Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển tốc độ cho động cơ không dùng lõi thép

Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển tốc độ cho động cơ không dùng lõi thép Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển tốc độ cho động cơ không dùng lõi thép Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển tốc độ cho động cơ không dùng lõi thép luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Bùi Trung Tuyến

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Hà Nội – Năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Bùi Trung Tuyến

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Nguyễn Quang Địch

Mục Lục

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt iii

Danh mục bảng biểu iv

Danh mục hình vẽ, đồ thị v

Lời nói đầu 1

Lý do chọn đề tài 1

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn 3

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 3

Phương pháp nghiên cứu 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP 5

1.1 Tổng quan về động cơ không lõi thép 5

1.1.1 Hiện tượng mô men đập mạch (Cogging Torque) 6

1.1.2 Động cơ không lõi thép 8

1.1.3 So sánh động cơ có lõi thép và không lõi thép 9

1.1.4 Ứng dụng của động cơ không lõi thép 11

1.2 Động cơ tự nâng không lõi thép 11

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP 13

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 13

2.1.1 Cấu tạo 13

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 16

2.2 Mô hình toán học động cơ tự nâng không lõi thép 17

2.2.1 Mô tả cấu trúc động cơ trên hệ trục tọa độ Oxy và z-θ 17

Mục Lục

2.2.3 Mô hình hóa động cơ tự nâng không lõi thép 24

Chương 3 THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG KHÔNG DÙNG LÕI THÉP 29

3.1 Cấu trúc điều khiển cho động cơ tự nâng không lõi thép 29

3.1.1 Bộ điều khiển mô men vòng kín 30

3.1.2 Bộ điều khiển mô men vòng hở 31

3.2 Tính toán tham số bộ điều khiển PI và PID cho mạch vòng tốc độ và vị trí

33

3.2.1 Bộ điều khiển vị trí 35

3.2.2 Bộ điều khiển tốc độ 36

Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 40

4.1 Mô phỏng bằng công cụ Matlab/ Simulink 40

4.1.1 Xây mô hình trên Matlab/Simulink 41

4.1.2 Mô phỏng 43

4.2 Chế tạo thực nghiệm 46

4.2.1 Các thiết bị phần cứng 48

4.2.2 Kết quả chế tạo và thực nghiệm 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 57

Tài liệu tham khảo 58

Phụ lục 60

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

ABM Ổ đỡ từ chủ động Active magnetic bearings

AC Dòng điện xoay chiều Alternating Current

ADC Mạch chuyển đổi tương tự ra số Analog-to-digital converter

BJT Transistor lưỡng cực Bipolar junction transistor

BLDC Động cơ một chiều không chổi than Brushless DC electric motor DAC Mạch chuyển đổi số ra tương tự Digital-to- analog converter

DC Dòng diện một chiều Direct Current

PID Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ Proportional Integral Derivative

SBSM Động cơ tự nâng không lõi thép Self-Bearing Slotless Motor TTL Mạch kỹ thuật số dùng transistor Transistor-transistor logic

Danh mục bảng biểu

Danh mục bảng biểu

Bảng 1.1 So sánh thông số cơ bản giữa động cơ có và không lõi thép 11

Bảng 2.1 Chiều của lực từ và vị trí tương ứng của các pha 16

Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng các trường hợp điểm cực khác nhau 38

Bảng 4.1 Tham số chế tạo động cơ 41

Bảng 4.2 Tham số mô phỏng 42

Bảng 4.3 Liệt kê đầu vào ra sử dụng trên card DS1104 47

Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của họ cảm biến LS-500 52

Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật mạch khuếch đại công suất 54

Danh mục hình vẽ, đồ thị

Danh mục hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Động cơ không lõi thép 5

Hình 1.2 Phương pháp giảm mô men đập mạch bằng cách tạo rãnh xoắn 6

Hình 1.3.Cấu trúc động cơ không lõi thép (slotless motor)(a) và mô hình mạch từ đơn giản(b) 8

Hình 1.4 So sánh cấu tạo động cơ có lõi thép và không lõi thép 10

Hình 1.5 So sánh mô men hai loại động cơ 10

Hình 1.6 Cấu tạo động cơ tự nâng không lõi thép 12

Hình 2.1 Cấu tao Rotor động cơ không lõi thép 13

Hình 2.2 Đường sức từ khi có vỏ sắt 14

Hình 2.3 Cấu tạo stator 14

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo một vòng dây quấn của động cơ 15

