Nghiên cứu mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ không trục khuỷu

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU- ??, ??: Diện tích và mặt cắt của cuộn dây mm2; - AC: Alternating current – Dòng điện xoay chiều; - AWS: Archimedes Wave Swing – Bộ thu năng lượng sóng;

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: PHẠM VĂN HẢI MSSV: 16145373

GVHD: PGS TS LÝ VĨNH ĐẠT

TP Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 08 năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: PHẠM VĂN HẢI MSSV: 16145373

GVHD: PGS TS LÝ VĨNH ĐẠT

TP Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 08 năm 2020

TP Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 8 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(E-mail: 16145421@student.hcmute.edu.vn) Điện thoại: 0397097077

- Sử dụng phần mềm Maxwell để mô phỏng máy phát điện tuyến tính

- Thiết kế kích thước máy phát điện tuyến tính

- Sử dụng phần mềm Maxwell mô phỏng khả năng phát điện của máy phát điện

3 Sản phẩm của đề tài

- Tập thuyết minh Đồ Án Tốt Nghiệp

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 02/03/2020

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 17/08/2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Điện tử ô tô

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: Lê Trọng Khải MSSV:16145449

Họ và tên sinh viên: Phạm Văn Hải MSSV:16145373

Tên đề tài: Nghiên cứu mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ không trục khuỷu Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô Họ và tên GV hướng dẫn:

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy) 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

4 Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Điện tử ô tô

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: Lê Trọng Khải MSSV: 16145421 Hội đồng……

Họ và tên sinh viên: Phạm Văn Hải MSSV: 16145373 Hội đồng……

Tên đề tài: Nghiên cứu mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ không trục khuỷu Ngành đào tạo:Công nghệ kỹ thuật ô tô Họ và tên GV phản biện (Mã GV):………

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

6 Đánh giá: 7 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày … tháng 08 năm 2020

Giảng viên phản biện

(Ký, ghi rõ họ tên)

1 Hình thức và kết cấu ĐATN 30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài:

Nghiên cứu mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ không trục khuỷu

Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vê Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lòng biết ơn cũng như sự kính trọng đến quý thầy cô của khoa: Cơ Khí Động Lực – Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TP HCM lòng biết ơn cũng như sự kính trọng vì những kiến thức bổ ích, kinh nghiệm quý báu đã truyền dạy cho chúng em trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đó là nền tảng, định hướng không chỉ giúp chúng em hoàn thành đồ án mà còn trong nghề nghiệp mai sau

Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS TS Lý Vĩnh Đạt đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình lựa chọn đề tài, cung cấp tài liệu, kiểm tra theo dõi cũng như hỗ trợ trong quá trình thực hiện đồ án Mặc dù gặp nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm, tổng hợp tài liệu, đọc hiểu tài liệu nhưng nhờ sự tận tình giúp đỡ của thầy, chúng

em đã từng bước thực hiện và hoàn thành đồ án Thầy luôn tạo ra sự thoải mái và để chúng

em ý thức về sự tự giác và trách nhiệm về đồ án của mình Chúng em xin cảm ơn vì tất cả điều đó

Cuối cùng là lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình Cha mẹ là hậu phương vững chắc, tạo điều kiện, động viên để chúng em theo học ngành này, cũng nhờ đó mà chúng em đã hoàn thành chương trình đại học và báo cáo tốt nghiệp này

TÓM TẮT

Trong đồ án này nhóm tập trung tìm hiểu và nghiên cứu vào những vấn đề sau

- Khái quát về hình dạng, thiết kế của máy phát tuyến tính

- Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của loại máy phát này

- Tổng quan về đặc điểm cấu tạo, phân loại của động cơ piston tự do và máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do

- Tình hình nghiên cứu và phát triển của máy phát điện tuyến tính piston tự do trên thế giới và tại Việt Nam

- Tính toán thông số, đưa ra phương án mô phỏng của máy phát điện tuyến tính bốn mặt phẳng

- Vẽ và mô phỏng mô hình trong phần mềm Ansys Maxwell, phân tích kết quả

và tối ưu hóa mô hình

- Những ưu, nhược điểm so với các loại máy phát thông thường cũng như thách thức và tiềm năng phát triển của loại máy phát này

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC BẢNG xiv

CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2

1.2.1 TRONG NƯỚC 3

1.2.2 NGOÀI NƯỚC 3

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 11

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ 11

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

1.5 CẤU TRÚC NỘI DUNG ĐỀ TÀI 11

CHƯƠNG 2 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ DO 13

2.1 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 13

2.1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 13

2.1.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 13

2.1.3 CẤU TRÚC MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 14

2.1.3.1 CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN 14 2.1.3.2 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM CHUYỂN ĐỘNG 16

