THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC RÔTO NGOÀI CÓ CÔNG SUẤT PĐM= 1000W

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN ====o0o==== ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHƠNG CHỔI THAN BLDC RƠTO NGỒI CĨ CƠNG SUẤT PĐM= 1000W Giáo viên hướng dẫn Sinh viên Mã số sinh viên Sinh viên Mã số sinh viên Sinh viên Mã số sinh viên : TS Nguyễn Việt Anh : Đoàn Hải Ngọc : 2019600567 : Nguyễn Kim Đồng : 2019600102 : Nguyễn Đình Ánh : 2019600745 Hà Nội, 2022 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN Số: 04 Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm 04 STT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đình Ánh 2019600745 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Nguyễn Kim Đồng 2019600102 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Đoàn Hải Ngọc 2019600567 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Anh NỘI DUNG Đề tài: Thiết kế động chiều khơng chổi than BLDC, rơto ngồi có công suất Pđm= 1000W YÊU CẦU THỰC HIỆN A Phần thuyết minh Tổng quan động chiều khơng chổi than rơto bên ngồi Tính tốn, thiết kế:  Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn stato, rơto  Thuật tốn thiết kế sơ động BLDC  Kết tính tốn giải tích Mô kết thiết kế động BLDC phần mềm Nội dung trình bày báo cáo ĐAMH theo quy cách chung (BM03-Quy định số 815/QĐ-ĐHCN, ngày 15 tháng năm 2019) B Bản vẽ kỹ thuật STT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Sơ đồ hình trải dây quấn stato A4 01 Bản vẽ hình dạng thép mạch từ stato, hình dạng nam châm rơto A4 01 Sơ đồ lắp ráp động A4 01 Ngày giao đề tài: 04/7/2022 Ngày hoàn thành: 22/8/2022 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Việt Anh (BM01) PHIẾU HỌC TẬP NHÓM I Thông tin chung Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm TT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đình Ánh 2019600745 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Nguyễn Kim Đồng 2019600102 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Đoàn Hải Ngọc 2019600567 2019DHDIEN01 - ĐH K14 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế động chiều khơng chổi than BLDC, rơto ngồi có cơng suất Pđm= 1000W u cầu thực hiện: Tổng quan động chiều không chổi than Tính tốn, thiết kế:  Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn stato, rơto  Thuật tốn thiết kế sơ động BLDC  Kết tính tốn giải tích Mơ kết thiết kế động BLDC phần mềm Hoạt động sinh viên 2.1 Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan động chiều không chổi than - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Kiến thức thiết kế máy điện đặc biệt 2.2 Hoạt động/Nội dung 2: Tính tốn, thiết kế động chiều không chổi than - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Xây dựng quy trình thiết kế động chiều khơng chổi than, cách tính tốn mạch từ, dây quấn nam châm rôto 2.3 Hoạt động Nội dung 3: Mơ kết tính tốn, thiết kế phần mềm - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Biết cách sử dụng phần mềm để mô xác định kết quả, so sánh đối chiếu với kết tính tốn giải tích Sản phẩm nghiên cứu - Bản báo cáo thuyết minh đồ án môn học vẽ kỹ thuật kèm theo III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành ĐAMH theo thời gian quy định (từ ngày 04/7/2022 đến ngày 22/8/2022) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao, trước