Hình 2.5 Một cuộn dây động cơ trong thực tế 15

Hình 2.6 Lực từ và mô men quay động cơ tự nâng không lõi thép 16

Hình 2.7 Sơ đồ động cơ theo trục tọa độ: a) trục Oxy b) trục z-θ 17

Hình 2.8 Phân tích lực thành phần tạo lực nâng Fx và Fy 19

Hình 2.9 Véc tơ lực nâng đối với rotor 21

Hình 2.10 Phân tích thành phần lực tạo mô men 23

Hình 2.11 Sơ đồ quấn dây 26

Hình 3.1 Bộ điều khiển vòng kín 31

Hình 3.2 Bộ điều khiển vòng hở 32

Hình 3.3 Mô hình đối tượng bộ điều khiển vị trí 34

Hình 3.4 Mô hình đối tượng cho bộ điều khiển mạch vòng tốc độ 34

Hình 3.5 Phân tích đặc tính quá độ trong các trường hợp điểm cực khác nhau 38

Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng không lõi thép 40

Hình 4.2 Mô hình động cơ trên simulink 41

Hình 4.3 Mô hình mô phỏng mạch vòng kín trên simulink 42

Hình 4.4 Mô hình mô phỏng trường hợp vòng hở 43

Hình 4.5 Kết quả mô phỏng trường hợp vị trí ban đầu x=0.5mm, y=-0.5mm 44

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng trường hợp vị trí ban đầu x = -0.5mm, y = 0.5mm và tác dụng lực 1N tại t=0,5s 44

Danh mục hình vẽ, đồ thị

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng với momen cản bằng 0 45

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng với mô men cản bằng 1Nm tại thời điểm t = 0,5s 45

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng điều khiển mô men vòng hở 46

Hình 4.10 Mô hình thực nghiệm điều khiển động cơ SBSM sử dụng DS1104 47

Hình 4.11 Các bước quấn dây stator 48

Hình 4.12 Hình ảnh của động cơ tự nâng không lõi thép 49

Hình 4.13 Card điều khiển DS1104 50

Hình 4.14.Cảm biến LS-500-2A 53

Hình 4.15 Đường đặc tính đầu ra với vật liệu đối tượng là sắt , thép 53

Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 53

Hình 4.17 Layout mạch in phần công suất 54

Hình 4.18 Cấu trúc bộ thí nghiệm 55

Hình 4.19 Giao diện điều khiển trên máy tính 55

Hình 4.20 Sơ đồ điều khiển xây dựng trên Matlab/Simulink 56

Lời nói đầu

Lời nói đầu

Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây nhờ sự phát triển của khoa học, kỹ thuật rất nhiều loại máy móc thiết bị mới đã ra đời phục vụ cho công nghiệp và sinh hoạt Với những đặc điểm nổi bật nên động cơ điện đồng bộ kết hợp ổ từ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực với các ứng dụng khác nhau như: trong y tế, động cơ đồng bộ dùng ổ từ tạo truyền động cho dây chuyền điều chế thuốc; bơm làm mát cho các bộ phát tia laser; ứng dụng trong công nghệ thực phẩm; máy phát tua–bin Các đặc điểm vượt trội hơn các loại động cơ khác như hiệu suất, cosφ cao; tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp; không bị hao mòn, ma sát rất nhỏ do dùng ổ từ; có khả năng tăng công suất khi tăng thêm các stator và rotor gắn trên trục động cơ…

Hơn nữa, chất lượng của một hệ truyền động phụ thuộc rất nhiều vào động cơ tạo nên truyền động đó Cần phải tạo ra một hệ truyền động có khả năng thay đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh

ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng phải đạt được độ ổn định cao và hệ phải có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh Tất cả những điều này thực sự đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống truyền động; đặc biệt yêu cầu điều khiển thông minh, nhanh ở động cơ đồng bộ sẽ được đề cao hơn rất nhiều Các cấu trúc động cơ thông thường đã được cải tiến một cách mạnh mẽ tuy nhiên vẫn tồn tại các nhược điểm của một động cơ có lõi thép như: tồn tại mô men đập mạch, tần số hoạt động thấp…

Và để giải quyết các yêu cầu đó tác giả quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu

thiết kế hệ điều khiển tốc độ cho động cơ không dùng lõi thép” để làm luận văn

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Khoảng hơn mười năm trở lại đây trên thế giới đã thực hiện nhiều nghiên cứu

về động cơ tự nâng không lõi thép, đặc biệt đã chế tạo thành công nhiều mẫu trong phòng thí nghiệm Một số nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu Cụ thể:

Lời nói đầu

- Tại phòng thí nghiệm Cơ điện tử trường đại học Kentucky, Hoa Kỳ Các phân tích và đánh giá về động cơ tự nâng không lõi thép cho thấy: mô men

và lực nâng có thể thực hiện được với số lượng cực của nam châm lớn, độ lớn của mô men và lực nâng có thể được gia tăng theo chiều dày của nam châm, động cơ có thể hoạt động ổn định nếu sự sai lệch giữa dòng điện và từ trường nam châm nhỏ[1] Nhóm tác giả này đã chế tạo thử nghiệm động cơ này với thông số : đường kính 152mm, dài 25.4mm, lực đỉnh lên tới 213.6 N

và mô men đỉnh đạt 24Nm.[2]

- Tại phòng thí nghiệm Điện tử công suất của Viện công nghệ Liên bang Thụy

sĩ Các nhà nghiên cứu đã thực hiện chế tạo động cơ loại này đạt được tốc

độ 550000 rpm Điều mà các động cơ thông thường chưa thực hiện được [3]

