Tính toán và xây dựng mô hình máy phát tuyến tính ứng dụng trên động cơ đốt trong không trục khuỷu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN TÍNH TỐN VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT TUYẾN TÍNH ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KHÔNG TRỤC KHUỶU S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 143 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: VÕ QUỐC KHÁNH S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN TÍNH TỐN VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT TUYẾN TÍNH ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KHÔNG TRỤC KHUỶU SV2021 - 143 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Võ Quốc Khánh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 17145CL1A, ĐT Chất lượng cao Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trạng TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ix Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Các nghiên cứu nước 1.2.1 Các nghiên cứu nước 1.2.2 Các nghiên cứu nước 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Mục đích nghiên cứu 1.5 Đối tượng nghiên cứu 1.6 Phạm vi nghiên cứu 1.7 Nội dung nghiên cứu 1.8 Phương pháp nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Từ trường 2.2 Các nguyên lý điện .10 2.2.1 Từ thông 10 2.2.2 Thí nghiệm Faraday .11 2.3 Lực điện từ động điện .13 2.3.1 Lực Lorentz 13 2.3.2 Động điện 14 2.4 Dòng điện xoay chiều máy phát điện xoay chiều 15 2.4.1 Dòng điện xoay chiều 15 2.4.2 Máy phát điện xoay chiều 16 i 2.5 Vật liệu từ tính 21 2.5.1 Vật liệu từ 21 2.5.2 Vật liệu nghịch từ 21 2.5.3 Vật liệu thuận từ 22 2.5.4 Vật liệu sắt từ 22 2.5.5 Ảnh hưởng nhiệt độ tới tính từ hóa .26 2.6 Máy phát điện tuyến tính 27 2.6.1 Tổng quan mát phát điện tuyến tính 27 2.6.2 Phân loại 28 2.6.3 Máy thông lượng dọc 29 2.6.4 Máy thông lượng ngang 30 Chương 3: TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG 33 3.1 Tính tốn .33 3.1.1 Nguyên lý hoạt động máy phát điện tuyến tính 33 3.1.2 Tính tốn thiết kế máy phát điện tuyến tính pha 35 3.1.3 Thông số nam châm vĩnh cữu .38 3.1.4 Các thơng số máy phát điện tuyến tính sau tính tốn 39 3.2 Mơ 40 3.2.1 Giới thiệu phần mềm Ansys Maxwell 40 3.2.2 Hệ phương trình Maxwell 41 3.2.3 Thiết kế mơ hình 3D 42 3.2.4 Thiết lập thông số thiết kế 43 3.2.5 Kết mô .44 Chương 4: THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM 51 4.1 Thiết kế máy phát phần mềm Autodesk Inventor 2021 51 4.1.1 Thiết kế 3D 51 4.1.2 Xuất vẽ 2D 52 4.2 Xây dựng mơ hình máy phát thực tế 53 ii 4.2.1 Chọn vật liệu 53 4.2.2 Lắp ghép mô hình 54 4.3 Đo đạt kết thực nghiệm 56 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 5.1 Kết luận .59 5.2 Kiến nghị 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 61 iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số vật liệu từ cứng 25 Bảng 2.2: Nhiệt độ cho phép vật liệu từ cứng 26 Bảng 3.1: Thông số ban đầu máy phát 35 Bảng 3.2: Thông số nam châm vĩnh cữu 38 Bảng 3.3: Thông số máy phát sau tính tốn 39 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển .3 Hình 1.2: Máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính [4] Hình 1.3: Động FPG [7] Hình 1.4: Mơ hình động FPG [8] .5 Hình 1.5: Mơ hình hóa phát điện phát triển từ động FPLE [9] Hình 2.1: Quy tắc nắm tay phải Hình 2.2: Cuộn dây có dịng điện