giảng viên sinh viên khác IV Học liệu thực ĐAMH Tài liệu học tập: Thiết kế máy điện (Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh… ); Máy điện đặc biệt (Nguyễn Trọng Thắng);) SPEED’s Electric Machines with problems and solutions (TJE Miller 2002) Phương tiện, ngun liệu thực ĐAMH (nếu có): Máy tính cá nhân, vẽ (BM02) KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm TT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đình Ánh 2019600745 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Nguyễn Kim Đồng 2019600102 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Đoàn Hải Ngọc 2019600567 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Tiến độ thực hiện: Thiết kế động chiều khơng chổi than, rơto bên ngồi Người thực Phương pháp thực Nội dung công việc Nguyễn Kim Đồng Chương 1: Tổng quan động Tìm hiểu tài liệu, viết báo chiều không chổi than cáo Nguyễn Đình Ánh Đồn Hải Ngọc Chương 2: Tính tốn, thiết kế Tìm hiểu tài liệu, viết báo - Tính tốn kích thước mạch từ, dây cáo quấn stato, rơto Chương 2: Tính tốn, thiết kế Tìm hiểu tài liệu, thiết kế Đồn Hải Ngọc - Thuật tốn thiết kế sơ động theo yêu cầu đề tài, viết Nguyễn Kim Đồng báo cáo BLDC Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết báo cáo Đoàn Hải Ngọc Nguyễn Đình Ánh Chương 2: Tính tốn, thiết kế - Kết tính tốn giải tích Nguyễn Đình Ánh Đồn Hải Ngọc Tìm hiểu tài liệu, nhập số Chương 3: Mơ tính tốn, liệu kỹ thuật cho chương thiết kế trình, theo dõi trình - Xác định kết so sánh giải chạy phần mềm xuất tích liệu kết Nguyễn Đình Ánh Nguyễn Kim Đồng Trình bày nội dung báo cáo ĐAMH Đoàn Hải Ngọc Tổng hợp tất nội dung trao đổi, thống nhóm kết đạt Ngày 04 tháng năm 2022 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN TS Nguyễn Việt Anh (BM04) BÁO CÁO HỌC TẬP NHÓM Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm TT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đình Ánh 2019600745 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Nguyễn Kim Đồng 2019600102 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Đoàn Hải Ngọc 2019600567 2019DHDIEN01 - ĐH K14 Tên chủ đề: Thiết kế động chiều khơng chổi than BLDC, rơto bên ngồi Người thực Nguyễn Kim Đồng Nguyễn Đình Ánh Kết đạt Nội dung công việc Chương 1: Tổng quan Bản báo cáo động chiều không chổi đồ án than Chương 2: Tính tốn, thiết kế Kiến nghị với GVHD Khơng Bản báo cáo đồ án Khơng Đồn Hải Ngọc Nguyễn Kim Đồng Chương 2: Tính tốn, thiết kế Bản báo cáo - Thuật toán thiết kế sơ đồ án động BLDC Khơng Đồn Hải Ngọc Nguyễn Đình Ánh Chương 2: Tính tốn, thiết kế - Kết tính tốn giải tích Bản báo cáo đồ án Khơng Nguyễn Đình Ánh Đồn Hải Ngọc Chương 3: Mơ tính tốn, thiết kế Bản báo cáo đồ án - Xác định kết so sánh giải tích Khơng Trình bày nội dung báo cáo Bản báo cáo ĐAMH đồ án Khơng Đồn Hải Ngọc Nguyễn Đình Ánh Nguyễn Kim Đồng Đồn Hải Ngọc - Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn stato, rơto Ngày 04 tháng năm 2022 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN TS.Nguyễn Việt Anh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC, ROTOR NGOÀI 1.1 Giới thiệu động BLDC 1.2 Cấu tạo động BLDC 1.2.1 Startor 10 1.2.2 Rotor 11 1.2.3 Cảm biến vị trí Hall Sensor 12 1.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator) 14 1.3 Nguyên lý hoạt động BLDC 14 1.4 Các hệ truyền động điện dùng động BLDC 15 1.5 1.4.1 Truyền động khơng đảo chiều (truyền động cực tính) 15 1.