2.1.3.2.1 DẠNG HÌNH ỐNG 16

2.1.3.2.2 DẠNG MẶT PHẲNG 17

2.1.4 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH HIỆN NAY 18

2.1.4.1 BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG 18

2.1.4.2 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ DO 18

2.2 ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ DO 19

2.2.1 TỔNG QUAN 19

2.2.2 PHÂN LOẠI 20

2.2.2.1 PÍT-TÔNG ĐƠN 20

2.2.2.2 PÍT-TÔNG KÉP 21

2.2.2.3 PÍT-TÔNG ĐỐI ĐỈNH 21

2.3 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ DO - FPLG 22

2.3.1 TỔNG QUAN FPLG 22

2.3.1.1 KHÁI NIỆM FPLG 22

2.3.1.2 NHỮNG ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA FLPG 23

2.3.2 PHÂN LOẠI FPLG 24

2.3.2.1 PHÂN LOẠI THEO SỐ KỲ CỦA ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ DO 24

2.3.2.2 PHÂN LOẠI THEO CẤU TRÚC CỦA FPLG 25

2.3.2.3 PHÂN LOẠI THEO KIỂU HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 27

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 28

3.1 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ 28

3.1.2 ĐỘ RỘNG CỦA CỰC VÀ KHOẢNG CÁCH CỦA KHE 31

3.1.3 KÍCH THƯỚC KHE VÀ RĂNG 31

3.1.4 KÍCH THƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỬU 31

3.1.5 KÍCH THƯỚC THÀNH STATOR VÀ TRANSLATOR 32

3.1.6 THÔNG SỐ CUỘN DÂY MÁY PHÁT ĐIỆN 32

3.2 TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN TĨNH VÀ PHẦN ĐỘNG 37

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ DO 43

4.1 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS MAXWELL 43

4.1.1 GIỚI THIỆU VỀ ANSYS MAXWELL 43

4.1.2 LÀM QUEN VỚI CÁC TÍNH NĂNG CỦA MAXWELL 44

4.1.2.1 GIAO DIỆN CỦA MAXWELL 44

4.1.2.2 CÁC BƯỚC ĐỂ HOÀN THÀNH MỘT DỰ ÁN TRẾN MAXWELL 44 4.2 MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ DO 47

4.2.1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRONG PHẦN MỀM MAXWELL 47

4.2.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀM MAXWELL 57

4.2.2.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ VỀ MÔ HÌNH 57

4.2.2.2 THIẾT LẬP SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN MÁY PHÁT ĐIỆN 63

4.2.2.3 CHẠY PHẦN MỀM VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ 72

4.3 KẾT LUẬN MÔ PHỎNG 74

4.3.1 KẾT QUẢ 74

4.3.2 KẾT LUẬN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 86

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 87

5.1 KẾT LUẬN 87 5.2 KIẾN NGHỊ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

- 𝐴𝑠, 𝐴𝑐: Diện tích và mặt cắt của cuộn dây (mm2);

- AC: Alternating current – Dòng điện xoay chiều;

- AWS: Archimedes Wave Swing – Bộ thu năng lượng sóng;

- 𝑏𝑠: Độ rộng khe (mm);

- 𝑏𝑡: Độ rộng răng (mm);

- 𝐵𝑔: Mật độ từ thông khe hở không khí (T);

- 𝐵𝑚: Mật độ từ thông max (T);

- 𝐵𝑟: Mật độ từ thông dư của nam châm (T);

- 𝐵𝑦𝑟: Mật độ từ thông trong lõi rotor (T);

- 𝐵𝑦𝑠: Mật độ từ thông trong lõi stator (T);

- FPE: Free Piston Engine - Động cơ không trục khuỷu hay động cơ pít-tông tự do;

- FPEC: Free piston engine converters – Chuyển đổi năng lượng pít-tông tự do;

- FPLE: Free piston linear engine – Máy phát điện tuyến tính pit-tông tự do;

- FPLG: Free Piston Engine Linear Generator - Máy phát điện tuyến tính trên động

cơ pít-tông tự do;

- g: Khe hở không khí (mm);

- 𝑔𝑒𝑞: Khe hở không khí tương đương (mm);

- ℎ𝑚: Bề dày nam châm (mm);

- ℎ𝑠: Chiều cao của khe (mm);

- 𝐻𝑐: Từ kháng của nam châm (A/m);

- HCCI: Homogeneous charge compression ignition – Đánh lửa nén đồng chất;

- I: Cường độ pha (Am);

- 𝐼𝐴: Cường độ dòng điện pha A (Am);

- 𝐽𝑤: Mật độ dòng điện (A/mm2);

- 𝐽: Tải dòng điện (mật độ dòng tuyến tính của stator) (A/m);

- 𝐾𝑐𝑢: Hệ số lắp đầy;

- 𝐿𝐶: Độ dài trung bình của một vòng dây (mm);

- 𝐿𝑠: Chiều dài stator (mm);

- L: Độ tự cảm cuộn dây (H);

- LEM: Linear Electric Machine – Máy phát điện tuyến tính

- LPMG: Linear permanent magnet generator – Máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính;

- M: Độ hỗ cảm giữa các cuộn dây (H);

- m: Số pha;

- 𝑀𝑠: Là số mặt;

- 𝑁𝐶: Số vòng dây trên một cuộn;

- 𝑁𝑝ℎ: Số vòng dây trên một pha;

- p: Số cực;

- 𝑃𝑖𝑛: Công suất đầu vào (W);

- 𝑃𝑜𝑢𝑡: Công suất đầu ra (W);

- PCCI: Premixed charge compression ignition – Đánh lửa nén phí trộn sẵn;

- PM: Permanent magnet – Nam châm vĩnh cửu;

- PMLEM: Permanent magnet linear electric engine – Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cữu;

- q: Tỷ lệ số khe/cực/pha;

- 𝑅𝐿: Điện trở tải (Ω);

- 𝑅𝑝ℎ: Điện trở pha của cuộn dây (Ω);

- 𝑅𝑤𝑝𝑘𝑚: Điện trở suất trên một kilomet dây (Ohm/km);

