Thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN ====o0o==== ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Việt Anh Sinh viên thực : Hứa Trọng Khiêm Trần Văn Cương Nguyễn Trường Giang Hoàng Thế Vũ Lớp : Điện – k13 Hà nội, 2021 BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN Số: 22 Tên lớp: 20211EE6023006 Họ tên sinh viên: Nhóm 22 STT Họ tên Mã SV Lớp Trần Văn Cương 2018603949 2018DHDIEN03 - ĐH K13 Nguyễn Trường Giang 2018603940 2018DHDIEN03 - ĐH K13 Hứa Trọng Khiêm 2018604109 2018DHDIEN03 - ĐH K13 Hoàng Thế Vũ 2018603620 2018DHDIEN03 - ĐH K13 Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Việt Anh NỘI DUNG Đề tài: Thiết kế động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có cơng suất đầu trục Pđm = 750 w, có số rãnh 12 số cực 10, tốc độ định mức nđm = 600v/p, hiệu suất ŋ=0,8, Điện áp chiều Vdc=127 V YÊU CẦU THỰC HIỆN A Phần thuyết minh Tính tốn kích thước chủ yếu Tính tốn stator, rotor Thuật toán thiết kế sơ động PMSM Kết tính tốn giải tích Kết mơ động PMSM B Bản vẽ kỹ thuật STT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Sơ đồ hình trải dây quấn A3 01 Sơ đồ lắp ráp động A3 01 Chương 1: Sơ lưc v động đng nam châm vnh cu 1.1: Khái niệm v động đng nam châm vnh cu Động BLDC hay gọi động nam châm vĩnh cửu, loại động có dạng sóng hình thang Chính sức phản điện động có kết cấu dạng hình thang yếu tố định để xác định động BLDC Thay cho chuyển mạch dòng phần ứng giống động chiều thông thường sử dụng chổi than cổ góp động BLDC lại sử dụng chuyển mạch điện từ Hình 1: Máy phát điện sử dụng động nam châm vĩnh cửu Do đó, cuộn dây phần ứng đặt stator giúp cho pm motor dễ dàng dẫn nhiệt từ cuộn dây vỏ, sử dụng phương pháp làm mát cưỡng khác cần Vì vậy, động BLDC có mật độ cơng suất lớn hẳn so với động chiều truyền thống Động chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt hệ truyền động có cơng suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) ổ đĩa quang, động nam châm vĩnh cửu máy giặt, quạt làm mát máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng (máy in, máy scan, ) Trong ứng dụng đó, mạch điều khiển chế tạo cách đơn giản có độ tin cậy cao 1.2: Phân loai động năm châm vnh cu Theo thực tế, động nam châm vĩnh cửu gồm có loại:   Động pm DC có kích từ điện với dải cơng suất lớn Động pm DC với dải công suất nhỏ Theo kết cấu, động pm DC chia thành:   Máy điện đồng có cực ẩn Máy điện đồng có cực lồi Theo chức năng:    Máy phát điện đồng Động điện đồng Máy bù đồng 1.3 : Cấu tạo nguyên lý làm việc động nam châm vnh cu 1.3.1 : Cấu tạo pm motor Stator nam châm vĩnh cửu bên động pm DC từ tên động DC: Cực trường động thường làm nam châm vĩnh cửu Một động pm DC bao gồm phần, stator armature Ở đây, stator xi lanh thép, cịn nam châm lại gắn kết chu vi, tức mặt xi lanh Các nam châm vĩnh cửu thường gắn kết theo cách tương tự đầu N cực S nam châm quay mặt nạ động Rotor động pm DC có cấu tạo tương tự giống động DC khác Rôto phận động DC chạy nam châm vĩnh cửu bao gồm phần như: cốt lõi, cuộn dây với chuyển mạch Lõi gia cố động làm lớp sơn cách điện cách li mỏng lớp thép Bằng cách cố định chặt thép tròn vào chỗ, lõi hình trụ có khe lúc hình thành Các thép mỏng, có độ bóng cách điện sử dụng để làm giảm tổn hao dịng điện dịng xốy bên phần cố định thiết bị động DC nam châm vĩnh cửu Các khe nằm ngoại vi phía mặt ngồi lõi phần ứng dụng, chúng thường sử dụng để làm dây dẫn cuộn dây cho phần vỏ Các dây dẫn cuộn nối kết nối theo cách thích hợp làm tăng cuộn