TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ
PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ
Máy điện từ trở (reluctance machine) là các loại máy điện dựa trên nguyên tắc sự khác biệt về từ trở (reluctance)/điện cảm (inductance) giữa trục d và q (dọc và ngang trục) bởi sự xuất hiện của các rào chắn từ thông (flux barrier) Loại máy điện từ trở nguyên thủy cơ bản nhất là một máy điện đồng bộ mà trên rotor không có dây quấn mà thay vào đó là các rào chắn từ thông hoàn toàn và được gọi là máy điện từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Machine hay SynRM) với thiết kế đầu tiên được công bố bởi Kostko vào năm 1923 [7] Hình ảnh của cấu trúc đơn giản này được trình diễn trong Hình 1.1
Máy điện từ trở cơ bản có lợi thế khi giảm được tổn thất dây quấn so với các
Hình 1.1 Cấu hình máy điện từ trở đồng bộ nguyên thủy máy điện thông dụng, tuy nhiên hiệu năng của nó vẫn không thực sự ấn tượng Do đó,với sự phát triển của công nghệ vật liệu liên quan đến nam châm vĩnh cửu, người ta có thể cho thêm các thanh nam châm vào các rào chắn từ thông để cải thiện hiệu năng của máy điện từ trở đồng bộ [1,4,6,13] Điểm được nhấn mạnh rằng việc thêm các thanh nam châm vào các rào chắn từ thông không có mục đích làm thay đổi hoàn toàn bản chất của máy điện từ trở thành máy điện nam châm vĩnh cửu, do đó loại máy điện này được đặt tên là máy điện từ trở nam châm vĩnh cửu hỗ trợ (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Machine hay PMa-SynRM) Cần lưu ý rằng việc phân biệt máy điện sử dụng nam châm hỗ trở hay máy điện nam châm là không thật sự rõ ràng Một số hình ảnh ví dụ về kiểu loại máy điện này được trình diễn trong Hình 1.2.
CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO MẬT ĐỘ MÔ-MEN CỦA MÁY ĐIỆN TỬ TRỞ
Việc không sử dụng dây quấn trên rotor mang đến một lợi ích to lớn khi giảm mạnh tổn thất dây quấn khi so sánh máy điện từ trở với các loại máy điện thông dụng khác như máy điện không đồng bộ, máy điện một chiều Tuy nhiên điều này cũng đồng nghĩa mật độ mô-men là một vấn đề lớn của các máy điện từ trở đồng bộ Để cải thiện mật độ mô-men, có hai phương pháp cơ bản được sử dụng đó là: Hình 1.2 Một số cấu hình động cơ từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ
(1) Các nhà thiết kế sẽ tập trung vào việc tăng sự khác biệt từ trở/điện cảm dọc và ngang trục hay còn gọi là làm tăng “saliency” Việc này xuất phát từ việc
“saliency” đóng vai trò cốt lõi trong nguyên lý làm việc của máy điện từ trở đồng bộ Để thực hiện việc này, các nhà thiết kế sẽ sử dụng nhiều lớp chắn từ thông trong rotor hơn so với bình thường [19] hoặc sử dụng các lá thép dọc trục ghép chồng lên nhau để tận dụng thay vì các lá thép ngang trục như các máy điện thông dụng [17] Lớp tiếp giáp giữa các lá thép dọc trục vô hình trung trở thành các rào chắn từ thông tự nhiên thay thế các rào chắn từ thông cố định Hình 1.3 trình bày một số hình ảnh ví dụ của một số máy điện sử dụng phương pháp tạo ra “saliency” lớn
(2) Bổ sung một lượng vừa phải nam châm vĩnh cửu đất hiếm hoặc nam châm ferrite vào các rào chắn từ thông sẵn có trong máy điện từ trở đồng bộ để chuyển thành máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu tăng cường (PMa- SynRM) Mục đích của việc này là bổ sung thành phần mô-men do tương tác giữa từ thông móc vòng của nam châm vĩnh cửu với dòng điện phần ứng hay còn gọi là mô-men nam châm, từ đó làm gia tăng lượng mô-men mà máy điện có thể tạo ra được hay chính là cải thiện mật độ mô-men
Xét về lợi ích, phương án (1) làm cải thiện mật độ mô-men mà không hoặc gần như không làm tăng chi phí vật liệu bởi người thiết kế không bổ sung thêm bất kỳ dạng vật liệu nào khác vào rotor máy điện Tuy nhiên, khi làm tăng không gian của rào chắn từ thông cũng đồng nghĩa có thể ảnh hưởng xấu đến độ bền cơ học của