- 𝑆𝑖𝑛: Công suất biểu kiến (VA);

- Stator: phần tĩnh của máy phát điện;

- 𝜏𝑚: Độ dài nam châm (mm);

- 𝜏𝑝: Độ rộng cực (mm);

- 𝜏𝑡: Khoảng cách khe (mm);

- Translator: Phần di chuyển của máy phát;

- 𝑉𝑝ℎ: Giá trị điện áp pha (V);

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ máy PM mô-đun hình ống ba pha 5

Hình 1.2 Cấu trúc máy phát tuyến tính của nguyên mẫu đầu tiên của Toyota Central R & D 6

Hình 1.3 Cấu trúc máy phát tuyến tính của nguyên mẫu thứ hai của Toyota Central R & D 6

Hình 1.4 Hai thế hệ nguyên mẫu tại Toyota Central R & D 7

Hình 1.5 Máy phát tuyến tính thế hệ thứ nhất của DLR 7

Hình 1.6 Máy phát tuyến tính thế hệ thứ hai của DLR 8

Hình 1.7 Hệ thống FPLG của Ferrari và Friedrich 8

Hình 1.8 Cấu trúc buồng đốt của máy phát điện tuyến tính 9

Hình 1.9 Cách bố trí máy phát điện tuyến tính trên xe của DLR 10

Hình 1.10 Cấu trúc máy phát điện tuyến tính của DLR 10

Hình 2.1 Máy phát điện tuyến tính sắt chuyển động 14

Hình 2.2 Máy phát điện tuyến tính cuộn dây di chuyển 14

Hình 2.3 Máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động 15

Hình 2.4 Cấu tạo máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động dạng hình ống 16

Hình 2.5 Cấu tạo máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động dạng mặt phẳng 17

Hình 2.6 Bộ chuyển đổi năng lượng song AWS 18

Hình 2.7 Máy phát điện tuyến tính dạng ống trên động cơ pít-tông tự do 19

Hình 2.8 Cấu tạo động cơ pít-tông tự do loại pít-tông đơn 20

Hình 2.9 Cấu tạo động cơ pít-tông tự do loại pít-tông kép 21

Hình 2.10 Cấu tạo động cơ pít-tông tự do loại pít-tông đối đỉnh 22

Hình 2.11 Máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do (FPLG) 22

Hình 2.12 Vận tốc pít-tông so với chuyển vị 24

Hình 2.14 Công suất được tạo ra với góc mở bướm ga khác nhau 25

Hình 2.15 FPLG loại xy-lanh đơn 26

Hình 2.16 FPLG loại xy-lanh kép 26

Hình 2.17 FPLG loại xy-lanh đối đỉnh 27

Hình 3.1 Hệ thống FPLG với động cơ pít-tông tự do đối đỉnh 28

Hình 3.2 Hệ thống FPLG trên xe PHEV của DLR 28

Hình 3.3 Mô hình FEM của một phần máy phát điện tuyến tính 4 mặt phẳng với stator 5.3 mm và translator 8 mm 37

Hình 3.4 Mật đồ từ thông phân bố trong lõi stator và translator trước khi tối ưu 38

Hình 3.5 Mật độ từ thông phân bố trong lõi stator dày 9.3 mm và translator dày 12 mm 39

Hình 3.6 Mật độ từ thông phân bố trong lõi stator dày 13.3 mm và translator dày 16 mm 40

Hình 3.7 Hình chiếu bằng của máy phát điện tuyến tính 41

Hình 3.8 Mặt cắt đứng của máy phát điện tuyến tính 42

Hình 4.1 Hình ảnh về ANSYS Maxwell 16 43

Hình 4.2 Các bước vẽ translator 48

Hình 4.3 Các bước vẽ nam châm và stator 53

Hình 4.4 Các bước vẽ cuộn dây 54

Hình 4.4 Các bước tạo Terminal 55

Hình 4.6 Band của mô hình 56

Hình 4.7 Region của mô hình 57

Hình 4.8 Sơ đồ mạch điện của máy phát 63

Hình 4.9 Bảng Report để xem giá trị độ tự cảm của các cuộn dây 66

Hình 4.10 Bảng Report để xem giá trị độ hỗ cảm của các cuộn dây với nhau 66

Hình 4.11 Giá trị độ tự cảm của các cuộn dây trong mô phỏng của Maxwell 66

Hình 4.12 Giá trị độ hỗn cảm của các cuộn dây trong mô phỏng của Maxwell 67

Hình 4.13 Biểu đồ thể hiện các thông số theo hàm điện trở từ 0- 110 𝜴 ở tần số 30 Hz 69

Hình 4.14 Biểu đồ thể hiện các thông số theo hàm điện trở tới 20 𝜴 ở tần số 30 Hz 69

Hình 4.16 một số thiết bị trong Compoments được sử dụng để vẽ mạch điện 71

Hình 4.17 mạch điện của mô hình máy phát điện tuyến tính có RL là 1.2 ohm ứng với tần số 15 Hz 71

Hình 4.18 bảng Edit External Circuit sau khi import mạch điện thành công 72

Hình 4.19 Bảng Validation check khi các thông số đã được hoàn thiện 73

Hình 4.20 Đồ thị mật độ từ thông B trên phần tĩnh (stator) của máy phát điện ở tần số 30 Hz 75

Hình 4.21 Đồ thị mật độ từ thông B trên phần động (translator) của máy phát điện ở tần số 30 Hz 76

