba chỉ c ch thức lắp đặt và hướng đầu của trục m y Số thứ tư chỉ kết cấu của đầu trục gồm 9 loại đ nh số từ 0 đến 8 trong đó số 0 chỉ m y không có đầu trục số

1 chỉ m y có đầu trục hình trụ số 8 chỉ đầu trục có c c kiểu đặc biệt kh c

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 hình 2.7

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

Với c ch mắc nối tiếp dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = Iư 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 trình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện Iư < (0 8 ÷ 0 9)Iđm Tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ thông ϕ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi sau đó khi tải lớn (Iư > Iđm) thì có thể coi ϕ = const vì mạch từ đã bị bão hòa

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

Xuất ph t từ c c phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung:

u uf u u

U  (  ) ; Eu K..

2 ' .

Iu K K IuK

Hình 2.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

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 (ϕ = const)

Khi MC = 0 (Iư = 0) theo phương trình đặc tính cơ (2.13) thì trị số ω sẽ vô cùng lớn Thực tế do có lực ma s t ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ

dư (ϕdư ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0 tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:

duK

2.5.2 Ảnh hư ng của các thông số điện đối với 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 p

Phương trình đặc tính cơ ω = 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 C c đặc tính cơ nhân tạo ứng với Rưf ≠ 0 Đặc tính càng thấp khi Rưf càng lớn

Hình 2.10 nh 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 trình đặc tính cơ khi cho ω = 0

2 '

2.5.3 M máy (kh i động) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Lúc mở m y động cơ phải đưa thêm điện trở mở m y vào mạch động cơ để hạn chế dòng điện mở m y không được vượt qu giới hạn 2 5Iđm Trong qu trình động

cơ tăng tốc phải cắt dần điện trở mở m y và khi kết thúc qu trình mở m y động

cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mở m y

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

Khi động cơ được cấp điện c c tiếp điểm K1 và K2 mở để nối c c điện trở R1

và R2 vào mạch động cơ Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn cho phép ứng với mômen mở m y: Mmm = M1 = (2 ÷ 2 5)Mđm

Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b Cùng với qu trình tăng tốc mômen động cơ giảm dần Tới điểm b tốc độ động cơ là ω2 và mômen là M2 = (1 1 ÷ 1 3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng cắt điện trở mở m y 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 M1 động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1 Khi mômen động cơ giảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ ω1) thì điện trở mở m y R1 còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1 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 ωA

CH Ơ G 3 THIẾT Ế ĐỘ G CƠ DC ĐỒ G T ỤC

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

- Xây dựng mô hình hóa cho động cơ

- Tính to n thiết kế thông số cho động cơ

- Mô phỏng thiết kế trên phần mềm

- Tiến hành thực nghiệm trên mô hình động cơ nhỏ

d a dt

f t là motor friction torque

Phương trình torque viết lại

Áp dụng phương ph p từ thông không đổi

Với động cơ DC đồng trục double-rotor sẽ là sự kết hợp của 2 trường hợp trên

Khi đó phương trình mô hình hóa sẽ được biểu diễn như sau

D D là hệ số 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

1 1

ext s s ext r r

T J T B

J L

3.2 Thiết kế cho động cơ

Từ yêu cầu thực tế của đơn vị đối t c để thiết kế động cơ DC đồng trục có c c thông

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   87%

2 Sơ bộ x c định dòng điện của động cơ

3

10 35000

44.70.87 90

12 Chiều dài tính toán mặt cực từb a  0.8 10.05   8.04cm

13 Chiều dài mặt cực từ ( khe khở không khí không đều)b m b  8.04cm

3.2.2 ích thước rãnh phần ứng

14 Chọn cách quấn dây: quấn xếp đơn rãnh thực chứa một rãnh nguyên tố

15 Dòng điện của một mạch nhánh song song 2

2

41.3 41.3A 1

I i a

DA N

i

   (lấy nguyên phần làm tròn lên của số rãnh phần ứng)

17 Số rãnh phần ứng Z63

2

19.2

0.957 63

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 2 693 41.3

474.5( / ) 19.2

A J

      Xét cấp c ch điện H-C

29 Tiết diện dây dẫn 2 2

2 2

20.6

2.06 10

Ghép hai loại PETV đường kính d d/ cd  1.4 /1.485

Tiết diện dây dẫn bằng 2

r cd r

31 Sơ bộ chiều rộng răng phần ứng 2

2 2

0.64 0.957

0.37 1.72 95

Thép kĩ thuật điện 2312 dày 0,5mm lấy B Z  1.7 ;T k c  0.95

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

Chiều rộng rãnh là b r 4mm

Chiều sâu rãnh là h r 18 mm

Chiều dài rãnh là L87 mm

Chiều dày c ch điện rãnh c0.5mm

Chiều cao nêm h n 3mm

z y

cm uZ

1

u là số rãnh nguyên tố được chọn để đổi chiều u5

36 Chiều dài trung bình của một vòng dây

2tb 2 d 2 19.2 7.92 54.24

37 Chiều dài toàn bộ dây quấn phần ứng:

Hình 3.3 Mô hình thiết kế 3D Stator

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

g gl l

S

l

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

51 Đường kính ngoài thân máy

2 (8 10) 2 160 10 310 31

nl

D  h      mm cm Chọn D nl  30.7cm theo mô hình thật

52 Đường kính trong thân cực

28 19.2

4.4

L c

u là rãnh ngu yên tố trên một rãnh thực

58 Chiều dài chổi than l ch  2.5cm

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

60 Đường kính cổ góp

0.65 0.7 0.65 0.7 19.2 124.8

G

Chọn theo tiêu chuẩn D G  125mm

61 Chiều dài tác dụng của chổi than

 0.8 1 2 2.5 0.8  1 7.6

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

F cA   là sức từ động của dây quấn kích thích nối tiếp

Với c0.4 b100.4 10.05 8.04   8.04mm 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 c ch tiếp cận này việc thiết kế động cơ DC trở lên linh hoạt hơn Với c c thông số được chọn ban đầu thì việc tính ra được c c bộ thông số thiết kế tương ứng Chi tiết phương ph p tính c c thông số được trình bày chi tiết ở phần phục lục Matlab code

Ví dụ cho c c thông số như sau:

% Design of 40KW, 90V, Lap wound DC Machine

KW = 40; % Power

V = 90; % Voltage

nv = 4; %No.of ventilating ducts

bv = 10; % Width of ventilating ducts

PAbPP = 0.7; %Polearc /Pole pitch Pole Arc = Arme Core Length

SpP = 14; %Slots/pole Iron factor (ki)= 0.9; Volage drop on FL

Với c c inputs trên Kết quả c c thông số chính thiết kế cho động cơ Output có thể thấy ngay được Điều này thuận lợi cho việc hiệu chỉnh c c thông số để được thiết kế mong muốn

Hình 3.5 Thiết kế c c thông số chính cho phần động cơ trên GUI matlab

Mô tả chi tiết về công thức tính và code trên GUI được trình 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