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động cực tính) 17 Một số đặc điểm điện động BLDC 17 1.5.1 Mô-men điện từ 17 1.1.1 Đặc tính đặc tính làm việc động BLDC 18 1.5.2 Sức phản điện động 18 CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHƠNG CHỔI THAN BLDC, ROTOR NGỒI 19 2.1 Thông số động 19 2.2 Tính tốn thiết kế 22 2.2.1 Đường kính stato 24 2.2.2 Đường kính rơto có nam châm 27 2.2.3 Hệ số từ thẩm 28 2.2.4 Từ trường khe hở khơng khí 28 2.2.5 Kiểu đấu dây 29 2.2.6 Kích thước răng, gông stato 31 CHƯƠNG MÔ PHỎNG KẾT QUẢ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC 33 3.1 Giới thiệu phần mềm 33 3.1.1 RMxprt 34 3.1.2 Maxwell 3D/2D 34 3.2 Mô động chiều không chổi than BLDC 1000W sử dụng phần mềm RMxprt Maxwell 2D 34 3.3 Đồ thị RMxprt 40 3.3.1 Mơ hình động 44 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 CHƯƠNG MÔ PHỎNG KẾT QUẢ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC 3.1 Giới thiệu phần mềm Công ty ANSYS, thành lập vào năm 1970, phát triển thương mại hóa tồn cầu phần mềm mô kỹ thuật kỹ sư nhà thiết kế sử dụng toàn giới lĩnh vực công nghiệp dân dụng Công ty tập trung phát triển giải pháp linh hoạt cho phép người dùng phân tích thiết kế trực tiếp máy tính, cung cấp mơi trường chung cho việc phát triển sản phẩm nhanh, hiệu với chi phí hợp lý, từ giai đoạn thiết kế ý tưởng giai đoạn thử nghiệm cuối kiểm nghiệm thực tế Hình 4.1: Khả chuỗi phần mềm ANSYS làm Các công cụ chuỗi phần mềm: - RMxprt - Simplorer - Maxwell 3D/2D - Fluent, CFD - Pexprt - Mechanical Ở đây, ta tập trung vào tìm hiểu cơng cụ RMxprt Maxwell 3D/2D 33 3.1.1 RMxprt RMxprt công cụ chuỗi phần mềm ANSYS, chuyên dùng hỗ trợ cho việc thiết kế máy điện quay, giúp giảm khối lượng cơng việc cho kỹ sư thiết kế, người dùng cần nhập thông tin kết cấu động cơ, thông tin vật liệu sử dụng, phần mềm tự động tính tốn thơng số cịn lại Nó giảm khoảng 90% khối lượng tính tốn thiết kế 3.1.2 Maxwell 3D/2D Maxwell 3D/2D phần mềm tương tác sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để giải toán điện trường, từ trường tĩnh, dịng điện xốy tượng q độ mạch điện Nó giúp cho người thiết kế thấy cách trực quan sinh động điện từ trường máy điện, từ đưa số giải pháp để giải toán điện từ trường thiết kế 3.2 Mô động chiều không chổi than BLDC 1000W sử dụng phần mềm RMxprt Maxwell 2D Nhập thông tin cần thiết vào phần RMxprt Bảng 3.1 Xuất số liệu Thông số Đơn vị Giá trị mô Dữ liệu nhập vào Công suất đầu kW Điện áp định mức V 48 Số cực Tốc độ định mức 14 Vòng/phút 6000 Tổn hao ma sát W 25 Tổn hao gió W 18 Vị trí rơto Outer Kiểu tải Constant Power Kiểu mạch điều khiển Y3 34 Ghi Góc mở Trigger tính theo góc điện Degrees Độ rộng xung Trigger tính theo góc điện Degrees 120 Điện áp rơi transistor V 0,6 Điện áp rơi diode V Nhiệt độ làm việc o C 75 Maximum Current for CCC A Minimum Current for CCC A Dữ liệu Stato Số rãnh stato 12 Đường kính ngồi stato mm 91 Đường kính stato mm 56 Rãnh stato Kiểu rãnh stato Hs0 0,5 Hs1 2,6 Hs2 9,5 Bs0 mm 5,5 Bs1 12,9 Bs2 16 Rs Chiều rộng phần mm 9,4 Chiều rộng phần mm 1,5 Hệ số rãnh chéo Chiều dài lõi stato mm Hệ số ép chặt lõi thép stato 32 0,95 Loại thép sử dụng Steel_1008 Cách điện rãnh mm 2,6 Cách điện lớp dây quấn mm 0.5 Chiều dài đầu nối mm 0.5 35 Số mạch nhánh song