Thiết kế hệ điều khiển dòng điện ổn định kiểu lai cho động cơ nam châm vĩnh cửu kiểu từ trường dọc trục

Bất chấp sự thành công của động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường hướng tâm, động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục vẫn được các nhà nghiên cứu quan tâm bởi nó có tác dụng trong những

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

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN QUANG ĐỊCH

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế hệ điều khiển dòng điện ổn định kiểu lai cho động cơ nam châm vĩnh cửu kiểu từ trường dọc trục ” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch

Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn

Vũ Đăng Chu

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương 1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 7

1.1 Giới thiệu 7

1.2 Sự khác biệt giữa động cơ từ trường dọc trục và động cơ thông thường 9

1.3 Phân loại động cơ từ trường dọc trục 10

1.3.1 Theo cấu trúc rotor và stator 10

1.3.2 Theo vật liệu chế tạo động cơ 13

1.3.3 Theo kiểu xẻ rãnh stator 15

1.3.4 Theo kiểu lõi từ 15

1.3.5 Theo nguồn gốc động cơ 15

1.3.6 Theo số pha 16

1.3.7 Theo cấu trúc của rotor 16

1.3.8 Theo cấu trúc của dây quấn stator 16

1.4 Ứng dụng của động cơ từ trường dọc trục 17

1.4.1 Xe điện 17

1.4.2 Thiết bị gia dụng 17

1.4.3 Những ứng dụng tốc độ cao 18

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 19

2.1 Mô hình toán học động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục 19

2.1.1 Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục 19

2.1.2 Mô hình toán học 22

2.2 Cấu trúc điều khiển vector cho động cơ nam châm vĩnh cữu từ trường dọc

trục………… 29

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ỔN ĐỊNH KIỂU LAI CHO ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 34

3.1 Các kỹ thuật điều chế PWM cho bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha 34

3.2 Phương pháp điều khiển dòng kiểu trễ 36

3.3 Phương pháp điều khiển kiểu so sánh xung tam giác 39

3.4 Phương pháp điều khiển dòng kiểu lai 41

Chương 4 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK 46

4.1 Tham số động cơ 46

4.2 Kết quả mô phỏng hệ thống 47

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC

PMSM Permanent Magnet Excited Synchronous Machine

µC, µP Microcontroller, Microprocessor

α,β Hệ trục tọa độ gắn với stator

d,q Hệ trục tọa độ gắn với rotor

us, ur Vector điện áp stator, rotor

is, ir Vector dòng điện stator, rotor

λs Vector từ thông móc vòng dây quấn stator

usd, usq, urd, urq Các thành phần điện áp stator, rotor trong hệ tọa độ d,q

isd, isq, ird, irq Các thành phần dòng điện stator, rotor trong hệ tọa độ d,q

Lsd, Lsq Các thành phần độ tự cảm stator, rotor trên hệ tọa độ d,q

usα, usβ Các thành phần điện áp stator, rotor trong hệ tọa độ α,β

isα, isβ Các thành phần dòng điện stator, rotor trong hệ tọa độ α,β

isu, isv, isw Các thành phần dòng điện các pha stator động cơ u,v,w

λsu, λsv, λsw Từ thông móc vòng các pha stator động cơ u,v,w

Rs , Rr Điện trở stator, rotor

khí

Ts , Tr Hằng số thời gian stator, rotor

Tsd , Trd Hằng số thời gian stator, rotor trong hệ tọa độ d,q

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình đĩa Faraday phát minh năm 1921 8

Hình 1.3 Cấu trúc HTĐ 10

Hình 1.4 Động cơ AFM một khe hở 11

Hình 1.5 Động cơ AFM hai khe hở 11

Hình 1.6 Động cơ AFM một khe hở dọc trục một khe hở hướng tâm 12

Hình 1.7 Động cơ AFM nhiều khe hở 13

Hình 1.8 Dây quấn stator động cơ AFM 16

Hình 1.9 Cấu tạo động cơ từ trường dọc trục rotor lồng sóc cho quạt trần 17

Hình 1.10 So sánh kích cỡ động cơ từ trường dọc trục và động cơ thông thường có cùng công suất 17