Hình 4.22 Đồ thị mật độ điện từ J trên cực cuộn dây (coil terminal) của máy phát điện ở tần số 30 Hz 77

Hình 4.23 Đồ thị cường độ từ trường H trên cực cuộn dây (coil terminal) của máy phát điện ở tần số 30 Hz 78

Hình 4.24 Bảng Report để xuất ra biểu đồ về dòng điện của cả 3 pha 79

Hình 4.25 Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 15 Hz 79

Hình 4.26 Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 15 Hz 80

Hình 4.27 Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 15 Hz 80

Hình 4.28 Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 30 Hz 81

Hình 4.29 Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 30 Hz 81

Hình 4.30 Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 30 Hz 82

Hình 4.31 Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 50 Hz 82

Hình 4.32 Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 50 Hz 83

Hình 4.34 Biểu đồ công suất đầu vào và đầu ra của máy phát điện từ 15 Hz đến 50 Hz 85

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Bảng chọn loại dây đồng American Wire Gauge 33 Bảng 3.2 Thông số máy phát diện 36 Bảng 3.3 Thông số thành stator và translator 41 Bảng 4.1 Điện trở tải mà máy phát điện tạo công suất đầu ra tôi đa, ứng với từng tần số

từ 15 Hz đến 50 Hz 70 Bảng 4.2 Công suất đầu vào Pin và công suất đầu ra Pout của máy phát điện ở các tần số

từ 15 Hz đến 50 Hz 84

CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Với việc nguồn nhiên liệu hóa thạch từ thiên nhiên đang dần cạn kiệt cùng với những vấn đề về ô nhiễm môi trường là sự áp lực lớn phải tìm ra các công nghệ thay thế phát triển nguồn năng lượng tái tạo sạch Kể từ những thập niên 80 cho đến nay, vấn đề môi trường được coi là nội dung trọng tâm cần quan tâm tại các nước công nghiệp phát triển, nhiệm

vụ đặt ra là tăng cường bảo vệ chất lượng môi trường trong khi vẫn phải phát triển các nguồn lực kinh tế xã hội và cải thiện chất lượng cuộc sống

Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu giải pháp sử dụng ô tô chạy điện, ô tô lai thay thế ô tô sử dụng nhiêu liệu truyền thống Xe lai sạc điện là một hệ thống plug-in hybrid gồm có bộ đôi động cơ điện và một động cơ xăng Động cơ điện được hỗ trợ bởi một bộ pin lithium-ion Động cơ xăng sẽ được kích hoạt khi

bộ pin cạn kiệt và hoạt động chủ yếu như một máy phát điện, điều này sẽ giúp xe lai sạc điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện Khắc phục được điểm yếu lớn nhất của xe điện là quãng đường đi được bị hạn chế Vì pin dùng cho đông cơ điện cũng đồng thời làm ắc quy, nên việc nghe nhạc, xem phim hay các ứng dụng trực tuyến cũng đều ảnh hưởng đến quãng đường đi được của xe điện Ngoài ra các yếu tố tốc độ, cách lái xe và địa hình cũng làm phạm vi hành trình thay đổi khá nhiều

Máy phát điện tyến tính trên động cơ pít-tông tự do để cung cấp cho xe lai sạc điện,

là một trong những động cơ được tích hợp máy phát điện mới, hiệu suất cao, thiết bị chuyển đổi năng lượng đã được nghiên cứu do những lợi thế tiềm năng của nó về hiệu suất nhiệt, phát khí thải thấp và khả năng đa nhiên liệu so với động cơ thông thường Tuy nhiên, những nghiên cứu trên mới chỉ được thí nghiệm dựa vào những mô trên mô hình, chưa đưa vào ứng dụng trên xe hybrid nhưng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã tạo ra những bộ

xử lý nhanh hơn và các cảm biến nhạy hơn để điều khiển động cơ, cải thiện công suất, giảm phát thải

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Trong máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do, pít-tông di chuyển tự do giữa TDC và BDC, và chuyển động của nó được xác định bởi tổng hợp các lực tác dụng lên nó, bao gồm lực áp suất khí, lực điện từ và lực bật lại Chuyển động của pít-tông phải được điều khiển bởi bộ điều khiển FPLG, đó là một điều khiển tích hợp các tham số của quá trình đốt cháy hoặc các biến điều khiển của LEM (Linear electric machine) và các thiết

bị bật lại Hơn nữa, có các biến thể theo chu kỳ và các nhiễu loạn lớn theo chu kỳ trong quá trình đốt cháy Do đó, kiểm soát chuyển động của pít-tông vẫn là thách thức lớn nhất của FPLG