chạy qua Hình 2.3: Từ thơng qua dạng mặt phẳng 10 Hình 2.4: Thí nghiệm Faraday 11 Hình 2.5: Chiều từ trường nam châm di chuyển lịng cuộn dây 12 Hình 2.6: Quy tắc nắm tay trái .13 Hình 2.7: Động điện chiều 14 Hình 2.8: Điện áp cảm ứng tương ứng vị trí cuộn dây 15 Hình 2.9: Cấu tạo máy phát điện 17 Hình 2.10: Sơ đồ hóa máy phát điện 17 Hình 2.11: Góc cường độ dòng điện điện áp cảm ứng 18 Hình 2.12: Giá trị điện áp xoay chiều pha (trái) pha (phải) 19 Hình 2.13: Sơ đồ mắc dây kiểu tam giác (trái) kiểu hình (phải) .20 Hình 2.14: Máy phát điện xoay chiều pha 20 Hình 2.15: Vật liệu nghịch từ .22 Hình 2.16: Vật liệu thuận từ 22 Hình 2.17: Vật liệu sắt từ 23 Hình 2.18: Đơ men từ vật liệu khơng từ hóa (a) từ hóa (b) 23 Hình 2.19: Đảo từ vật liệu sắt từ 24 Hình 2.20: Đường cong trễ từ vật liệu 24 Hình 2.21: Đường cong khử từ .25 Hình 2.22: Ảnh hưởng nhiệt độ tới tính từ hóa 26 v Hình 2.23: Mặt cắt máy phát tuyến tính .28 Hình 2.24: Hướng thơng lượng máy phát tuyến tính 29 Hình 2.25: Cấu hình hình ống máy phát MIM .30 Hình 2.26: Mơ hình 2D máy phát TFM 31 Hình 2.27: Cấu trúc liên kết phẳng TFLM 31 Hình 3.1: Kích thước Ferrit 36 Hình 3.2: Kích thước cực 37 Hình 3.3: Kích thước trục di chuyển 38 Hình 3.4: Giao diện phần mềm Maxwell .41 Hình 3.5: Mơ hình 3D 42 Hình 3.6: Mơ hình mơ .43 Hình 3.7: Chỉ định vật liệu 43 Hình 3.8: Kiểm tra lỗi 44 Hình 3.9: Điện áp cảm ứng 44 Hình 3.11: Đồ thị li độ dao động 45 Hình 3.12: Đồ thị vận tốc dao động theo li độ 45 Hình 3.13: Đồ thị từ thông 46 Hình 3.14: Mật độ cảm ứng từ thời điểm 0ms 46 Hình 3.15: Mật độ cảm ứng từ thời điểm 4.44ms 47 Hình 3.16: Mật độ cảm ứng từ thời điểm 12.22ms 47 Hình 3.17: Mơ chuyển động mật độ cảm ứng từ B 48 Hình 3.18: Vector cảm ứng từ thời điểm 0ms 48 Hình 3.19: Vector cảm ứng từ biên âm 49 Hình 3.20: Vector B đổi chiều 49 Hình 3.21: Vector cảm ứng từ biên dương 50 Hình 3.22: Mơ chuyển động vector B 50 Hình 4.1: Khối cố định 51 Hình 4.2: Khối dịch chuyển 51 vi Hình 4.3: Thiết kế 3D máy phát 52 Hình 4.4: Bảng vẽ khối cố định 52 Hình 4.5: Bảng vẽ trục dịch chuyển .53 Hình 4.6: Tấm Ferrit .53 Hình 4.7: Nam châm NdFeB35 54 Hình 4.8: Nữa cụm cố định 54 Hình 4.9: Hai cụm cố định 55 Hình 4.10: Lắp ghép thành khối cố định 55 Hình 4.11: Mơ hình máy phát hồn chỉnh 56 Hình 4.12: Đo giá trị điện áp 57 Hình 4.13: Giá trị điện áp 58 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC : Alternating Current CNG : Compressed Natural Gas FPE : Free Piston Engine FPLG : Free Piston Linear Generator FPLE : Free Piston Linear Engine FPEG : Free Piston Engine Generator FPG : Free Piston Generator HDD : Hard Disk Drive ICE : Internal Combustion Engine LEM : Linear Engine Machine LM : Linear Machine LF : Linear Flux SMC : Sheet Molding Compound MP : Magnetic Permeability MCM : Moving Coil Machine MIM : Moving Iron Machine MMM : Moving Magnet Machine TFM : Transition Flux Machine TF : Transition Flux viii c) Máy phát hồn chỉnh Hình 4.3: Thiết kế 3D máy phát 4.1.2 Xuất vẽ 2D a) Khối cố định Hình 4.4: Bảng vẽ khối cố định 52 b) Khối dịch chuyển Hình 4.5: Bảng vẽ trục dịch chuyển 4.2 Xây dựng mơ hình máy phát thực tế 4.2.1 Chọn vật liệu Theo số liệu thiết kế nhóm tiến hành tìm kiếm ngun liệu Dựa đặc tính dẫn từ tốt thép ferrit mỏng thường ứng dụng động điện biến áp nhỏ dùng thiết bị điện tử Nhóm chọn mua thép