- Tại Trường đại học Ritsumeikan, Nhật bản, một cấu trúc động cơ mới đã được nghiên cứu bằng cách thay đổi cách thức chế tạo đã đơn giản hóa được phương pháp điều khiển[4]

Ngoài ra còn có một số nghiên cứu bổ sung hoàn thiện thiết kế đã được công

bố khác Còn tại Việt Nam, loại động cơ này còn tương đối mới nên chưa có các nghiên cứu cụ thể về lĩnh vực này

Việc nghiên cứu mới chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm, mặc dù các công

bố cho thấy khả năng làm việc của chúng nhưng vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi Các bài toán điều khiển cho loại động cơ này chưa thực sự được đề cập tới, phần lớn các nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và chế tạo động cơ cũng như phân tích các cách thức làm việc của nó

Lời nói đầu

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn

Mục đích chính của đề tài là tìm hiểu nghiên cứu về động cơ tự nâng không lõi thép Tìm hiểu và nghiên cứu phương pháp điều khiển đối với một cấu trúc động cơ

cụ thể Tính toán mô phỏng hệ thống và thực nghiệm kiểm chứng

Đối tượng của đề tài là động cơ tự nâng không lõi thép sử dụng 6 pha được miêu tả cụ thể trong chương 2 của luận văn Phạm vi đề tài là thực hiện nghiên cứu

lý thuyết nguyên lý hoạt động của động cơ từ đó xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm chứng tạo tiền đề cho các nghiên cứu mở rộng sau này

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Trong luận văn này tác giả sẽ trình bày nội dung theo bốn chương, cụ thể là:

- Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không sử dụng lõi thép Tổng quan về loại động cơ không lõi thép, phân tích các ưu điểm và nhược điểm của loại động cơ này so với động cơ lõi thép thông thường, đồng thời giới thiệu về cấu trúc động cơ tự nâng không lõi thép đang

nghiên cứu

- Chương 2: Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

đang nghiên cứu

- Chương 3: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ tự nâng không lõi thép Xây dựng mô hình hệ điều khiển cho động cơ, phân tích các phương pháp điều khiển khả quan cho đối tượng và tính toán lựa chọn tham số bộ

từng bộ điều khiển đối với mạch vòng vị trí và mô men

- Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng Mô phỏng đối tượng trên công cụ Matlab/Simulink Đồng thời chế tạo bộ thí nghiệm động cơ

tự nâng không lõi thép với công cụ điều khiển DS1104

Luận văn này góp phần vào việc nghiên cứu các hệ thống truyền động mới trên thế giới Việc nghiên cứu các hệ điều khiển truyền động cho động cơ tự nâng không lõi thép chưa phổ biến ở Việt Nam Do đó, với kết quả của luận văn này có thể được làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo

Lời nói đầu

Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các kết quả đã được công bố, phương pháp tiếp cận là thừa hưởng các nghiên cứu đã có, áp dụng các lý thuyết chung để thực hiện chế tạo thử nguyên mẫu, từ đó nghiên cứu và giải quyết các vấn đề mang tính mới

Phương pháp nghiên cứu là sử dụng các phân tích lý thuyết vật lý cơ bản trong

lý thuyết điện từ trường để tìm hiểu nguyên lý động cơ Từ đó kiểm nghiệm lại bằng các mô phỏng và thí nghiệm

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG

LÕI THÉP

1.1 Tổng quan về động cơ không lõi thép

Các nhà thiết kế thường chọn những động cơ không chổi than cho các máy bơm, quạt gió và động cơ cho ổ cứng bởi vì chúng đã loại bỏ được các thiết bị điện

tử phức tạp cũng như chổi than Tuy nhiên, khi nhu cầu của ngành công nghiệp phát triển, yêu cầu tối ưu hóa hiệu suất động cơ trở nên quan trọng Động cơ DC không chổi than ngày nay rất tinh vi đến mức chúng có thể đáp ứng và vượt qua các đặc tính, chức năng của bộ điều khiển DC servo truyền thống Động cơ không sử dụng lõi thép (SBSM - Self-Bearing Slotless Motor) là một ví dụ điển hình cho các tiến

bộ gần đây Thiết kế động cơ không lõi thép cung cấp những ưu điểm vận hành và hiệu suất tăng đáng kể so với các động cơ một chiều không chổi than

Hình 1.1 Động cơ không lõi thép

Hầu hết các động cơ BLDC sử dụng bộ điều khiển điện tử với các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall Ngoài ra, một số phương pháp điều khiển động cơ loại này không sử dụng cảm biến mà thay vào đó sử dụng phản hồi sức điện động Rotor của động cơ bao gồm một trục thép với nam châm vĩnh cửu hoặc các phiến nam châm ghép quanh chu vi trục Stator là các tấm thép mỏng (dày 0.35mm đến 0.5mm) được ghép lại với nhau tạo thành một khối vững chắc chứa các rãnh quấn dây Các cuộn dây đồng được đặt vào trong các rãnh Đường sức của từ thông hoàn toàn khép