Bên cạnh đó, LEM không chỉ được sử dụng như một đơn vị đầu ra năng lượng mà còn là đơn vị điều khiển để điều chỉnh chuyển động của pít-tông Đối với FPLG, LEM đòi hỏi độ tin cậy cao, độ chính xác cao, hiệu quả cao, …Các cấu trúc khác nhau của LEM được thiết kế bởi nhiều đội trên thế giới đã được nghiên cứu, nhưng không có cấu trúc nào trong số này đáp ứng tất cả các yêu cầu do đột quỵ ngắn, tần số cao và gia tốc cao Đối với FPLG, LEM là một thành phần thiết yếu giúp chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện, và nó cũng có thể được vận hành như một động cơ để khởi động động cơ và giữ cho tỷ số nén phù hợp thông qua điều khiển vị trí Loại máy phát điện tuyến tính sẽ ảnh hưởng đến sản lượng điện và có thể được phân loại dựa trên loại của chúng (dạng ống hoặc phẳng), cấu trúc pha (một pha hoặc ba pha) và bố trí nam châm (nam châm chuyển động, sắt di chuyển, hoặc cuộn dây chuyển động) Trong giai đoạn thiết kế, cần xem xét cả hiệu suất và công nghệ sản xuất LEM Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng khối lượng di chuyển thấp rất quan trọng để cải thiện tần suất hoạt động và tối ưu hóa hiệu quả LEM có thể làm giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu Bên cạnh hiệu quả cao và khối lượng di chuyển thấp, mật độ năng lượng cao, độ tin cậy tốt, hiệu suất động cao và cấu trúc đơn giản cũng được yêu cầu cho LEM

Liên quan đến máy phát điện tuyến tính (Linear Electric Machine, LEM) có rất nhiều nghiên cứu liên quan như: Nghiên cứu các công nghệ chính của thiết kế LEM; Nghiên cứu

về các cấu trúc từ thông trong LEM; Nghiên cứu về các cấu trúc liên kêt khác nhau trong LEM; Nghiên cứu về đặc tính hoạt động của máy phát tuyến tính pít-tông tự do bẳng các

mô hình số và các phần mền mô phỏng…

1.2.1 TRONG NƯỚC

Hiện nay, máy phát điện tuyến tính chưa nhận được nhiều sự chú ý ở nước ta Nên các nghiên cứu, báo cáo còn khá khiêm tốn, các nhóm nghiên cứu chủ yếu là từ một số trường Đại học lớn trong nước như: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM,… nghiên cứu về máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do cho ô tô và Đại học hàng hải Việt Nam nghiên cứu về máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cữu trong khai thác điện song biển Các nghiên cứu mới chỉ dừng tính toán thiết kế và ở mô phỏng trên các phần mềm Ansoft Maxwell, Matlab/Simulink, Ansys Symplorer, FEMM,

1.2.2 NGOÀI NƯỚC

• Nghiên cứu của Đại học West Virginia [1]

Nhóm nghiên cứu từ Đại học West Virginia đã nghiên cứu về FPLG từ năm 1995

Họ đã tiến hành mô phỏng số cho quá trình vận hành và nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số khác nhau đến các đặc điểm của hệ thống Và nguyên mẫu bao gồm hai động cơ pít-tông tự do hai thì Kết quả chỉ ra rằng không có tải trọng bên ngoài, tần số hoạt động của nguyên mẫu là 1457 rad/phút và cấu hình chuyển động của pít-tông tương tự như trạng thái hình sin Khi nguyên mẫu được cho mang tải, tần số hoạt động của nó là 1361 rad/phút

và công suất đầu ra tối đa là 316 W Tuy nhiên, hiệu suất tạo mẫu thử nghiệm thấp và máy không thể hoạt động liên tục

• Nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL) [2]

Nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL) đã thiết kế một nguyên mẫu FPLG từ năm 2000 Nguyên mẫu cho thấy hiệu quả cao, lượng khí thải thấp và có thể hoạt động trên nhiều loại nhiên liệu có chứa hydro FPLG sử dụng chế độ “động cơ đồng nhất và nén tự cháy” (HCCI) và chu trình nhiệt động lực học đạt được gần với chu trình

Otto

• Nhóm nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Séc [3]

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Séc đã phát triển hai nguyên mẫu FPLG vào năm 2003 và 2007 tương ứng Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng tần số hoạt động của nguyên mẫu đầu tiên là 27 Hz và công suất đầu ra tối đa là 650 W Tuy nhiên, hiệu suất tạo ra hệ thống chỉ dưới 10%

• Nghiên cứu của Ủy ban Năng lượng EU [4]

Năm 2002, Ủy ban Năng lượng EU đã bắt đầu chương trình Chuyển đổi năng lượng Pít-tông tự do (FPEC), nhằm áp dụng phương pháp HCCI trên FPEC Họ đã tiến hành ghép mô phỏng số của quá trình hoạt động của FPEC Kết quả cho thấy nhiên liệu có số octan thấp cần tỷ số nén cao và tỷ số nén cao sẽ làm tăng tần suất hoạt động, công suất đầu ra và hiệu quả của FPEC Và họ đã thiết kế một nguyên mẫu với công suất đầu ra 25

kW và cường độ năng lượng lớn hơn 0,6 kW/kg, cái mà được mong đợi sẽ đáp ứng tiêu chuẩn khí xả European V của châu Âu Tuy nhiên, hầu hết các thông số và đặc tính vận hành của động cơ là kết quả mô phỏng và rất ít dữ liệu thử nghiệm được báo cáo

• Nghiên cứu của Đại học Newcastle [5]

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Newcastle đã bắt đầu nghiên cưu FPLG từ năm 2005

Mô hình số đã được thực hiện để nghiên cứu các đặc tính của động cơ đốt trong của FPLG, động lực học của pít-tông và hệ thống điều khiển Kết quả mô phỏng cho thấy tần số hoạt động của FPLG là 30 Hz, công suất đầu ra là 44,4 mã lực và hiệu suất của nó lên tới 42% FPLG cho thấy hiệu quả cao hơn và nhiệt độ khí thấp hơn, để giảm lượng khí thải NOx Bên cạnh đó, người ta thấy rằng FPLG rất nhạy cảm với tải và hệ thống dễ dàng đạt được kết quả khả quan bằng cách sử dụng chiến lược kiểm soát đơn giản Tuy nhiên, hầu hết các công việc của họ chỉ được báo cáo về phân tích mô phỏng số