Hình 2.1 Cấu trúc động cơ AFPM 20

Hình 2.2 Trục tọa độ và cấu trúc chi tiết của động cơ từ trường dọc trục 21

Hình 2.3 Rotor cực lồi 21

Hình 2.4 Cách bố trí các cuộn dây stator 22

Hình 2.5 Biểu diễn các đại lượng vector trên hệ tọa độ d,q 23

Hình 2.6 Sơ đồ khối của mô hình toán học AFPM 30

Hình 2.7 Mô hình điều khiển AFPM với bộ điều khiển tách biệt dòng trục d và q 32

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển động cơ AFPM 34

Hình 3.2 Sơ đồ cơ bản bộ điều khiển dòng điện 35

Hình 3.3 Các vector trạng thái của động cơ 37

Hình 3.4 Sơ đồ bộ điều khiển dòng kiểu trễ 37

Hình 3.5 Sơ đồ bộ điều khiển dòng kiểu so sánh xung tam giác 39

Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng kiểu lai cho động cơ PMSM 40

Hình 3.7 Thiết kế bộ điều khiển kiểu lai 41

Hình 3.8 Tần số chuyển mạch của bộ biến đổi rất cao 42

Hình 3.9 Tần số chuyển mạch chậm và thay đổi 42

Hình 3.10 Giới hạn khả thi của bộ điều khiển 43

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển dòng kiểu lai 45

Hình 4.2 Ảnh hưởng của việc điều chỉnh tốc độ lên trạng thái ổn định của dòng điện

46

Hình 4.3 Điện áp pha khi sử dụng bộ điều khiển kiểu lai 47

Hình 4.4 Bộ điều khiển với dải trễ cố định 48

Hình 4.5 Dòng stator FFT 49

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Bảng trạng thái Logic các van bộ biến đổi 37

Bảng 4.1 Bảng tham số động cơ 44

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ từ trường dọc trục là kiểu động cơ đã ra đời từ rất sớm Tuy nhiên,

do nhiều yếu tố mà trong suốt gần một thế kỷ qua, động cơ từ trường hướng tâm lại

là kiểu động cơ được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vài thập kỷ trở lại đây các nhà khoa học đã khắc phục được những hạn chế của loại động cơ từ trường dọc trục và cải tiến nó nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn để có thể phục vụ rộng rãi trong công nghiệp và đời sống

Năm 1980, lần đầu tiên các nhà sản xuất ra mắt động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu từ trường hướng tâm trong thị trường động cơ công nghiệp Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là hiệu suất cao hơn động cơ điện truyền thống bởi các động cơ này được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu Mặc dù vậy, phải đến mười năm sau động cơ này mới được ứng dụng rộng rãi Bất chấp sự thành công của động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường hướng tâm, động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục vẫn được các nhà nghiên cứu quan tâm bởi nó có tác dụng trong những ứng dụng đặc biệt cần chú ý đến cấu trúc hình học Ví dụ như động cơ trong bánh xe điện, động cơ nâng Động cơ dọc trục thường sử dụng tích hợp trong ứng dụng momen cao Đi cùng với sự phát triển đó, việc xây dựng một hệ điều khiển toàn diện cho động cơ này đã và đang được nghiên cứu ngày càng hoàn thiện

Xuất phát từ thực tiễn đó, cùng với sự hướng dẫn và định hướng của thầy

giáo TS Nguyễn Quang Địch, đề tài “Thiết kế hệ điều khiển dòng điện ổn định kiểu

lai cho động cơ nam châm vĩnh cửu kiểu từ trường dọc trục” đã được tôi lựa chọn

làm hướng đi và nghiên cứu chính trong quá trình học tập và làm việc tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mục đích của luận văn là nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển kiểu lai cho mạch vòng dòng điện trên nền tảng phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor truyền thống Luận văn được trình bày làm bốn chương:

Chương 1: Tìm hiểu chung về động cơ từ trường dọc trục

Chương 2: Mô hình toán học và cấu trúc điều khiển động cơ từ trường dọc trục sử dụng nam châm vĩnh cửu

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển dòng ổn định kiểu lai cho động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm Matlab - Simulink

Đây là một đề tài mới, cộng thêm kinh nghiệm và kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót trong việc nghiên cứu và trình bày luận văn Tác giả rất mong muốn và xin chân thành cảm ơn cũng như ghi nhận những đóng góp, ý kiến đánh giá phê bình của các thầy cô, hội đồng phản biện và hội đồng chấm luận văn để tác giả có thể hoàn thiện và phát triển hơn nữa nội dung cuốn luận văn cũng như kiến thức của bản thân

Nhân tiện đây, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo là giảng viên trong bộ môn Điều khiển - Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; đặc biệt là thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện rất tốt trong việc định hướng, cung cấp tài liệu và các trang thiết bị thí nghiệm cần thiết để tác giả có thể hoàn thiện được cuốn luận văn này

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn

Vũ Đăng Chu

Chương 1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC

TRỤC 1.1 Giới thiệu

Động cơ đã được phát hiện và nghiên cứu trong gần một thế kỷ qua Trong suốt thời kỳ này, rất nhiều nhà nghiên cứu không ngừng phát triển và hoàn thiện về mặt thiết kế, cấu tạo và hiệu suất của động cơ

Ngày nay, động cơ được phát triển theo nhiều cấu trúc vật lý khác nhau Chúng có thể được chia làm ba loại :

- Động cơ từ trường hướng tâm là động cơ có dây quấn dọc trục và khe hở

từ trường hướng tâm

- Động cơ từ trường dọc trục là động cơ có dây quấn hướng tâm và khe hở

từ trường dọc trục

- Động cơ tuyến tính là động cơ mà các đường từ thông trực giao lẫn nhau

và dây quấn được sắp xếp theo đường tuyến tính

Lịch sử phát triển động cơ cho thấy kiểu động cơ từ trường dọc trục là kiểu động cơ được hình thành sớm nhất Dựa trên định luật cảm ứng điện từ, Faraday đã phát minh ra đĩa Faraday năm 1821, còn gọi là động cơ đồng cực Bởi vì lực từ hóa lớn tồn tại giữa stator và rotor, nên những động cơ này nhanh chóng bị thay thế bởi động cơ từ trường hướng tâm Động cơ từ trường hướng tâm đã và đang sử dụng rộng rãi đến ngày nay

Hình 1.1 Mô hình đĩa Faraday phát minh năm 1921

Nguyên lý hoạt động của động cơ từ trường dọc trục cũng giống như các động cơ thông thường đều dựa trên hai định luật điện từ cơ bản đó là đinh luật suất điện động cảm ứng và định luật về lực điện từ Như ta đã đề cập đến ở trên, một hạn chế của thiết kế từ trường dọc trục là lực từ hóa mạnh giữa stator và rotor Vấn đề này đã được giảm bớt bằng cách sử dụng một cấu trúc xen kẽ với stator ở giữa hai rotor hoặc rotor ở giữa hai stator Một nghiên cứu về máy điện từ trường dọc trục cho thấy hiệu suất động cơ từ trường dọc trục đã không ngừng tăng lên Do đó, chúng ta tin rằng động cơ từ trường dọc trục sẽ được sử dụng trong tương lai trong những ứng dụng rộng lớn với nhiều điểm ích lợi

Hình 1.2 Mô hình động cơ từ trường dọc trục

Động cơ từ trường dọc trục hiện đang được ứng dụng trong quạt sưởi xe hơi, quạt tản nhiệt, thiệt bị phát điện hỗ trợ, máy phát điện chạy bằng năng lượng gió, ô

tô điện, máy phát điện tốc độ cao sử dụng turbine khí

1.2 Sự khác biệt giữa động cơ từ trường dọc trục và động cơ thông thường

Động cơ từ trường dọc trục mang những đặc điểm khác biệt so với động cơ thông thường :