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

mạch trong stator và vỏ động cơ Trên thị trường, động cơ BLDC thông thường có công suất lên đến vài HP, một số có công suất lớn hơn nhưng kém phổ biến hơn

So với động cơ có chổi than, động cơ không chổi than có nhiều ưu điểm: tốc

độ cao, gia tốc nhanh, mô men xoắn liên tục cao hơn, tiếng ồn thấp và ít gây nhiễu điện từ Tuy nhiên, các rãnh stator tạo ra sự không đồng đều về mặt từ, cực nam châm tác động một lực từ nhất định lên các răng stator, mật độ từ thông của rotor tại các điểm đó cũng lớn hơn các vị trí khác Điều này ảnh hưởng xấu đến hiệu suất và

sự mượt mà của chuyển động quay rotor Sự dao động mô men sinh ra khi nam châm của rotor cố gắng quay tới điểm ổn định của nó Các cuộn dây đồng trong rãnh tạo ra từ trường tuy nhiên nó lại không đồng đều mà được phân bố nhiều hơn ở mặt răng của stator Hiện tượng này làm giảm hiệu năng, tạo ra rung động và tiếng

ồn của động cơ Nó được gọi là mô men đập mạch (Cogging Torque)

1.1.1 Hiện tượng mô men đập mạch (Cogging Torque)

Mô men đập mạch là hiện tượng không mong muốn trong các máy điện được tạo ra do lực hút miễn cưỡng giữa răng stator và cực từ rotor Nói cách khác, tồn tại một mô men có xu hướng gây ra cho rotor tại một số điểm lớn hơn các điểm khác khi chưa cung cấp dòng điện stator Có thể thấy điều này khi ta xoay nhẹ rotor bằng tay Mô men đập mạch có giá trị trung bình bằng 0 và nó không phụ thuộc vào dòng điện đặt vào

Hình 1.2 Phương pháp giảm mô men đập mạch bằng cách tạo rãnh xoắn

Trong khi mô men này có lợi cho loại động cơ bước thì trong động cơ nam châm vĩnh cửu nói chung nó trở thành bất lợi Mô men đập mạch tạo ra tiếng ồn và

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

xung động có thể hủy hoại máy điện trong một số trường hợp như cộng hưởng cơ học làm giảm dải tần số làm việc của động cơ…Vì vậy mô men đập mạch là một thông số rất quan trọng của máy điện trong quá trình thiết kế Giá trị đỉnh của nó được phụ thuộc vào các thông số như độ rộng rãnh từ, từ thông nam châm vĩnh cửu

và khe hở không khí Trong thực tế nó có thể được giảm thiểu bằng cách lựa chọn các thông số trên một cách hợp lý Nó có thể được xác định bằng công thức:

2

1 2

dR T

- Nghiêng phiến nam châm rotor hoặc tối ưu hóa các cực nam châm

- Làm tăng mật độ các rãnh dây quấn

- Xây dựng cấu trúc động cơ không lõi thép

Trong số các phương pháp nêu trên, hai phương pháp đầu tiên là phổ biến hơn Bên cạnh đó, một số phương pháp mới cũng có thể làm giảm mô men đập mạch Trong phương pháp đầu tiên là nghiêng khe stator, dễ thấy như trong Hình 1.2, phiến nam châm được trải dài trên một diện tích bao gồm nhiều răng nghiêng Do

đó, mô men này bị giảm đi do phương tác động đã bị thay đổi và lực tác động tổng

bị giảm xuống Phương pháp thứ hai áp dụng tính chất nam châm nghiêng trên rotor làm suy giảm độ lớn từ thông phân bố trên sator, bằng cách này mô men đập mạch

sẽ giảm đi rõ rệt nếu điều chỉnh tốt hình dạng và vị trí của PM Trong phương pháp thứ ba, mỗi phiến nam châm sẽ có tương tác với một số các răng của stator, việc tăng số lượng răng trên stator khiến cho sự tương tác nhiều hơn và chúng tạo ra các cặp lực triệt tiêu nhau, từ đó cũng làm giảm mô men đập mạch

Cách cuối cùng xây dựng một động cơ không sử dụng lõi thép, đây là phương pháp tối ưu vì nó làm biến mất hoàn toàn sự tương tác giữa nam châm rotor và lõi thép stator

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

1.1.2 Động cơ không lõi thép

Khi công nghệ và các phương pháp sản xuất được cải tiến, các thiết kế stator không lõi thép nổi lên như là một giải pháp thay thế cho động cơ không chổi than có lõi thép thông thường Thay vì uốn dây đồng qua khe trong các rãnh thép chúng được xếp chồng lên nhau và phủ lớp chống ăn mòn bằng silicon Sau đó, toàn bộ dây quấn được đóng gói trong nhựa epoxy nhiệt độ cao để duy trì hình dạng Cấu hình này loại bỏ các biến động mô men giúp động cơ làm việc trơn tru Thiết kế không lõi thép cũng làm giảm tổn thất liên quan đến dòng xoáy Với tổn thất giảm nên động cơ không lõi thép làm việc hiệu quả hơn và mát hơn