dây phần ứng Các đầu cuối cuộn dây kết nối với phận chuyển mạch đặt trục động Giống động DC khác, lớp carbon than chì khác đặt với áp suất lò xo phân đoạn phận chuyển mạch nhằm mục đích cung cấp dịng điện lên cho phần mềm 1.3.2 Nguyên lý làm việc PMSM động đồng nam châm vĩnh cửu hoạt động sau: cấp dịng điện hình sin vào cuộn dây stator xuất từ trường quay với tốc độ ntt = 60f/p, f- tần số biến thiên dịng điện, p – số đơi cực Do từ trường nam châm vĩnh cửu từ trường không đổi không quay, tác động từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình mơ men có giá trị Để máy điện làm việc phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ tốc độ từ trường, lúc mô men trung bình động khác Việc đưa nam châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường phương pháp khởi động động đồng thường mà ta nghiên cứu trước Do khởi động máy lai ngoài, phương pháp đắt tiền, cồng kềnh nên sử dụng Phương pháp hay dùng phương pháp khởi động dị Lúc đặt tải lên động Như máy đồng nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng với từ trường quay, quay với tốc độ đồng 1.3.4 Nhng ưu nhưc đim động đng nam châm vnh cu Động nam châm vĩnh cửu DC hay gọi động pm DC hoạt động theo nguyên tắc nam châm vĩnh cửu, dựa thực tế dây dẫn mang dòng điện đặt từ trường có lực học chạy qua dây dẫn Tất loại động DC thông thường hoạt động theo nguyên tắc Do đó, để xây dựng động DC, cần phải thiết lập từ trường Từ trường vừa thiết lập nam châm, cịn nam châm chọn loại nào, nam châm vĩnh cửu loại khác Khi nam châm vĩnh cửu sử dụng để tạo từ trường động DC động gọi động DC nam châm vĩnh cửu gọi tắt động pm DC Ưu Điểm :     Động pm DC không cần xếp để kích thích từ trường Đồng thời, khơng có cơng suất đầu vào mạch tiêu thụ để giúp kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động DC Động pm DC khơng có cuộn dây từ trường, không gian dành cho cuộn dây trường thu hẹp lại làm giảm kích thước tổng thể động Động pm DC có mức chi phí rẻ tiết kiệm cho dành cho ứng dụng xếp hạng kW phân số Có mức chi phí rẻ tiết kiệm Nhưc Đim :  Trong trường hợp này, thấy được, động DC không bù lại, cường độ từ trường động bị suy yếu phản ứng dị ứng gây mài mờ   Ngồi ra, động pm DC cịn có hội nhận cực từ bán dẫn vĩnh viễn (hoặc phần) dòng điện áp tăng lên nhiều q trình khởi động, làm đảo ngược dịng điện tình trạng tải động Một bất lợi lớn khác dễ thấy động pm DC là, từ trường khoảng cách khơng khí xem cố định giới hạn nên khơng thể kiểm sốt từ bên ngồi Do đó, việc kiểm soát tốc độ động pm DC loại động khó Chương 2: Yêu cầu thiết kế lựa chọn phương án kết cấu 2.1 : Yêu cầu Theo yêu cầu thiết kế động đồng nam châm vĩnh cửu PMSM có cơng suất đầu trục Pđm= 750 w, có số rãnh 12 số cực 10, tốc độ định mức nđm= 600v/p, hiệu suất n=0,8, điện áp chiều Vdc=127V Bên cạnh thiết kế động cần hoạt động xác, gây tiếng ồn Theo kết cấu động ta chia động đồng nam châm vĩnh cửu thành loại: Động cực ẩn động cực lồi mà ta xét thấy rõ đặc điểm cấu tạo loại máy 2.2 : Phân tích loại động đng nam châm vnh cu đưa lựa chọn 2.2.1 : Động đng nam châm vnh cu cực li Cấu tạo gồm phần roto stato: * Stato máy điện đồng nam châm vĩnh cửu gồm hai phận lõi thép dây quấn ngồi cịn có vỏ máy nắp máy Lõi thép stato gồm thép kỹ thuật điện (tôn silic dày 0,5mm) mặt phủ lớp sơn cách điện dập rãnh bên sau ghép lại 15 với tạo thành hình trụ rỗng , bên mặt tạo thành rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn Dọc chiều dài lõi thép stator cư cách khoảng -6 