có kích thước tính tốn Hình 4.6: Tấm Ferrit 53 Chọn mua nam châm đất NdFeB35 có thơng số tính tốn Hình 4.7: Nam châm NdFeB35 4.2.2 Lắp ghép mơ hình Vì cấu tạo máy phát hình trụ trịn nên khó để tạo hình khung lắp đặt gắn kít thép lại với nên nhóm tính toán sử dụng E kết hợp với I kết dính với lớp keo mỏng Hình 4.8: Nữa cụm cố định Khi lắp ghép thép mỏng lại với để đạt độ kín khít cao khó tỉ lệ kết hợp thép phải phù hợp để tạo thành đường kính 32 mm mơ hình xuất lỗ trống khơng khí lượng lỗ trống không đáng kể nên có độ chênh lệch dẫn từ so với tính tốn 54 Hình 4.9: Hai cụm cố định Sau tạo hình hồn chỉnh, để dễ dàng việc gắn cuộn dây vào khe trống nên tạo hình thành hai nửa bán cầu tạo lỗ trống nhỏ để đấu dây điện ngồi Vì đạt kích thước so với tính tốn nên lượng dây quấn đạt khe trống 750 vịng Hình 4.10: Lắp ghép thành khối cố định Khối liên kết khơng thể bền độ kết dính lớp keo mỏng nên tiến hành đổ lớp keo AB đặc hai mặt cụm chi tiết thiết kế vỏ bảo vệ giá đỡ động cố định 55 Hình 4.11: Mơ hình máy phát hồn chỉnh Sau cố định hoàn chỉnh máy phát, cần thiết kế cho máy phát động kéo cưỡng để hỗ trợ cho trình đo đạt kết Động điện 12V, tốc độ 3600 RPM, tần số 60Hz chọn để kéo Để đáp ứng việc chuyển động tuyến tính trục, trục chuyển động liên kết với trục dẫn động đến má xoay lệch tâm Má xoay lệch tâm 24mm với khoảng cách dịch chuyển tính tốn 4.3 Đo đạt kết thực nghiệm Sau hoàn tất cơng đoạn, nhóm tiến hành thực nghiệm đo đạt kết quả: 56 Hình 4.12: Đo giá trị điện áp 57 Hình 4.13: Giá trị điện áp Kết đạt cho động kéo cưỡng xấp xỉ 12V, giai đoạn hồn tất cơng đoạn chưa giảm lượng ma sát truyền động nên tốc độ động kéo cưỡng chưa đạt tối đa mà lượng suất điện động đo khoảng 10 – 12V Khi so sánh với kết mong muốn kết mơ kết luận động đạt yêu cầu 58 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Sau xác định rõ thực trạng, vấn đề xã hội nói chung ngành cơng nghiệp tơ nói riêng, đề giải pháp cải tiến khắc phục vấn đề ô nhiễm môi trường nguồn lượng Dựa nghiên cứu động lượng nhà khoa học, nhóm nghiên cứu nước đưa giải pháp hữu ích cho việc nghiên cứu Chính nhờ việc thựa kế kiến thức việc kết hợp hiệu kiến thức học kỹ rèn luyện môi trường giao dục nhà trường để thực đề tài Đặt định hướng tiếp cận, đồng thời xác định mục đích, phương pháp hướng nghiên cứu Với việc tìm hiểu lịch sử hình thành, cấu tạo, nguyên lý hết tóm lược kiến thức bản, trọng tâm hỗ trợ cho việc thực đề tài Nhóm nêu nguyên lí, lý sinh điện dựa thí nghiệm nhà bác học Faraday để từ sở để nhóm nảy ý tưởng tạo khối động điện với cấu tạo thừa hưởng sát với thí nghiệm cảm ứng điện từ Có thể định hướng sơ lược cấu tạo, từ bắt đầu tính tốn thơng số cấu tạo, chọn lọc vật liệu cấu tạo dựa chất từ tính mơ chúng ứng dụng mơ để xem xét Sau hoàn thiện thiết kế đến xây dựng mơ hình hồn chỉnh Cùng với việc tính tốn, mơ phỏng, thiết kế nhóm xây dựng mơ hình mơ hồn chỉnh cho kết mong muốn Nhưng khơng dừng lại đó, xây dựng mơ hình thực tế cho máy phát hoạt động kết qua thu với suất điện động hiệu dụng đo đạt 11.9 (V), so sánh tính tốn, mơ thực nghiệm cho thấy kết với độ tin cậy cao 5.2 Kiến nghị Vì thời gian nghiên cứu giới hạn, nên nhóm nghiên cứu tính tốn, chế tạo mơ hình thử nghiệm phát điện tuyến tính pha, điện áp sinh mức tần số 60Hz khoảng 12 (V) Nhóm chưa thực gắn động piston tự để kiểm nghiệm