• Nghiên cứu của Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh [6]

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh đã nghiên cứu về máy phát tuyến tính động cơ pít-tông tự do trên động cơ pít-tông đơn Họ đã thiết kế một nguyên mẫu và kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng công suất đầu ra là 2,2 kW và hiệu suất nhiệt đạt 32% Họ đã thiết kế bộ điều khiển phân tầng máy phát tuyến tính động cơ pít-tông tự

do trên động cơ pít-tông đơn Khái niệm chính của nó là sửa đổi chuyển động của pít-tông thông qua việc điều khiển nam châm điện tử để đảm bảo rằng nguyên mẫu có thể hoạt động liên tiếp

• Nghiên cứu tại Viện Công nghệ Bắc Kinh [7]

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Bắc Kinh đã nghiên cứu FPLG từ năm 2006,

và một số nguyên mẫu đã được thiết kế Họ đã tiến hành mô phỏng số 0 của FPLG và dự đoán tần số hoạt động của FPLG và động lực học của pít-tông Họ đã phân tích ảnh hưởng

chuyển động của pít-tông đến quá trình cháy động cơ Kết quả thí nghiệm cho thấy áp suất khí trong xi lanh cực đại là trên 40 bar đối với nguyên mẫu đầu tiên và tần số hoạt động là

30 Hz Nguyên mẫu thứ hai của FPLG có thể hoạt động ổn định trong quá trình bắt đầu Kết quả thí nghiệm cho thấy trong quá trình bắt đầu, tỷ lệ nén và áp suất trong xi lanh cực đại tăng theo phương pháp phi tuyến tính và có xu hướng đạt đến trạng thái ổn định sau vài chu kỳ vận hành Sau khi đánh lửa thành công, vận tốc pít-tông cực đại tăng đáng kể lên khoảng 4,0 m/s

• Máy phát điện tuyến tính trên động cơ free pít-tông của của Toyota [8]

Nguyên mẫu FPLG được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Toyota Central R & D Labs Inc bao gồm buồng đốt hai thì, máy phát điện tuyến tính và buồng lò xo khí Với hai thế hệ nguyên mẫu như trong Hình 1.2 và 1.3 Trong hình 1.4, sự khác biệt chính giữa chúng như sau: động lực của nguyên mẫu đầu tiên bao gồm các cột sắt và nam châm vĩnh cửu, trong khi thứ hai nguyên mẫu có một loạt nam châm vĩnh cửu Halbach; stato của nguyên mẫu đầu tiên có bốn cuộn dây ở mỗi khe, trong khi đó có chín cuộn dây với dây hình chữ nhật của nguyên mẫu thứ hai So sánh cho thấy nguyên mẫu thứ hai có hiệu quả cao hơn, điều này đã xác minh rằng việc sử dụng mảng Halbach có thể cải thiện hiệu suất LEM

Hình 1.1 Sơ đồ máy PM mô-đun hình ống ba pha [8]

Hình 1.2 Cấu trúc máy phát tuyến tính của nguyên mẫu đầu tiên của

Toyota Central R & D [8]

Hình 1.3 Cấu trúc máy phát tuyến tính của nguyên mẫu thứ hai của

Toyota Central R & D [8]

Hình 1.4 Hai thế hệ nguyên mẫu tại Toyota Central R & D [8]

(a) Nguyên mẫu đầu tiên; (b) Nguyên mẫu thứ hai

• Nghiên cứu và phát triển của Trung tâm không gian Đức – DLR [9][10]

Năm 2012,F Rinderknecht từ Trung tâm không gian Đức (DLR) [9] đã phân tích hai thế hệ máy phát tuyến tính tích hợp Như trong Hình 1.5, thế hệ đầu tiên là máy phát tuyến tính dạng ống và nghiên cứu của ông cho thấy rằng tối đa hóa tần số có thể cải thiện mật

độ năng lượng và cấu trúc liên kết mới với khối lượng di chuyển thấp là cần thiết để tăng tần số dựa trên tổn thất lõi Thế hệ thứ hai là loại phẳng sử dụng hai stator xung quanh một động cơ Kết quả của phép đo cho thấy nguyên mẫu thế hệ thứ hai vượt trội so với thế hệ thứ nhất trong hầu hết các lĩnh vực hiệu suất, đặc biệt là tăng hiệu quả đáng kể ở chế độ động cơ

Hình 1.5 Máy phát tuyến tính thế hệ thứ nhất của DLR [9]

Hình 1.6 Máy phát tuyến tính thế hệ thứ hai của DLR [9]

Sau đó, năm 2013 Cornelius Ferrari và Horst E Friedrich của Trung tâm không gian Đức đã phát triển một máy phát điện tuyến tính kết hợp với động cơ pít-tông tự do có hành trình pít-tông là 60 mm, tần số 21 Hz và tạo ra công suất điện khoảng 10 kW [10] như trong hình 1.7

Hình 1.7 Hệ thống FPLG của Ferrari và Friedrich [10]

Hai nhà khoa học ước tính trong tương lai động cơ có thể đạt tới tần số 50 Hz và tạo

ra công suất 25 kW, với hệ thống FPLG hoàn chỉnh có hai với pít-tông đối đỉnh sẽ đạt tới công suất 50 kW