song Số dẫn tác dụng rãnh 12 Kiểu quấn dây 21 Bước dây quấn Số sợi chập Đường kính dây dẫn mm 2.5 Cách điện dây dẫn mm 0.05 Diện tích rãnh mm2 179,5 Diện tích thực rãnh mm2 152,8 Hệ số điền đầy cho phép % 75 Hệ số điền đầy rãnh stato % 51,1 mm 57,7 Độ dài nửa cuộn dây Dữ liệu rơto Độ dài khe hở khơng khí mm 1.5 Đường kính ngồi mm 110 Độ dài rơto mm 32 Hệ số điền đầy 0.95 Loại thép Steel_1008 Polar Arc Radius mm 47 Mechanical Pole Embrace 0.7 Electrical Pole Embrace 0.7 Bề dày nam châm mm 1.5 Độ rộng nam châm mm 14,7 Loại nam châm NdFe35 Kiểu rôto Trục dẫn từ hay không Không Thông số nam châm vĩnh cửu Mật độ từ thông dư T 1,23 Cường độ từ cực đại kA/m 890 36 Mật độ lượng lớn kJ/m3 273,7 Relative Recoil Permeability 1,1 Mật độ từ khử từ Tesla 7,5*10-5 Recoil Residual Flux Density Tesla 1,23 Recoil Coercive Force kA/m 890 Vật liệu sử dụng Khối lượng riêng đồng kg/m3 8900 Khối lượng riêng nam châm vĩnh cửu kg/m3 7400 Khối lượng riêng thép kg/m3 7872 Khối lượng riêng lõi thép rôto kg/m3 7872 Khối lượng đồng Kg 0,36 Khối lượng nam châm vĩnh cửu Kg 0,07 Khối lượng lõi thép stato Kg 0,45 Khối lượng lõi thép rôto Kg 0,5 Tổng khối lượng Kg 1,39 Tham số trạng thái ổn định Hệ số dây quấn stato 0,93 Độ tự cảm dọc trục Lad H 1,37*10-5 Độ tự cảm ngang trục Laq H 1,37*10-5 Độ tự cảm dọc trục L1+Lad H 5,45*10-5 Độ tự cảm ngang trục L1+Laq H 5,45*10-5 Độ tự cảm L1 H 4,07*10-5 Độ tự cảm tần số L0 H 3,47*10-5 Điện trở pha R1 ohm 0,012 Điện trở pha 20C ohm 0,01 Hằng số thời gian dọc trục s 0,0011 Hằng số thời gian ngang trục s 0,0011 Vs/rad 0,06 Hằng số sức phản điện động KE 37 Hằng số mômen khởi động KT Nm/A 0,024 Hằng số mômen định mức KT Nm/A 0,07 Thông số từ chế độ không tải Mật độ từ thông stato Tesla 1,83 Mật độ từ thông gông stato Tesla 0,94 Mật độ từ thông gông roto Tesla 0,61 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Tesla 0,48 Mật độ từ thông nam châm Tesla 0,51 Stator-Teeth By-Pass Factor 0,01 Stator-Yoke By-Pass Factor 2,6e-005 Rotor-Yoke By-Pass Factor 2,7e-006 Sức từ động stato A.T 1,16 Sức từ động gông stato A.T 1,96 Sức từ động gông rôto A.T 2,5 Sức từ động khe hở khơng khí A.T 652 Sức từ động nam châm A.T -773,18 Leakage-Flux Factor Hệ số hiệu chỉnh chiều cao gông stato 0,79 Hệ số hiệu chỉnh chiều cao gông rôto 0,85 Tốc độ không tải rpm 7275,32 Mômen đập mạch N.m 0,02 Thông số chế độ đầy tải Average Input Current A 22,09 A 20,98 Armature Thermal Load A^2/mm^3 45,17 Specific Electric Loading A/mm 10,56 A/mm^2 4,27 Root-Mean-Square Current Mật độ dòng điện Armature 38 Tổn hao ma sát khe hở kk W 44,27 Tổn hao lõi sắt W 0,003 Tổn hao dây quấn W 16,18 Tổn hao tranzitor W 40,91 Tổn hao diot W 9,51 Tổng tổn hao W 60,46 Công suất đầu W 999,93 Công suất đầu vào W 1060,4 Hiệu suất % 94,29 Tốc độ định mức rpm 6095,77 Momen định mức N.m 1,57 Momen ngắn mạch roto N.m 47,37 A 1954,84 Dòng điện ngắn mạch roto Sắp xếp dây quấn Dây quấn pha, lớp quấn rãnh theo: ABC Góc điện rãnh (elec.degrees) 210 Góc điện pha A rãnh (elec.degrees) 120 Rãnh (elec.degrees) Các thông số đầu vào Các thông số dây quấn: Tổng số vòng dây pha 24 Số mạch nhánh song song Điện trở đầu cuối (ohm) 0,012 Điện kháng tản phần đấu nối (H) 6,66*10-7 Chiều dài dây quấn rãnh (mm) 32 Hệ số ép chặt stator 0,95 Hệ số ép chặt stator 0,95 Mật độ từ thông cực đại (Tesla) 1,23 Cường độ từ trường cực