cm lại có khoảng thơng gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép stato đặt cố định thân máy Thân máy phải thiết kế cho hình thành hệ thống thơng gió làm mát máy tốt Nắp máy thường chế tạo gang đúc, thép nhôm đúc Dây quấn stator thường chế tạo đồng có tiết diện hình trịn chữ nhật, bề mặt dược phủ lớp cách điện, quấn thành bối lồng vào rãnh lõi thép stator, đấu nối theo qui luật định tạo thành sơ đồ hình tam giác * Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên dường kính roto lớn chiều dài lại nhỏ Roto thường đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm gắn chìm đĩa Các loại máy thường goi máy từ trường hướng trục Loại thường sử dụng kỹ thuật robot Hình 1.10 động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi 2.2.1 : Động đng nam châm vnh cu cực ẩn * Stator động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự động cực lồi * Roto máy điện cực ẩn thường làm thép hợp kim chất lượng cao, rèn khối trụ sau gia cơng phay rãnh để đặt nam châm Khi nam châm ẩn rơt đạt cẩu trúc học bền vững Kiểu thường sử dụng động cao tốc Tốc độ loại thường cao nên để hạn chế lực li tâm roto thường có dạng hình trrongs với tỷ số “chiều dài/ đường kính “ lớn Máy gọi máy từ trường hướng kính, thường sử dụng máy công cụ Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy khơng thể dược gọi khe hở khơng khí Trong trường hợp nam châm lắp bên lõi thép roto mặt vật lí coi khơng có thay đổi hình học bề mặt nam châm Mỗi nam châm bọc mảng cực thép nên làm mạch từ máy thay đổi mạnh , mảng cực thép tạo đường dẫn từ cho từ thông cắt ngang cực không gian vng góc với từ thơng nam châm Do hiệu ứng cực lồi rõ ràng làm thay đổi chế sản sinh momen máy điện Hình 1.11 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn Với yêu cầu truyền động servo truyền động phải êm, cần phải hạn chế momen momen đập mạch sóng hài khơng gian thời gian sinh Để đạt điều người ta thường tạo hình cho nam châm , uốn nam châm lượn chéo theo trục roto, uốn rãnh dây quấn stattro kết hợp với tính tốn số kích thước nam châm Kỹ thuật tạo roto xiên đắt tiền phức tạp Trong điều kiện bình thường truyền động secvo , momen điều hòa cỡ 2% momen định mức coi chấp nhận Tuy nhiên hạn chế đa số momen điều hòa truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu cấp từ biến đổi cách sử dụng biến đổi chất lượng cao điều khiển có chứa phần tử đo xác thơng số hoạt động tốc độ, vị trí động Trong máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển , stattor có , ngày ta chế tạo stato không Trong trường hợp dây quấn stato chế tạo từ bên sau lồng vào định vị stato Máy điện không đập mạch chế độ thấp tổn thất giảm, tăng không gian cho dây quấn statto nên sử dụng dây quấn tiết diện lớn tăng dòng định mức máy điện tăng cơng suất máy Nhưng khe hở khơng khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo roto có đường kính lớn có bề mặt nam châm lớn Động đồng nam châm vĩnh cửu có nhiều kiểu roto khác Dưới kiểu thường gặp thực tế: Hình 1.12 Các kiểu rotor máy điện đồng cực ẩn Động nam châm cực ẩn (Interior -IPMSM) có ưu điểm so với động nam châm cực lồi (Surface-SPMSM) như: khả tạo mômen lớn hơn, cho phép tốc độ làm việc cao hơn, điều chỉnh từ thơng nhiều hơn, có nhiều ưu điểm điều khiển Vì chọn phương án kết cấu theo kiểu IPMSM (động nam châm cực ẩn) Chương 3: Tính tốn kích thước YÊU CẦU :Thiết kế động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có cơng suất đầu trục Pđm = 750 w, có số rãnh 12 số cực 10, tốc độ định mức nđm = 600v/p, hiệu suất ŋ=0,8, Điện áp chiều Vdc=127 V 3.1 Tính tốn tham số stator + Đường kính ngồi (cm) lõi thép stator: Ps 1,56 Dn =14,9 =14,9 =5,71(cm) 0,5.150.0.9 B A.