Động cơ từ trường dọc trục có từ trường khe hở không khí chạy theo chiều dọc của trục động cơ và dây quấn động cơ có hướng vuông góc với trục động cơ

Stator và rotor của động cơ từ trường dọc trục đều là kiểu đĩa

Dây quấn Stator sinh ra nhiều momen hơn bởi vì dây quấn stator được quấn theo cấu hình hình xuyến Hơn nữa, trong động cơ từ trường dọc trục, Stator có thể làm việc ở cả hai bề mặt hoạt động cho việc biến đổi điện - cơ, điều này cũng tăng hiệu suất động cơ

Hai đĩa xoay(trong động cơ có stator ở giữa) hoạt động tự nhiên như những chiếc cánh quạt, làm giảm nhiệt sinh ra bởi đồng và tổn hao sắt từ Điều này có thể thực hiện được thông qua vị trí các lỗ cạnh trục chính của động cơ Các lỗ này giúp cho các dòng không khí xuyên qua khe hở động

cơ Với những cấu hình động cơ kiểu này cho phép khai thác hiệu quả hơn các động cơ thông thường

Động cơ từ trường dọc trục có thể được thiết kế tạo ra năng lượng lớn mà tiết kiệm nguyên liệu làm lõi nhất là khi nam châm vĩnh cữu được sử dụng

Diện tích sàn đòi hỏi cho việc sản xuất và dây chuyền sản xuất được giảm đáng kể nếu chúng ta sử dụng động cơ từ trường dọc trục vì cấu trúc nhỏ gọn, đơn giản

Chiều dài dọc trục ngắn trong động cơ từ trường dọc trục tạo ra thông số

tốt hơn do tạo ra lực quán tính cao hơn các động cơ từ trường hướng tâm

với cùng một mức năng lượng Điều này sẽ giới hạn những ứng dụng đối

với hệ thống yêu cầu đáp ứng chậm

Cấu trúc hệ truyền động của động cơ từ trường dọc trục sẽ được giảm bớt

làm giảm chiều dài và trọng lượng của cả hệ Hơn nữa, do không sử dụng

hộp số để tăng giảm tốc độ nên hệ truyền động động cơ từ trường dọc

trục sẽ có hiệu suất cao Hình vẽ dưới đây mô tả cấu trúc hệ truyền động

của hai loại động cơ trên:

Hình 1.3 Cấu trúc HTĐ a>Động cơ thông thường b> Động cơ dọc trục

1.3 Phân loại động cơ từ trường dọc trục

Giống như các động cơ cảm ứng thông thường, chiều dài khe hở không khí

phải nhỏ và các tác động của khe hở này phải điều khiển được Động cơ từ trường

dọc trục cũng có những cấu trúc khác biệt Những cấu trúc đó có thể được chia làm

những loại sau

1.3.1 Theo cấu trúc rotor và stator

Dựa theo cấu trúc stator và rotor, ta có thể phân làm 3 loại chính:

Động cơ với một khe hở

Cấu trúc này là cấu trúc đơn giản nhất và cổ điển nhất của động cơ từ trường

dọc trục và được gọi là động cơ một mặt Nhìn chung cấu trúc này phù hợp với các

loại động cơ có momen thấp

Hình (a) mô tả động cơ một mặt với rotor làm bằng sắt và hình (b) là kiểu rotor hai lớp làm bằng nhôm

Hình 1.4 Động cơ AFM một khe hở a> Rotor làm bằng sắt b> Rotor làm bằng

nhôm

Động cơ với hai khe hở

Trong loại động cơ hai khe hở có thể cả hai khe hở đều dọc trục (động cơ hai mặt) hoặc một khe hở dọc trục một khe hở hướng tâm Điều này có thể làm giảm lực dọc trục và động cơ có thể cấu tạo từ một rotor xen giữa hai stator hoặc một stator xen giữa hai rotor