Hình 1.3 Phương pháp làm tăng “saliency” rotor và có thể hạn chế tốc độ cũng như phạm vi ứng dụng của máy điện Đối với phương án (2) việc bổ sung nam châm vĩnh cửu về cơ bản không thay đổi kết cấu hình học của rotor nhưng cải thiện mô-men của máy điện Tuy nhiên, phương án này sẽ đi cùng với việc làm tăng chi phí vật liệu Bên cạnh đó, với đặc điểm cố hữu của nam châm vĩnh cửu là sự khử từ, đặc biệt trong một số điều kiện làm việc sự khử từ này trở thành khử từ không thể phục hồi (irreversible demagnetization) [5,14] Hình 1.4 trình diễn một ví dụ về đặc tính từ hóa của nam châm N35H cung cấp bởi hãng Arnold Magnetic Technologies [18] được sử dụng trong nghiên cứu của đề tài này
Thời gian gần đây một kỹ thuật được gọi là từ thông tăng cường (Flux Intensifiying) cho nam châm đã quan tâm đối với các máy điện đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu Với kỹ thuật này nam châm thay vì luôn bị khử từ bởi một thành phần của từ trường phần ứng sẽ chuyển thành được trợ từ, dẫn đến nam châm có thể giảm được một phần nguy cơ khử từ không thể phục hồi [21,22] Biến thể của kỹ thuật này cũng có thể được xem xét cho máy điện nguồn gốc từ trở đồng bộ [12], và có thể được gọi là máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thông
Hình 1.4 Đặc tính nam châm N35H tăng cường (Flux Intensifying Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Machine hay FI-PMa-SynRM) từ đó sẽ có thêm một phương pháp để cải thiện mật độ mô-men của máy điện từ trở đồng bộ, đó là:
(3) Sử dụng cơ chế từ thông tăng cường để gia tăng lượng mô-men có thể sản sinh cũng như hạn chế khả năng khử từ không thể phục hồi trong khi sử dụng một lượng nhỏ nam châm đất hiếm hoặc sử dụng nam châm ferrite
Một kiểu máy điện áp dụng phương án (3) đã được thiết kế, chế tạo [10,12] tuy nhiên khả năng cải thiện mật độ mô-men và các vấn đề liên quan vẫn chưa được đánh giá, khai thác đầy đủ Chính vì vậy, đề tài này sẽ nghiên cứu và đánh giá cụ thể, có minh chứng rõ ràng về tiềm năng của của máy điện từ trở sử dụng nam châm vĩnh cửu với cơ chế từ thông tăng cường mà có thể mang tới những cải thiện như mật độ mô-men lớn, sử dụng ít nam châm vĩnh cửu đất hiếm (từ đó giảm giá thành sản xuất) mà hạn chế được sự khử từ không thể phục hồi của nam châm vĩnh cửu so với các máy điện sử dụng nam châm đất hiếm hiện nay.
MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy điện từ trở, tuy nhiên các mô hình được sử dụng để phân tích và so sánh sẽ tương ứng với nhiều kiểu loại máy điện đồng bộ, do đó mục này sẽ đề cập đến mô hình toán học của tất cả những kiểu loại máy điện này [10] Đây là các kiến thức lý thuyết nền tảng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu về máy điện
1.3.1 Mô hình toán học của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Machine hay PMSM) là một kiểu máy điện sử dụng nam châm vĩnh cửu được đặt trên bề mặt rotor hoặc trong các rào chắn từ thông (nam châm vĩnh cửu trong) nhưng khác với các máy điện từ trở là lượng nam châm vĩnh cửu được sử dụng là rất nhiều Hình ảnh ví dụ về một cấu trúc rotor của máy điện nam châm vĩnh cửu trong được trình diễn trên Hình 1.5 trong đó trục d và q được hiểu là các hướng có giá trị từ trở tương ứng nhỏ nhất và lớn nhất Bởi sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu và từ thông nam châm vĩnh cửu, trục d sẽ là trục theo từ thông nam châm vĩnh cửu Để đơn giản trong việc xây dụng mô hình toán học, giả thiết rằng bão hòa lõi thép và hiệu ứng “cross-coupling” được bỏ qua, phương trình điện áp động stator đối với máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ d-q [9,16] có thể được biểu thị như sau: d d s d q v R i d dt
= + + (1-2) trong chỉ số dưới d và q tương ứng đại diện cho dọc trục và ngang trục, i d và i q là các dòng điện, λ d và λ q là các từ thông móc vòng, R s là điện trở pha và ω là tốc độ điện
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong có từ thông móc vòng của nam châm nằm trên trục d và ngược chiều với từ móc vòng phần ứng dọc trục do đó từ thông móc vòng dọc trục (trục d) và ngang trục (trục q) có thể được biểu diễn bằng: d L i d d m , q L i q q
Hình 1.5 Cấu trúc rotor đơn giản của kiểu máy điện nam châm vĩnh cửu trong trong đó L d và L q là các điện cảm stator trên hệ tọa độ d-q., λ m là từ thông của móc vòng của nam châm.