Động cơ BLDC không lõi thép được phát triển để loại bỏ cogging Torque của động cơ BLDC thông thường Mỗi nam châm trên rotor sẽ tương tác với một số răng nhất định trên stator, việc tăng số rãnh sẽ làm giảm sự khác biệt về vị trí tương tác của chúng từ đó làm giảm Cogging Torque Tuy nhiên, việc này chỉ làm giảm chứ không hoàn toàn biến mất mô men này Số lượng rãnh này càng lớn thì mô men gây ra càng nhỏ Về mặt lý tưởng, nếu không có rãnh sator, mô men đập mạch sẽ bằng 0 Do đó, các động cơ BLDC không sử dụng lõi thép được tạo ra cho các ứng dụng mà ở đó yêu cầu về chất lượng mô men là mối quan tâm lớn lớn nhất

Hình 1.3.Cấu trúc động cơ không lõi thép (slotless motor)(a) và mô hình mạch từ

đơn giản(b)

Hình 1.3 cho thấy một sơ đồ động cơ BLDC không lõi thép Các nam châm vĩnh cửu tách biệt được kết hợp với lõi rôto và các cuộn dây phân phối được cố định trên lõi stator Nếu các thông số hình học và vật liệu của mô hình, khoảng cách không khí từ tính được tính toán thì trong mô hình mạch từ có tính đến một cặp cực

từ thông Φ có thể được biểu diễn bằng:

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

R

R

K R

Trong đó Rm và Rg là từ trở rãnh và khe hở không khí tương ứng, Φr là từ thông cực từ, và Kr hệ số để bù đắp cho sự thiếu hụt của vật liệu thép không sử dụng

Từ thông giữa khe hở không khí có thể được viết như sau:

1

l

r m r

m g

K K

gA K

cơ không lõi thép được thiết kế với dạng điện áp hình sin với sai lệch không đáng

kể, khác với động cơ thông thường sử dụng điện áp hình thang Đầu ra dạng hình sin làm giảm dao động mô men, đặc biệt là khi sử dụng một bộ biến đổi để điều khiển chúng Vì thiết kế không lõi thép nên khi dừng cấp điện động cơ không tạo ra

mô men cản sinh ra bởi nam châm và stator Hơn nữa, độ bão hòa từ thấp cho phép động cơ hoạt động nhiều lần công suất định mức trong những khoảng thời gian ngắn mà không tạo ra các đột biến về dòng áp Việc không sử dụng lõi thép làm giảm đáng kể độ tự cảm cải thiện băng thông giúp động cơ có khả năng đáp ứng nhanh và tăng tốc Ngày nay, các dạng nam châm đất hiếm có khả năng mang từ trường lớn hơn sẽ làm tăng tối đa sức mạnh của trường điện từ cho sản lượng điện tối ưu

1.1.3 So sánh động cơ có lõi thép và không lõi thép

Những đặc điểm nổi trội của động cơ không lõi thép so với động cơ có lõi thép:

- Chuyển động mượt mà

- Dao động mô men thấp

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

- Năng lượng tổn hao bé

- Hằng số mô men là tuyến tính

- Mặt cắt stator mỏng hơn

Những hạn chế của động cơ không lõi thép so với động cơ có lõi thép

- Mô men xoắn chỉ đạt khoảng 75% so với động cơ cùng công suất

- Gia tốc bé hơn do mô men quán tính động cơ lớn hơn

Hình 1.4 mô tả sự khác biệt giữa hai loại động cơ Đối với động cơ không lõi thép do dây dẫn được trải đều trên mặt stator nên cho phép thiết kế rotor lớn hơn làm tăng mô men xoắn của động cơ lên đáng kể

Hình 1.4 So sánh cấu tạo động cơ có lõi thép và không lõi thép

Hình 1.5 miêu tả chất lượng mô men của hai loại động cơ cùng dải mô men, động cơ không lõi thép hoàn toàn triệt tiêu mô men đập mạch

a) Động cơ có lõi thép b) Động cơ không lõi thép

Hình 1.5 So sánh mô men hai loại động cơ

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

Để thuận tiện trong việc so sánh các đặc điểm của động cơ có và không lõi thép được liệt kê trong Bảng 1.1 Bảng số liệu so sánh hai động cơ với các tiêu chí mang tính chất định tính, tổng quan nhất giúp ta nhận biết được hai loại động cơ này

Bảng 1.1 So sánh thông số cơ bản giữa động cơ có và không lõi thép

Thông số Động cơ thông thường Động cơ không lõi thép

Hằng số mô men cao X

1.1.4 Ứng dụng của động cơ không lõi thép

Các nhà thiết kế thường chọn các động cơ không chổi than thay cho các động

cơ có chổi than thông thường bởi vì chúng có tuổi thọ cao hơn Các phiên bản không chổi than của động cơ DC phù hợp với các ứng dụng yêu cầu vị trí chính xác

và hoạt động trơn tru không có đập mạch về mô men, điều này rõ hơn ở dải tốc độ thấp Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm : thiết bị ngoại vi máy tính, hệ thống lưu trữ

dữ liệu, kiểm tra và đo lường, thiết bị y tế và phòng sạch

Để kiểm soát chính xác vị trí các nhà thiết kế của thiết bị y tế sử dụng các động cơ không có khe vào các máy đo và bơm chất lỏng vào các vùng nhạy cảm như mắt Trong các thiết bị hình ảnh y tế, các động cơ này cung cấp hoạt động trơn tru tốc độ thấp