đại (kA/m) 890 Ước lượng momen quán tính rôto (kg m^2) 0,0032 39 3.3 Đồ thị RMxprt Hình 3.1 Đồ thị dịng điện theo tốc độ Hình 3.2 Hiệu suất động theo tốc độ đầu trục 40 Hình 3.3 Đặc tính mơmen theo tốc độ đầu trục Hình 3.4 Cơng suất đầu theo tốc độ đầu trục 41 Hình 3.5 Mơmen đập mạch Hình 3.6 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí 42 Hình 3.7 Dịng điện mang tải Hình 3.8 Điện áp mang tải 43 Hình 3.9 Sức phản điện động chế độ định mức 3.3.1 Mơ hình động Hình 3.10 Động BLDC nhìn dọc trục động 44 Hình 3.11 Mơ hình cuộn dây (a), mơ hình nam châm vĩnh cửu (b) Hình 3.12 Stator lắp cuộn dây Hình 3.13 Rotor hình dạng thép 45 KẾT LUẬN Nội dung báo cáo đồ án tốt nghiệp mong muốn đưa quy trình thiết kế chung cho động chiều không chổi than Ứng dụng phần mềm hỗ trợ thiết kế tính tốn, mơ thiết kế phận động dựa vào ANSYS Maxwell, Motorcad, Excel Cũng qua thời gian làm đồ án, chúng em nhận thấy việc đến thiết kế động chiều không chổi than quan tâm có nhiều tiềm phát triển Rất mong thầy môn tạo điều kiện tốt để bạn sinh viên khóa sau tiếp cận với quy trình thiết kế động Đồ án đạt mục tiêu đồ án: Tìm hiểu động cơ, đặc biệt động BLDC Tính tốn, thiết kế đưa kích thước đầy đủ động BLDC 1000W Tìm hiểu ứng dụng phần mềm mơ máy tính, làm cơng cụ để kiểm nghiệm kết tính tốn lý thuyết Tiến hành mô kiểm nghiệm phần mềm RMxprt Maxwell 2D Nhận thấy kết phần mềm đưa tương đối gần với kết tính tốn giải tích Vì kết tính tốn chấp nhận Hoàn thành đồ án này, lần em xin cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Việt Anh thầy cô giáo môn Kỹ thuật điện tận tình dạy bảo, hướng dẫn, tạo điều kiện cho chúng em suốt trình làm đồ án thời gian sinh viên theo học môn Em xin chân thành cảm ơn, kính chúc thầy gia đình mạnh khỏe, hạnh phúc thành đạt 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2006) Thiết kế máy điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu (1998) Máy điện I Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] TJE Miller (2002) SPEED’s Electric Machines with problems and solutions [4] Arash Hassanpour Isfahani, Sadegh Vaez-Zaaeh (2009) Line start permanent magnet synchronous motors – Challenges and opportunities ScienceDirect Energy [5] Aliabad, A.D., Mirsalim, M and Ershad, N.F (2010) Line-Start Permanent – Magnet Motors Significant Improvements in Staring Torque, Synchronization, and Steady-State Performance, Magnetics, IEEE Transactions on [6] Dr Duane Hanselman (2006) Brushless Permanent Magnet Motor Design 2nd Edition Magna Physics Publishing [7] J.R Hendershot Jr and THE Miller (1994) Design of Brushless Permanet Motor Maga Physics [8] http://vi.wikipedia.org/wiki/Nam_châm_vĩnh_cửu [9] http://www.ansys.com/ 47 ... tài: Thiết kế động chiều khơng chổi than BLDC, rơto ngồi có cơng suất Pđm= 1000W YÊU CẦU THỰC HIỆN A Phần thuyết minh Tổng quan động chiều không chổi than rơto bên ngồi Tính tốn, thiết kế: ... QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC, ROTOR NGOÀI 1.1 Giới thiệu động BLDC Hình 1.1 Động BLDC Động chiều thơng thường (Động DC) có hiệu suất cao đặc tính chúng thích hợp với truyền động. .. dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế động chiều khơng chổi than BLDC, rơto ngồi có cơng suất Pđm= 1000W Yêu cầu thực hiện: Tổng quan động chiều khơng chổi than Tính tốn, thiết kế:  Tính tốn kích thước