λ δ Trong : - Ps công suất biểu kiến (VA) P 750  1,56 (w) Ps  dm  η.cosφ 600.0,8 - Pdm công suất định mức η hiệu suất động - λ tỷ số chiều dài lõi thép với bước cực λ= t λ =0,8 -1,5 Ta lấy λ =0.9 - A tải đường stator (A/cm) A=150 (A/cm) - Bδ : mật độ từ thơng khe hở khơng khí (T) Bδ =0,5 (T) + Đường kính lõi thép stator: D=k D Dn  0,55.5, 71  3,14  cm  Trong : k D hệ số kết cấu Ta lấy k D =0,55 + Bước cực τ= π.D 3,14.3,14   0.99 2p 2.5 Trong : p số cặp cực + Chiều dài lõi thép l=λ.τ=0,9.0,99=0,891(cm) + Khe hở khơng khí (mm) δ=0,2+ D 314  0,2   1,77(mm ) 200 200 + Số rãnh stator Z s  2.m p.q Với m số pha; q số rãnh cho pha cực từ + Số vòng dây pha Wf  Udm ke 108 4.k s f  kdq Trong : - ks hệ số song, ks =1,1 - ke = U dm Edm Với U dm E dm điện áp định mức sức điện động định mức - từ thơng khe khơng khí     l.B Với   hệ số cung cực từ tính tốn ,   =0.6 + Số dẫn rãnh W a Us  s q p a số mạch nhánh song song + Tiết diện dây quấn I dm !! a J n Ss  Trong : I dm dịng điện định mức J mật độ dòng điện , J =6 (A/ mm2 ) n!! số sợi chập 3.2 Tính tốn tham số rotor + đường kính ngồi rotor Dr  D  2.  1.5 + Chiều cao nam châm hm  B g  B g  Br Trong : Bg mật đọ từ thơng khe hở khơng khí Br mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu + Thể tích nam châm Vm =c v pdm f.B r.H c Trong Hc lực kháng từ (A/m); f tần số dòng điện stator cv hệ số thể tích nam châm + Chiều cao nam châm hm  Vm 4.wm lm 3.3 Thơng kê kết tính tốn Tên thơng số Đường kính ngồi stator Đường kính stator Khe hở khơng khí Chiều dài mạch từ stator Số rãnh stator Chiều cao rãnh stator Khoảng cách rãnh stator Độ rộng miệng rãnh stator Số vòng dây Số sợi chập Đường kính day Đường kính ngồi rotor Đường kính rotor Chiều rộng nam châm Chiều cao nam châm Giá trị 571 314 1,77 100 36 14,7 2,2 232 0,75 150 85 60 5,6 Đơn vị mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm Chương : Mô động PMSM 4.1 Mơ LSPMSM s dụng MATLAB/Simulink Hình Khối tính tốn mơmen Hình Khối tính tốn dịng điện trục d-q Hình Khối biến đổi Vabc sang Vdq Hình Khối tính tốn dịng điện I dr Ứng dụng Mathlab/Simulink để mơ đặc tính làm việc LSPMSM từ mơ hình tốn động mục 2.1 Tổng hợp số module sử dụng q trình mơ hình ÷ 4.2 Ứng dụng mơ hình tốn với LSPMSM th nghiệm Trong báo này, ta không làm giảm tính tổng qt lựa chọn mơ động thử nghiệm 2,2 kW, pha, cực Trong đó, phần rơto cải tạo từ động không đồng 2,2kW-3K112S4 Công ty Cổ phần chế tạo điện Hà Nội (hình 8) Các thơng số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm (điện cảm tản stato, điện cảm tản rơto quy đổi, điệm cảm đồng từhóa ngang trục, dọc trục,…) tính tốn dựa cáccấu hình stato, rơto, kích thước vị trí đặt NCVC Tổng kết lại, thông số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm xác định bảng x Hình Cấu tạo rôto LSPMSM th nghiệm Bảng Các thơng số LSPMSM th nghiệm Tham số Đường kích stato Số rãnh stato Số rãnh roto Chiều dài khe hở khơng khí Đơn vị Mm  Giá trị 314 36 28 0,5 Tần số nguồn F 50 Hz Điện trở stato Rr Điệm cảm tản stato Điện cảm tản lồng sóc roto quy đổi Lls 3,6 13 mH L1r 13,2 mH Lmd 28,4 mH Lmq 131 mH Br J 1,1 0,03 T Kg.m3 Mdm 14 N.m Điện cảm từ hóa đồng dọc trục Điện cảm từ hóa đồng ngang trục Mật độ từ thông dư NCVC Momen quán tính roto động Momen tải định mức Ký hiệu Dm Mm  Mô LSPMSM với MATLAB/Simulink