1.2 Động cơ tự nâng không lõi thép

Trong những năm gần đây, yêu cầu cải thiện, thu nhỏ và tăng độ bền tạo ra một xu hướng phát triển mạnh mẽ dòng động cơ cỡ nhỏ Ổ đỡ từ chủ động (ABM) xuất hiện như một lựa chọn thích hợp để thỏa mãn nhu cầu đó Nhiều phương án sử dụng ABM được đề xuất cho dòng động cơ cỡ nhỏ, tuy nhiên chi phí giá thành cao

và kích thước lớn là hạn chế so với ổ bi cơ khí Do đó, việc phát triển các giải pháp nhằm thay thế các ổ từ trong động cơ cỡ nhỏ đảm bảo các tiêu chí về kích thước và giá thành trở nên cần thiết Trong xu hướng đó, một ABM 6 pha đã được đề xuất, tuy nhiên với yêu cầu phải giảm số đôi cực và phải có thiết kế nhỏ hơn đồng thời vẫn thỏa mãn lực từ đủ lớn đã khiến cấu trúc này trở nên phức tạp

Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

Hiện nay, việc tối giản hóa động cơ một chiều không chổi than được phát triển đáng kể Trên thị trường đã có những động cơ đường kính chỉ cỡ 2mm Một ý tưởng

là được đưa ra là kết hợp động cơ một chiều không chổi than với một ổ từ chủ động Dựa trên những đặc trưng đó Hình 1.6 mô tả cấu trúc điển hình của dạng động cơ

đề xuất này Bối dây quấn không sử dụng lõi thép được đặt trên stator và lõi nam châm tròn, vỏ sắt bao quanh stator và gắn cố định với rotor Rõ ràng ổ từ đề xuất có cấu trúc đơn giản và đạt được các mục tiêu về việc tối giản và giá thành thấp

Hình 1.6 Cấu tạo động cơ tự nâng không lõi thép

Trong đề tài này, động cơ tự nâng có cấu trúc đơn gian được nghiên cứu và chế tạo thử Bằng việc kết hợp một động cơ AC và một ổ từ, động cơ này thỏa mãn tiêu chí cấu trúc đơn giản và chi phí thấp Các thông số lực từ và mô men được phân tích lý thuyết từ đó đưa ra phương pháp điều khiển chúng Kết quả phân tích được kiểm nghiệm bởi việc sử dụng một mô hình thực nghiệm đơn giản

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ĐỘNG

CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Như đã trình bày trong chương trước cấu tạo của động cơ tự nâng không lõi thép bao gồm rotor cố định theo phương z và stator mang cuộn dây không sử dụng lõi thép Mục tiêu của thiết kế là tối giản hóa kết cấu cơ khí nhằm giảm chi phí cũng như nguyên công chế tạo

- Đế nhôm kết nối các thành phần của động cơ

Hình 2.1 Cấu tao Rotor động cơ không lõi thép

Khoảng cách của khe hở không khí giữa nam châm và vỏ sắt là không đổi nhằm đảm bảo một từ trường ổn định trong động cơ Các đường sức từ đi ra khỏi bề mặt nam châm có xu hướng quay vòng về phía cực nam Vì vậy vỏ sắt có vai trò

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

định hướng khép mạch từ, hay nói cách khác các đường sức từ sẽ đi ra vuông góc với tiếp tuyến tại điểm đó, tạo sự phân bố đồng đều cho từ trường nằm giữa rotor và stator Mặt khác, sự có mặt của vỏ sắt giảm sự khuếch tán từ thông ra bên ngoài điều này rất quan trọng trong việc giảm năng lượng tiêu thụ của hệ thống Hình 2.2

mô tả đường sức từ khi có vỏ sắt

Hình 2.2 Đường sức từ khi có vỏ sắt

Dễ dàng nhận thấy nếu không có vỏ sắt thì việc xác định mật độ từ thông tại các điểm xung quanh nam châm vĩnh cửu trở nên rất khó khăn do sự phân bổ từ thông quanh lõi là không đồng đều Đây cũng là một điểm khác biệt so với các dòng động cơ khác

b) Stator

Stator có cấu tạo như trong Hình 2.3 Stator bao gồm: cuộn dây sáu pha được đặt trên khung nhựa Cuộn dây được thiết kế đặc biệt với dây quấn được trải theo hình lục giác sau đó quấn quanh một lõi nhựa hình trụ

Hình 2.3 Cấu tạo stator

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

Dây quấn được thiết kế bằng cách quấn dây trên một khung lục giác sau đó dàn mỏng đều nhau sao cho thứ tự của chúng không bị xáo trộn Khung lục giác này bao gồm hai thành phần:

- Phần dây quấn song song ( được ký hiệu là lp): đây là thành phần của dây quấn song song với trục động cơ và vuông góc với đường sức từ Đây cũng là thành phần chính tạo ra lực và mô men chuyển động Độ dài của phần này được thiết kế đảm bảo mô men và lực nâng dựa trên các tính toán sẽ được trình bày ở phần sau

- Phần dây quấn nối tiếp ( được ký hiệu là lt ): đây là thành phần của dây quấn kết nối các phần song song, chúng không hoàn toàn được tính toán độc lập mà phụ thuộc vào phần song song sao cho đảm bảo góc nghiêng

α xác định và có chiều dài phù hợp để hai cạnh song song của một hình lục giác vừa đủ ¼ chu vi hình tròn của vỏ nhựa bao quanh rotor

Hình 2.4 trình bày sơ đồ cấu tạo của một vòng dây quấn và một đoạn dây quấn của động cơ Hình 2.5 là hình ảnh một cuộn dây trong thực tế

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo một vòng dây quấn của động cơ

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý tạo mô men và lực nâng được thể hiện như trong Hình 2.6 Để đơn giản, số vòng dây mỗi pha của động cơ được minh họa là 1 Nếu dòng điện được cấp có chiều như trong Hình2.6 thì lực Lorentz được tạo ra biểu diễn bằng các mũi tên màu đen trong hình Theo định luận 2 Newton, và do cuộn dây đứng yên nên phản lực tác dụng vào rotor động cơ có cũng phương và ngược chiều Lực này bao gồm hai thành phần, một thành phần tạo ra lực nâng và một phần tạo ra mô men quay rotor Khi cấp một dòng điện bất kỳ vào một pha nó sẽ sinh ra một cặp lực có chiều phụ thuộc vào vị trí của nó so với rotor Cụ thể, nếu ta quy định mặt phẳng Oxy cố định so với rotor và trục bắc nam có chiều trùng với Ox thì ta có bảng sau:

Bảng 2.1 Chiều của lực từ và vị trí tương ứng của các pha

STT Vị trí Chiều lực của thành phần

mang dòng điện dương

Chiều lực của thành phần mang dòng điện âm

1 Trùng với Ox Cùng chiều kim đồng hồ Bằng không

2 Trong góc phần

tư thứ 1 Cùng chiều kim đồng hồ Cũng chiều kim đồng hồ

3 Trùng với Oy Bằng không Cùng chiều kim đồng hồ

4 Trong góc phần

tư thứ 2 Ngược chiều kim đồng hồ Ngược chiều kim đồng hồ

5 Trùng với Ox Ngược chiều kim đồng hồ Bằng không

6 Trong hóc phần

tư thứ 3 Cùng chiều kim đồng hồ Cùng chiều kim đồng hồ

7 Trùng với Oy Bằng không Ngược chiều kim đồng hồ

8 Trong góc phân

tư thứ 4 Ngược chiều kim đồng hồ Ngược chiều kim đồng hồ

Hình 2.6 Lực từ và mô men quay động cơ tự nâng không lõi thép

Như vậy, trong một vòng quay mỗi vòng dây sẽ tạo ra các lực có 8 trạng thái

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

mỗi pha lại có một pha đối lập với nó đối xứng qua gốc O, dễ dàng nhận thấy để cân bằng vị trí ta cần phối hợp hai thành phần dòng điện đi qua nó Cụ thể, ba pha abc tương ứng từng cặp với các pha cdf Mô men và lực nâng có thể điều khiển được bằng cách thay đổi biên độ và pha dòng điện trong stator

2.2 Mô hình toán học động cơ tự nâng không lõi thép

2.2.1 Mô tả cấu trúc động cơ trên hệ trục tọa độ Oxy và z-θ

Để mô hình hóa động cơ tự nâng, giả sử mỗi pha chỉ bao gồm 1 vòng dây Sơ

đồ dây quấn được trình bày như trong Hình 2.7a) gắn hệ trục tọa độ Oxy cố định với stator Lúc này các ký hiệu:

- a là pha dương với chiều dòng điện đi từ ngoài vào mặt phẳng Oxy cùng chiều dương với trục Oz, -a là pha âm với chiều dòng điện đi ra từ trong mặt phẳng Oxy ngược chiều với trục Oz Tương tự với pha bcdef

- ψ là góc của rotor so với trục Ox

- θ0 là góc của pha a so với trục Ox chiều dương là chiều ngược chiều kim đồng hồ

- θ là vị trí góc của cung tròn với tâm O chiều dương là chiều ngược chiều kim đồng hồ

Hình 2.7 Sơ đồ động cơ theo trục tọa độ: a) trục Oxy b) trục z-θ

Trong Hình 2.7b) các giá trị lp tương ứng chiều dài đoạn dây quấn song song với trục Oz, lt là chiều dài hình chiếu phần nối tiếp chiếu trên trục Oz Lúc này ta có biểu thức mô tả vị trí của các pha được biểu diễn như sau:

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

k phase

2.2.2 Phân tích các thành phần lực và mô men

Để đơn giản việc phân tích, ta giả sử từ trường tạo ra bởi dòng điện nhỏ hơn rất nhiều so với nam châm vĩnh cửu, điều này có nghĩa từ trường trong khe hở không khí giữa vỏ sắt và nam châm được phân bố theo quy luật hình sin:

g

B   B   

(2.2) Trong đó B là mật độ từ thông đỉnh, ψ là góc của rotor so với trục x

Xét lực tạo bởi một dây dẫn tác động lên trục rotor Như phân tích ở phần trên các đường sức từ phân bố đồng đều và tuân theo quy luật hình sin, đặc biệt các đường sức từ đi ra khỏi bề mặt rotor thì vuông góc với tiếp tuyến cung tròn tại điểm

đó Do đó lực từ tác động lên các pha cũng có phương song song với đường tiếp tuyến đó, có nghĩa là vuông góc với bán kính rotor Chính điều này tạo ra mô men

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

thành phần tạo mô men và thành phần tạo lực nâng Trong cấu trúc vòng quấn dây, các pha được chia thành từng cặp đối xứng nhau và vuông góc với nhau, điều này cho phép phối hợp các giá trị lực theo ý muốn điều khiển

Để đơn giản, trong việc phân tích dưới dây chỉ xét đến cặp lực do hai pha a và

d tạo ra Các thành phần lực nâng có thêm kí hiệu f ở phía trên để phân biệt với thành phần tạo mô men có ký hiệu T ở phía trên

a) Cơ chế tạo lực nâng cho động cơ

Lực từ tác động lên dây dẫn các pha có độ lớn tính bằng công thức của định luật Lorentz:

- i là dòng điện chạy qua dây dẫn

- α là góc giữa véc tơ từ trường và đoạn dây dẫn

- dl là đoạn dây dẫn mang dòng điện

Phương của lực được xác định theo quy luật bàn tay trái, tại mỗi điểm lực tác dụng vào dây dẫn đều tạo một phản lực vào rotor cùng phương ngược chiều Hình 2.8 mô tả các phương của lực tác dụng vào rotor

Hình 2.8 Phân tích lực thành phần tạo lực nâng Fx và Fy

Trong hình trên các ký hiệu sử dụng lần lượt như sau:

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

- Faf là phản lực tác dụng của dây dẫn pha a tác động vào rotor tạo lực nâng

- Fdf là phản lực tác dụng của dây dẫn pha d tác động vào rotor tạo lực nâng

- F-af là phản lực tác dụng của dây dẫn pha -a tác động vào rotor tạo lực nâng

- F-df là phản lực tác dụng của dây dẫn pha -d tác động vào rotor tạo lực nâng

- Fx là thành phần lực tác động theo phương x của tổng lực tác dụng

- Fy là thành phần lực tác động theo phương y của tổng lực tác dụng

- F là tổng lực tác dụng lên rotor

Như đã phân tích ở trên, lực tác dụng của dây dẫn lên rotor được tách làm hai thành phần là thành phần lực nâng và thành phần lực tạo mô men Để đảm bảo tính xếp chồng của lực, các thành phần lực ở trên phải có độ lớn và chiều sao cho rotor không xoay Do đó ta có:

1 2 1 2

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

Và dòng điện trong mỗi pha

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

Để dòng điện sinh ra cân bằng:

,

b,e

c,f

cos( ) sin( ) cos( 2 / 3) sin( 2 / 3) cos( 4 / 3) sin( 4 / 3)

b) Cơ chế tạo mô men quay

Khác với cơ chế tạo lực nâng, cơ chế tạo mô men quay phải tạo ra cặp ngẫu lực có tâm là trục chuyển động rotor Cặp ngẫu lực này tạo ra bằng cách đưa hai dòng điện ngược chiều vào hai cặp pha đối xứng nhau

Xét cặp pha đối xứng ad, Hình 2.10 mô tả phân tích tạo thành mô men của các

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

Hình 2.10 Phân tích thành phần lực tạo mô men

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

Như vậy tại một vị trí góc rotor xác định mô men sinh ra chỉ phụ thuộc vào góc rotor Tương tự ta có:

2.2.3 Mô hình hóa động cơ tự nâng không lõi thép

Để mô hình hóa động cơ ta phân tích hai thành phần của vòng dây stator là phần song song và phần nối tiếp Đồng thời, sử dụng công thức dòng điện trong

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

 Xét phần dây dẫn song song lp

Mô men tạo bởi dòng điện thành phần lp:

 Xét phần dây nối tiếp

Phần còn lại của dây quấn có vị trí trải theo chu vi stator do đó ta chia đoạn dây thành nhiều phần nhỏ phụ thuộc vào biến z Ta có công thức xác định góc của đoạn dây này như sau:

, phase

0

2( )

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không dùng lõi thép

Hình 2.11 Sơ đồ quấn dây

Lực Lorentz này cũng tạo ra hai thành phần là lực nâng và mô men quay:

cos sin