Hình 1.5 Động cơ AFM hai khe hở a> Rotor ở giữa hai startor b> Startor ở giữa

rotor

Mặc dù trong động cơ hai mặt có những điểm thuận lợi như momen lớn và lực dọc trục cân bằng nhưng nó cũng có nhược điểm về giá thành động cơ Hai

stator thường làm chi phí tăng lên khi so sánh với động cơ một mặt tương đương đặc biệt là trong phân khúc các loại máy nhỏ Điều này liên quan tới lượng đồng trong dây quấn stator và cũng ảnh hưởng tới thời gian yêu cầu để sản xuất dây quấn Trong các động cơ đòi hỏi momen cao, sự khác biệt trong giá thành sản xuất giữa hai loại động cơ một mặt và hai mặt càng ngày được thu hẹp

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một động cơ mới có cả từ trường dọc trục và hướng tâm với tỷ trọng năng lượng cao và hiệu quả Động cơ này có mô hình một stator và hai rotor Rotor có một dây quấn lồng sóc dọc trục và một hướng tâm như minh họa trong hình dưới đây:

Hình 1.6 Động cơ AFM hai khe hở một khe hở dọc trục một khe hở hướng tâm

Động cơ với nhiều khe hở

Mặc dù động cơ có cấu trúc hai mặt có có nhiều ưu điểm nhưng cấu trúc động cơ từ trường dọc trục với nhiều đĩa cũng có thể là sự lựa chọn cho những ứng dụng đặc biệt như là các động cơ năng lượng cao

Hình 1.7 Động cơ AFM nhiều khe hở

1.3.2 Theo vật liệu chế tạo động cơ

Lõi từ của động cơ từ trường dọc trục có thể được chế tạo từ sắt, bột tổng hợp(chất điện từ), hoặc vật chất vô định hình Chất siêu dẫn cũng được dùng để chế tạo động cơ từ trường dọc trục Trong phần này những kiểu cấu trúc động cơ khác nhau sẽ được minh họa Lưu ý lõi từ có thể là một khối hoặc nhiều lớp mỏng và các lõi từ được làm từ nhiều lớp mỏng thường được làm bằng lõi băng quấn tròn có xẻ rãnh

Sắt

Các động cơ từ trường dọc trục phổ biến thường sử dụng lõi sắt Như ta đã nói trước đây, việc sản xuất lõi sắt từ của stator sẽ rất khó khăn Các lõi từ làm việc dưới từ trường xoay chiều và do đó nó phải có cấu tạo lớp Bởi vì từ trường trong khe hở không khí là dọc trục, nên stator nên được cách điện cẩn thận với rotor Nếu kiểu quấn dây cổ điển được sử dụng trên bề mặt của stator và rotor, chúng ta nên tạo các rãnh hướng tâm trên stator Việc sản xuất lõi từ như cấu trúc trên là rất khó Khó khăn sẽ gặp phải trong quá trình gia công rãnh, bình thường quá trình phay hoặc mài đều tăng chi phí và tốn nhiều công

Chất điện từ

Bột kim loại và sắt từ mềm được trộn hỗn hợp với nhau trong quá trình sản xuất lõi từ Đây là cách đơn giản để chế tạo lõi sắt từ trong khi nếu chế tạo theo cách truyền thống thì rất khó hoặc gần như là không thể Bột tổng hợp này không có tính chất từ mạnh như các lá hoặc bản nam châm thông thường Ta thấy rằng những vật chất này cho phép dễ dàng làm giảm giá thành sản xuất và có thể làm giảm độ tổn hao sắt từ ở tần số cao (~400-800 Hz) Hơn nữa, chúng còn có hai khía cạnh khác Một là cho phép từ thông chính trong lõi stator đi theo 3 hướng giống trong tự nhiên Hai là độ từ thẩm thấp của chúng làm gia cố các phần từ thông đi qua