Hình Các đặc tính mơ LSPMSM th nghiệm Ứng dụng MATLAB/Simulink với sơ đồ khối lập trình để mơ LSPMSM 2,2kW thử nghiệm Các thơng số LSPMSM thử nghiệm xác định bảng Thơng qua kết đặc tính làm việc, q trình mơ cho phép đánh giá khảnăng làm việc động Cụ thể người sử dụng nghiên cứu đánh giá q trình biến đổi lượng, đặc tính làm việc (tốc độ, dịng điện, mơmen,…) Đối với LSPMSM xác định khó khăn việc khởi động Như vậy, từ đặc tính tốc độ mơ thu đánh giá q trình khởi động động cơ: khả năng, chất lượng khởi động, thời gian để động vào vận hành ổn định Sau mơ LSPMSM thử nghiệm, đặc tính làm việc kết thể hình Từ kết mơ phỏng, nhận thấy LSPMSM 2,2kW thử nghiệm có khả khởi động với mơmen tải đặt giá trị định mức Thời gian khởi động động 0,6s sau vào ổn định Dòng điện cực đại imax khoảng 40A, bội số dòng điện khởi động gấp 10 lần dòng điện định mức Từ đường đặc tính tốc độ mơ cho thấy LSPMSM khởi động khó khăn, q trình khởi động xuất nhiều đoạn giảm tốc (10 đoạn) Hình 10 Chia lưới mơ đường từ thông LSPMSM với ANSYS/Maxwell 2D Bên cạnh mô LSPMSM thực nghiệm nghiệm với MATLAB/Simulink, nhóm tiến hành mô LSPMSM thực nghiệm với phần mềm sửa dụng phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS/MAXWELL 2D Một số hình ảnh mơ LSPMSM 2,2 kW thực nghiệm hình 10 Đặc tính tốc độ khởi dộng thu từ hai phương pháp mô so sánh với hình 11 Hình 11 Đặc tính tốc độ LSPMSM đưc mô với ANSYS/Maxwell 2D MATLAB/Simulink Kết từ hình 11 cho thấy đường đặc tính tốc độ LSPMSM 2,2kW thu từ hai phương pháp: mơ từ mơ hình tốn với MATLAB/Simulink mơ phần mềm ANSYS/Maxwell 2D tương đồng Cả hai phương pháp có đường đặc tính tốc độ với tải định mức Mtải = 14N.m sau 0,5s vào đồng bộ, bên cạnh đểđạt đến tốc độ đồng (1.500 vg/ph) lần đầu LSPMSM trải qua lần giảm tốc Tuy nhiên, mơ với MATLAB/Simulink có ưu điểm thời gian mô nhanh so với phương pháp mô với ANSYS/Maxwell 2D Theo thống kê, MATLAB/Simulink mơ đặc tính tốc độ khoảng thời gian 1s 30s để tính tốn, với ANSYS/Maxwell 2D khoảng 45 phút Như vậy, thời gian mô với MATLAB/Simulink trường hợp nhanh nhiều so với phương pháp mô với ANSYS/Maxwell 2D KẾT LUẬN Nghiên cứu đưa mơ hình tốn mơ LSPMSM với MATLAB/Simulink Các kết mô thu đặc tính LSPMSM q trình làm việc như: tốc độ, dịng điện, mơmen, độ trượt,… Bên cạnh đó, báo trình bày so sánh kết thu với phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô động Kết cho thấy tương đồng Tuy nhiên mô LSPMSM với MATLAB/Simulink cho tốc độ tính tốn nhanh Từ kết nhận thấy mơ hình tốn mô LSPMSM Matlab/Simulink công cụ hữu hiệu nghiên cứu ứng dụng động thực tế Với mơ hình này, nhà thiết kế đánh giá sơ khả làm việc máy điện, từ có điều chỉnh cần thiết cho phù hợp Đối với nahf nghiên cứu, công cụ tiền đề sâu phân tích đặc tính, thơng số LSPMSM cần quan tâm, Ngồi ra, mơ hình tốn s ẽ tảng để tích hợp sơ đồ điều khiển trình động ứng dụng khối điều khiển ... dựng động DC, cần phải thiết lập từ trường Từ trường vừa thiết lập nam châm, nam châm chọn loại nào, nam châm vĩnh cửu loại khác Khi nam châm vĩnh cửu sử dụng để tạo từ trường động DC động gọi động. .. khởi động dị Lúc đặt tải lên động Như máy đồng nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng với từ trường quay, quay với tốc độ đồng 1.3.4 Nhng ưu nhưc đim động đng nam châm vnh cu Động nam châm. .. v động đng nam châm vnh cu 1.1: Khái niệm v động đng nam châm vnh cu Động BLDC hay gọi động nam châm vĩnh cửu, loại động có dạng sóng hình thang Chính sức phản điện động có kết cấu dạng