Từ nghiên cứu trên, năm 2013, Trung tâm không gian Đức đã nghiên cứu thiết kế máy phát điện tuyến tính dạng mặt phẳng kết hợp với công nghệ động cơ “đối đỉnh” ở động

cơ free pít-tông, hỗn hợp hòa khí khi được kích nổ trong buồng đốt, lực đẩy sẽ tác động về

cả 2 phía

Hình 1.8 Cấu trúc buồng đốt của máy phát điện tuyến tính

Động cơ pít-tông tự do đối đỉnh loại bỏ cơ cấu biến chuyển động tuyến tính của động

cơ EcoMotors thành mô men xoắn khiến động cơ pít-tông tự do trở nên nhỏ gọn Phần động cơ pít-tông tự do của cơ quan không gian Đức hoạt động như động cơ 2 kỳ, không có xu-páp hút xả Ở gần BDC có lỗ thoát khí nằm cao hơn lỗ hút khí một chút Gần cuối kỳ dãn nổ, sẽ để hở lỗ thoát khí thải, để khí thải thoát ra sau đó đến lố hút khí, không khí tươi

từ buồng nén sẽ được bơm vào xy-lanh

Ở phần phát điện, 2 pít-tông được nối với 1 bàn lùa gắn những thanh nam châm vĩnh cửu thông qua một thanh nối xuyên qua buồng nén khí Bàn lùa có chức năng thay thế cho rotor ở máy phát điện truyền thống được gọi translator Translator chạy trong 1 stator hình ống dẹt có gắn những cuộn dây

Hình 1.9 Cách bố trí máy phát điện tuyến tính trên xe của DLR

Hình 1.10 Cấu trúc máy phát điện tuyến tính của DLR

Theo Ulrich Wagner, Giám đốc năng lượng và vận tải cơ quan không gian Đức, mỗi module FPEG có thể sản sinh dòng điện 40-50 Hz công suất 35 kW Với buồng nén không khí tươi có trang bị van điều áp, động cơ có thể vận hành với nhiều loại nhiên liệu khác nhau Chẳng hạn như khi chạy xăng, động cơ được điều chỉnh có tỷ lệ nén 10:1, khi chạy khí thiên nhiên có tỷ lệ nén 13,5:1 và khi chạy cồn ethanol tỷ lệ nén điều chỉnh ở mức 14:1 Trung tâm không gian Đức cho biết hiện hồ sơ thiết kế FPEG đã được bàn giao cho Universal Motor Corporation để phát triển thành sản phẩm thương mại sử dụng cho xe plug-in hybrid

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Trên cơ sở từ các nghiên cứu trước đây, xây dựng lại và cải thiện những hạn chế về máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do trên cơ sở từ các nghiên cứu trước đây

- Mô phỏng và rút ra kết luận hiệu quả mô hình mô phỏng bằng phần Ansys Maxwell

- Nghiên cứu tiềm năng ứng dụng của máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông

tự do trong các lĩnh vực kỹ thuật

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ

- Đối tượng nghiên cứu: Các thông số thiết kế, hiệu suất của máy phát điện tuyến tính

và phần mềm mô phỏng Ansoft Maxwell

- Pham vi nghiên cứu: Máy phát điện tuyến tính được tích hợp trên động cơ pít-tông

tự do

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp tổng quan: Các nghiên cứu liên quan tới máy phát điện tuyến tính động cơ pít-tông tự do, từ đó đưa ra đối tượng nghiên cứu và mô phỏng số

- Phương pháp lý thuyết: Dựa trên lý thuyết máy phát điện tuyến tính động cơ tông tự do

pít Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hinh toán và mô phỏng

- Phương pháp xử lý số liệu: dựa trên số liệu kết quả mô phỏng để đánh giá, so sánh với các bài báo liên quan

1.5 CẤU TRÚC NỘI DUNG ĐỀ TÀI

- Chương 1: Dẫn nhập: Trình bày về lý do chọn đề tài, tình hình nguyên cứu trong và ngoài nước, mục tiêu, đối tượng và các phương phá nghiên cứu đề tài

- Chương 2: Máy phát điện tuyến tính: Giới thiệu tổng quan về cấu trúc, nguyên lý hoạt động, các dạng và những ứng dụng của máy phát điện tuyến tính

- Chương 3: Máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do: Trình bày về tổng quan, các loại động cơ pít-tông tự do và máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do, những ưu-nhược điểm của máy phát điện tuyến tính so với các máy phát điên truyền thống khác

- Chương 4: Tính toán thiết kế máy phát điện tuyến tính: Xác định các thông số đầu vào, từ đó tính toán xác định các kích thước ban đầu của lõi máy phát điện và sau

đó tối ưu các thành phần tĩnh và phần động của máy phát

- Chương 5: Mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do: Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansoft Maxwell, các bước thiết lập mô hình, mạch điện máy phát điện tuyến tính trên Ansoft Maxwell, mô phỏng và đưa ra kết quả

- Chương 6: Kết luận và kiến nghị: kết luận đề tài và các kiến nghị phát triển nghiên cứu trong tương lai về máy phát điện tuyến tính pít-tông tự do