Chất vô định hình

Những chiếc băng kim loại vô định hình có tính sắt từ cao được dùng trong động cơ điện có giá thành chỉ bằng ¼ khi sử dụng thép thông thường Hơn nữa, chúng có tổn hao lõi từ cũng chỉ bằng ¼ khi sử dụng sắt silicon thông thường làm lõi và chúng có độ dẫn từ rất cao Những chiếc băng này rất mảnh(chỉ dày 0.0005 đến 0.003 inch) và có độ rộng khoảng 2 inch, đồng thời điện trở suất của chúng cao cho kết quả tốt khi ở tần số cao Chúng cũng có hiểu quả tốt ngay cả ở tốc độ cao

Chất siêu dẫn

Chất siêu dẫn nhiệt độ cao đang được xem xét thay thế các chất thông thường trong thiết bị điện Dòng điện lớn trong chất siêu dẫn cho phép chúng tạo ra

từ trường làm việc trong lõi không khí thay thế cho sắt từ thông thường

Phần lớn lõi siêu dẫn trong động cơ từ trường dọc trục chỉ sử dụng trong rotor, còn stator thì vẫn quấn theo kiểu thông thường Tuy nhiên, cũng có một số tác giả đã trình bày cách chế tạo dây quấn stator được làm bằng chất siêu dẫn cho động

cơ từ trường dọc trục lõi không khí Những dây quấn đó được chế tạo từ gốm được gia công với số lượng lớn Họ đề nghị chế tạo động cơ với rotor được làm từ chất siêu dẫn giữa hai stator

1.3.3 Theo kiểu xẻ rãnh stator

Có hai kiểu động cơ từ trường dọc trục được xét đến trong kiểu động cơ này Kiểu đầu tiên là stator được xẻ rãnh có dây quấn được định sẵn trong các rãnh và yêu cầu là phải có độ từ hóa nhỏ hơn stator không rãnh Sản xuất stator kiểu này rất khó Kiểu động cơ thứ hai là stator không có rãnh có dây quấn quanh một là hoặc nhiều lá mỏng Những cấu trúc kiểu này dễ sản xuất hơn và cũng đảm bảo hoạt động của động cơ

1.3.4 Theo kiểu lõi từ

Động cơ từ trường dọc trục có thể có lõi từ hoặc không Trong cấu trúc không lõi từ, stator và rotor có lõi không khí Lõi không khí stator đòi hỏi độ dẫn từ lớn hơn lõi sắt Mặt khác, nếu lõi từ tồn tại, nó có thể là sắt, chất điện từ, lõi SMC, hoặc lõi nhôm

1.3.5 Theo nguồn gốc động cơ

Từ trường quay của động cơ được sinh ra bởi điện áp và dòng điện hình sin Nhưng khi những ứng dụng công nghiệp đòi hỏi điều chỉnh tốc độ, một giả pháp đơn giản và kinh tế nhất là sử dụng động cơ xoay chiều với nguồn đầu vào có tần số điện áp biến đổi Vì vậy, xem xét nguồn đầu vào của động cơ ta có hai loại động cơ

từ trường dọc trục: động cơ nguồn dạng hình sin hoặc động cơ sử dụng bộ biến đổi

1.3.6 Theo số pha

Động cơ từ trường dọc trục có thể có cấu trúc 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha

1.3.7 Theo cấu trúc của rotor

Rotor của động cơ từ trường dọc trục có thể được chế tạo kiểu khối hoặc sử dụng các lá thép mỏng Các lá thép mỏng có hình dạng và ghép với nhau thành khối Những bản thép này được sử dụng để làm giảm dòng xoáy trong lõi từ Rotor

sử dụng lá thép mỏng không thể sử dụng trong động cơ tốc độ cao bởi vì nó không

đủ bền vững

1.3.8 Theo cấu trúc của dây quấn stator

Có những cách sắp xếp khác nhau trong dây quấn stator Chúng có thể phân loại thành kiểu lớp đơn, lớp kép, kiểu gramme Hình dưới đây minh họa cấu tạo kiểu lớp đơn và kiểu gramme