thực tế Nhóm chúng em xin đề xuất hướng phát triển dự án sau: • Cải thiện khả phát điện máy phát • Nghiên cứu tính tốn máy phát phase để đạt hiệu suất cao • Thiết kế gia cơng cụm cố định kín khích hơn, cải thiện khả dẫn từ cụm cố định • Cải thiện khả chống nhiễu cho máy phát điện • Cần xây dựng giải pháp giải nhiệt cho động lúc hoạt động để không giảm hiệu nam châm 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Võ Bảo Toàn (2021), “Khảo sát tính phát điện động không trục khuỷu” Tiếng Anh: [2] Roskilly, A.P., Mikalsen R., (2008) “The design and simulation of a two-stroke free piston compression ignition engine for electrical power generation” pp 589 – 600 [3] Wang, J., Wang, W., Jewell, G.W., and Dowe D., (1998) “Design and experimental characterization of a linear reciprocating generator” Electric Power Applications, IEE Proceedings, pp 509 – 518 [4] Wang, J., and Dowe, D., (2005) “A Linear Permanent Magnet Generator for a FreePiston Energy Converter” Conference on Electric Machines and Drives, IEEE International, pp 1521 – 1528 [5] Oprea, C A., Szabó, L., Martis, C S., (2012) “Linear Permanent Magnet Electric Generator for Free Piston Engine Applications” XXth International Conference on Electrical Machines [6] Wang, J., West, M., Howe, D., Parra, H., Arshad, W., (2007) “Design and experimental verification of a linear permanent magnet generator for a free-piston energy converter” IEEE Trans Energy Convers [7] Li, W., Chau, K.T., (2010) “A linear magnetic-geared free-piston generator for rangeextended electric vehicles” J Asian Electric Vehicles [8] Ding, H., Yu, X., Li, J., (2012) “Permanent magnetic model design and characteristic analysis of the short-stroke free piston alternator” SAE Int J Fuels Lubr, pp 01-1610 [9] Xu, Z., Chang S., (2010) “Improved moving coil electric machine for internal combustion linear generator” IEEE Trans Energy Convers [10] Fazal, I., Karsiti, M.N., Zulkifli, S.A., Ibrahim, T., Rao, K.S., “Modeling and simulation of amoving-coil linear generator” International conference on intelligent and advanced system 60 PHỤ LỤC Phụ lục thiết kế 3D máy phát: Dựa vào kết tính tốn thiết kế máy phát ta thực thiết kế mơ hình mơ thử nghiệm: Thiết kế cụm cố định: Thiết kế cuộn dây: Thiết kế trục dao động: Tạo trục Band để định phương cho trục chuyển động: 61 Tạo vùng để thực q trình mơ phỏng: Mơ hình máy phát sau thêm phương chuyển động vùng mô phỏng: 62 Phụ lục cài đặt thông số thiết kế: Ta định loại vật liệu cho chi tiết máy phát: Tiếp theo ta chọn loại xử lý cho mơ hình: Ta cài đặt thơng số vận tốc dịch chuyển: 63 Cài đặt thông số cho cuộn dây: Cài đặt bước chuyển động cho mơ hình: 64 Cuối sau cài đặt thông số xong ta tiến hành chạy kiểm tra: 65 S K L 0 ... Tính tốn chọn lựa phương án thiết kế thử nghiệm máy phát tuyến tính ứng dụng cho động khơng trục khuỷu Tính sáng tạo: Máy phát điện tuyến tính ứng dụng dao động hịa tịnh tiến động đốt khơng trục. .. v Hình 2.23: Mặt cắt máy phát tuyến tính .28 Hình 2.24: Hướng thơng lượng máy phát tuyến tính 29 Hình 2.25: Cấu hình hình ống máy phát MIM .30 Hình 2.26: Mơ hình 2D máy phát. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN TÍNH TỐN VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT TUYẾN TÍNH ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KHÔNG TRỤC