CHƯƠNG 2 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ

PÍT-TÔNG TỰ DO 2.1 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH

2.1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH

Một máy phát điện tuyến tính là một động cơ tuyến tính được sử dụng như một máy phát điện với dòng điện xoay chiều bằng cách chuyển đổi năng lượng cơ học để thành năng lượng điện Giống như hầu hết các động cơ điện và máy phát điện, máy phát điện tuyến tính hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ Tuy nhiên, hầu hết các máy phát điện xoay chiều hoạt động với chuyển động quay tròn, máy phát điện tuyến tính hoạt động với chuyển động theo đường thẳng, chuyển đổi chuyển động qua lại thành năng lượng điện Loại máy phát điện tuyến tính đơn giản nhất là đèn pin Faraday Đây là đèn pin kiểu

Mỹ có chứa một cuộn dây và một nam châm vĩnh cửu Khi chiếc đèn được người dung lắc qua lại, nam châm dao động tuyến tính theo đường thẳng qua các cuộn dây và gây ra một dòng điện Sau đó, thiết bị có thể tạo ra ánh sáng và nó có thể được sạc lại bằng cách lắc thêm

2.1.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Nguyên lý cảm ứng điện từ do nhà bác học Faraday phát hiện vào những năm 30 của thế kỷ 19 Ông còn phát hiện ra rằng dòng điện tích có thể bị cảm ứng khi nó di chuyển qua một cuộn cảm, cũng như dòng mang điện tích biến thiên trong từ trường Sự chuyển động này tạo nên sự chênh lệch về hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn hoặc hai đầu cuộn cảm Và ngược lại, nó sẽ tạo ra các điện tích, từ đó tạo ra dòng điện

Máy phát điện tuyến tính cũng hoạt động dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday Suất điện động cảm ứng “ 𝝃” là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín , nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thông qua mạch “ 𝒅𝝓” và tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy “ 𝒅𝒕”

𝝃 =𝒅𝝓𝒅𝒕

2.1.3 CẤU TRÚC MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH

2.1.3.1 CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN

Sự sắp xếp khác nhau của nam châm và cuộn dây sẽ phân biệt các loại máy phát điện tuyến tính khác nhau, bao gồm máy phát điện tuyến tính kim loại chuyển động, cuộn dây chuyển động và nam châm chuyển động

Hình 2.1 Máy phát điện tuyến tính sắt chuyển động

Kiểu máy phát điện tuyến tính kim loại di chuyển thường nặng hơn rất nhiều so với kiểu nam châm chuyển động và cuộn dây di chuyển

Hình 2.2 Máy phát điện tuyến tính cuộn dây di chuyển

Máy phát điện tuyến tính cuộn dây di chuyển yêu cầu các dây dẫn cáp linh hoạt chịu ứng suất và rung động cơ học Khi tần số hoạt động và công suất tăng, lực đẩy của loại

hiệu quả và khó khăn trong việc tản nhiệt Do đó, máy phát tuyến tính cuộn dây không phù hợp cho các ứng dụng công suất cao và tần số cao

Hình 2.3 Máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động

Máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động - PMLEM phù hợp hơn cho hoạt động tần số cao do độ tin cậy tốt và có khối lượng di chuyển thấp nhất Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu là lựa chọn tốt nhất cho LEM do hiệu suất cao và tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao, đây cũng là kiểu máy phát điện tuyến tính được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất trên FPLG bởi khả năng chế tạo và tính thực tế của nó Có hai loại PMLEM chính là loại hình ống và loại hình phẳng

2.1.3.2 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM CHUYỂN ĐỘNG 2.1.3.2.1 DẠNG HÌNH ỐNG

Hình 2.4 Cấu tạo máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động dạng

hình ống [13]

• Permanent magnet: Nam châm vĩnh cửu;

• Coil: Cuộn dây;

• Pole: Cực;

• Stator: Phần ứng

Nhìn bên ngoài, máy phát điện tuyến tính dạng hình ống có cấu trúc đáng tin cậy Tuy nhiên, vòng từ, stator xếp chồng lên nhau và cuộn dây trong máy phát điện hình ống khó chế tạo và lắp ráp, và các khu vực cắt của cuộn dây bị giới hạn bởi vòng từ

Về cấu trúc máy phát điện tuyến tính dạng mặt phẳng sẽ dễ chế tạo, gia công và thiết

kế hơn so với máy phát điện tuyến tính dạng hình ống Bên cạnh đó, theo những kết quả thí nghiệm cho thấy máy phát điện tuyến tính loại phẳng cũng tốt hơn nhiều so với dạng ống về hiệu suất, công suất cụ thể, điện áp đầu ra và dòng điện

2.1.4 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH HIỆN NAY 2.1.4.1 BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

Để chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện, một số phương pháp đã được phát triển và áp dụng Một trong số đó là Archimedes Wave Swing (AWS) khai thác phao nổi làm máy thu năng lượng và máy phát tuyến tính làm bộ chuyển đổi năng lượng

Hình 2.6 Bộ chuyển đổi năng lượng song WEC [15]

2.1.4.2 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TÔNG TỰ

DO

Máy phát điện tuyến tính kết hợp với động cơ pít-tông tự do tạo thành động cơ phát điện pít-tông tự do, máy phát điện này đang rất được quan tâm nghiên cứu trong sự phát triển của công nghệ xe điện lai Tổng hiệu suất (bao gồm cả động cơ và máy phát) của máy phát tuyến tính pít-tông tự do có thể cao hơn đáng kể so với động cơ đốt trong thông thường

và có thể so sánh với pin nhiên liệu