Hình 1.8 Dây quấn stator động cơ AFM a> Kiểu lớp đơn b> Kiểu gramme

1.4 Ứng dụng của động cơ từ trường dọc trục

Những đặc điểm đặc biệt của động cơ từ trường dọc trục như là cấu trúc dạng đĩa và khe hở không khí điều chỉnh được, cấu trúc nhỏ gọn, hiệu suất cao Và đặc biệt là số cực lớn(hơn 12 cực) Vì vậy chúng thu hút các nhà nghiên cứu thay thế các động cơ thông thường bằng các động cơ từ trường dọc trục trong một số ứng dụng như quạt, bánh xe có rãnh, máy bơm, các ứng dụng gia dụng trong gia đình, xe điện Các ứng dụng đó được trình bày tóm tắt dưới đây:

1.4.2 Thiết bị gia dụng

Trong những ứng dụng gia đình công suất nhỏ như quạt, máy bơm, bộ xử lý thức ăn động cơ từ trường dọc trục một pha có thể có những hữu ích rõ rệt Đầu tiên, hình dạng phẳng của động cơ từ trường dọc trục là cấu trúc phù hợp cho những ứng dụng ta đã nói trên đây Thứ hai là rotor động cơ có thể được tích hợp với phần quay ví dụ như cánh quạt, cánh máy bơm Lực dọc trục giữa stator và rotor thì

không ảnh hưởng lắm trong dải công suất nhỏ Hình 1.9 trình bày cấu trúc mô hình động cơ từ trường dọc trục rotor lồng sóc cho quạt trần Hình 1.10 so sánh kích cỡ

của động cơ từ trường dọc trục với động cơ thông thường cùng công suất

Hình 1.9 Cấu tạo động cơ từ trường dọc trục rotor lồng sóc cho quạt trần

Hình 1.10 So sánh kích cỡ động cơ từ trường dọc trục và động cơ thông thường

có cùng công suất

1.4.3 Những ứng dụng tốc độ cao

Việc sử dụng động cơ từ trường dọc trục trong các động cơ công suất cao tốc

độ biến đổi đang ngày càng phổ biến, đặc biệt là máy bơm áp suất cao, hệ thống nén khí tốc độ cao và trong các bộ biến đổi năng lượng nhỏ Các ứng dụng này đều đòi hỏi tốc độ cao Ý tưởng thực hiện sử dụng động cơ tốc độ cao thay thế cho hộp số

cơ và gắn trực tiếp tải vào trục rotor Điều này mang lại một số hữu ích hơn động cơ tốc độ thấp thông thường ví dụ như tổn thất trong hộp số được suy giảm và chúng ta

có thể điều khiển full speed

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG

DỌC TRỤC 2.1 Mô hình toán học động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục 2.1.1 Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là động cơ có cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ từ dư rất lớn(0,5 – 1,5 T) Các cực từ này có cấu tạo cực lồi và được đặt ở rotor Khoảng cách giữa các cực được đổ nhôm kín và toàn bộ rotor là một khối trụ

Năm 1980, lần đầu tiên các nhà sản xuất ra mắt động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu từ trường hướng tâm trong thị trường động cơ công nghiệp Các động cơ đầu tiên này đều sử dụng nam châm SmCo Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là hiệu suất cao hơn động cơ điện truyền thống bởi các động cơ này được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu Mặc dù vậy, phải đến mười năm sau động cơ này mới được ứng dụng rộng rãi Bất chấp sự thành công của động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường hướng tâm, động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục vẫn được các nhà nghiên cứu quan tâm bởi nó có tác dụng trong những ứng dụng đặc biệt cần chú ý đến cấu trúc hình học Ví dụ như động cơ trong bánh xe điện, động cơ nâng Động cơ dọc trục thường sử dụng tích hợp trong ứng dụng momen cao

Dựa vào cấu trúc, các động cơ từ trường dọc trục có thể được phân loại dựa trên vị trí rotor so với stator và cách sắp xếp dây quấn Chúng ta có những cấu trúc sau:

Cấu trúc một stator và một rotor

Cấu trúc một stator ở giữa hai rotor

Cấu trúc một rotor ở giữa hai stator

Cấu trúc nhiều stator xen kẽ nhiều rotor

Hình 2.1 Cấu trúc động cơ AFPM a> Động cơ một stator và một rotor b> Động cơ một rotor giữa hai stator

c> Động cơ một stator ở giữa hai rotor d> Động cơ nhiều stator và nhiều rotor

Trong khuôn khổ luận văn này, chúng ta sẽ đi nghiên cứu một trường hợp riêng của động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục với một rotor cực lồi xen giữa hai stator Các trường hợp khác, chúng ta cũng xét một cách tương tự

Hình 2.2 bên dưới minh họa cho cấu trúc trong không gian của động cơ nam

châm vĩnh cửu từ trường dọc trục

Hình 2.2 Trục tọa độ và cấu trúc chi tiết của động cơ từ trường dọc trục

Động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc thông thường có hai ổ đỗ từ

ngang trục để đảm bảo trục luôn ở chính giữa Nhìn vào cấu trúc này ta thấy rotor

của động cơ nam châm vĩnh cử từ trường dọc trục có 6 bậc tự do, trong đó 4 bậc (x,

y, θ x , θ y ) được điều khiển bởi ổ đỡ từ ngang trục Còn lại 2 bậc (z, θ) được điều

khiển bởi động cơ Trong phạm vi đồ án này, ta chỉ quan tấm tới chuyển động quay

và chuyển động dọc trục của rotor Và ta coi như động cơ chỉ có hai bậc tự do

Hình 2.3 Rotor cực lồi

Hai stator ở về hai phía của rotor được gắn các cuộn dây 3 pha để tạo thành

từ trường quay trong khe hở không khí Các cuộn dây 3 pha này sinh ra mô-men T1

và T2 kéo quay rotor đồng thời sinh lực hút F1 và F2 giữa rotor và stator Mô-men tổng T là tổng của mô-men sinh ra từ các cuộn dây 3 pha của 2 stator T1 và T2 Lực hút tổng F là hiệu hai lực hút F1 và F2.Cấu tạo của stator động cơ gồm 6 cực tương đương 6 cuộn dây được đấu thành 3 pha A, B, C lệch nhau một góc 120 o Hình 2.4

mô tả các cuộn dây stator này

Hình 2.4 Cách bố trí các cuộn dây stator

2.1.2 Mô hình toán học

Đầu tiên ta sẽ tính toán lực dọc trục Fs và momen quay Ts cho mỗi stator thành lập mô hình toán học của AFPM Tương tự như các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông thường, mô hình toán học của AFPM được trình bày trên hệ

trục tựa từ thông rotor hay hệ trục d,q được trình bày trên Hình 2.5

Hình 2.5 Biểu diễn các đại lượng vector trên hệ tọa độ d,q

• Trục d cùng phương với phương từ trường nam châm vĩnh cửu- trùng với

đường thẳng đi qua tâm của nam châm vĩnh cửu như Hình 2.5

• Các trục u, v và w tương ứng cùng phương với từ thông sinh ra bởi 3cặp cuộn dây stator

• θe : Góc giữa trục u và d hay góc lệch về điện giữa vector từ thông rotor

và vector từ thông sinh ra bởi cuộn dây u

Biểu diễn các đại lượng của stato dưới dạng dòng điện, điện áp hoặc từ thông

Ma trận chuyển đổi hệ tọa độ :

v q

a a

a a

Rotor là cực lồi nên độ tự cảm trên mỗi pha của stato phụ thuộc vào vị trí góc của rotor so với stator do đó độ tự cảm của stato chiếu trên trục d và trục q khác nhau: Ld < Lq Thông thường, độ tự cảm tỉ lệ nghịch với khe hở không khí

Độ tự cảm 3 pha stato

' 0

' 0

• L sl là điện cảm rò, được tính trên cơ sở đánh giá kết quả phân tích độ tự cảm của từng pha

Vì các pha stator lệch nhau 1200 nên ta có