Các mạch điện tương đương và biểu đồ pha có bỏ qua điện trở cuộn dây của
Hình 1.6 Mạch điện tương đường của kiểu máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong
Hình 1.7 Biểu đồ pha của kiểu máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong trên hệ tọa độ d-q kiểu máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong được trình bày tương ứng trong Hình 1.6 và 1.7 Do đó, phân tích lý thuyết về hoạt động ở trạng thái ổn định của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong có thể được minh họa thông qua các phương trình dòng điện và điện áp, có thể được biểu thị như sau:
1.3.2 Mô hình toán học của máy điện từ trở đồng bộ
Máy điện từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Machine hay SynRM) như được trình bày ở các mục trước là kiểu máy điện mà về nguyên tắc sử dụng các rào chắn từ thông hoàn toàn Điều này là ngược lại với máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu như ví dụ được trình diễn trên Hình 1.8 khi các nam châm vĩnh cửu đã được loại bỏ khỏi rotor
Về mặt toán học, các trục d-q của máy điện từ trở đồng bộ sẽ được xác định theo cách ngược lại so với kiểu máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong, và cùng với việc thiếu vắng nam châm vĩnh cửu nên từ thông móc vòng dọc và ngang trục của máy điện từ trở đồng bộ được biểu diễn thành: d L i d d , q L i q q
Hình 1.8 Cấu trúc rotor đơn giản của máy điện từ trở đồng bộ Đối với máy điện từ trở đồng bộ, mạch điện tương đương và biểu đồ pha được trình diễn tương ứng trên Hình 1.9 và 1.10, còn phương trình điện áp sẽ được miêu tả như sau:
Hình 1.9 Mạch điện tương đường của kiểu máy điện từ trở đồng bộ
Hình 1.10 Biểu đồ pha của kiểu máy điện từ trở đồng bộ trong trên hệ tọa độ d-q
1.3.3 Mô hình toán học của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ
Có thể hiểu một cách đơn giản, máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ sẽ nằm trung gian giữa máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu và máy điện từ trở đồng bộ trong đó một lượng giới hạn nam châm vĩnh cửu được sử dụng và về nguyên tắc là có thể thêm chúng vào các rào chắn từ thông có sẵn của máy điện từ trở đồng bộ Kiểu máy điện này tương ứng với phương pháp thứ 2 để cải thiện mật độ mô-men như đã được nhắc đến phía trên Ví dụ đơn giản về kết cấu rotor của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ được trình diễn trên Hình 1.11
Vì vậy với kiểu máy điện này, nam châm vĩnh cửu và từ thông nam châm vĩnh cửu vẫn được xem là nằm trên trục q thay vì trục d như ở máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Mạch điện tương đương và biểu đồ pha của kiểu máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ được trình diễn trên Hình 1.12 và 1.13, còn phương trình điện áp sẽ được miêu tả như sau:
Hình 1.11 Cấu trúc rotor đơn giản của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ
Hình 1.13 Biểu đồ pha của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ Hình 1.12 Mạch điện tương đương của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ
1.3.4 Mô hình toàn học của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửa hỗ trợ từ thông tăng cường
Kiểu máy điện này tương ứng với phương pháp thứ 3 để cải thiện mật đô mô- men của máy điện từ trở, và là một kiểu máy điện mới được quan tâm trong thời gian gần đây Bởi việc không tận dụng rào chắn từ thông có sẵn trên rotor để chèn thêm nam châm vĩnh cửu nên kết cấu của kiểu máy điện này không có dạng chung đại diện Bên cạnh đó, để tránh sự trùng lặp, hình ảnh kết cấu mà sẽ thực sự được trình bày trong chương tiếp theo, trong mục này sẽ chỉ trình bày các công thức và mô hình toán học Từ thông móc vòng dọc và ngang trục của kiểu máy điện này sẽ được miêu tả như sau: d L i d d m , q L i q q
Có thể thấy với kiểu máy điện này nam châm vĩnh cửu và từ thông móc vòng Hình 1.14 Mạch điện tương đương của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thông tăng cường của nam châm sẽ được đặt trên trục d tương tự như của kiểu máy điện nam châm vĩnh cửu, tuy nhiên từ thông móc vòng trục d của dòng điện phần ứng không chống lại mà hỗ trợ từ thông móc vòng của nam châm Chính vì điều này mà trong tên gọi của kiểu máy điện này có từ “từ thông tăng cường”
TÓM LƯỢC
Chương này đã trình bày một số khái quát về phân loại, các phương pháp cải thiện mật độ mô-men và mô hình toán học ngắn gọn của các kiểu máy điện từ trở đồng bộ Từ việc này, người đọc sẽ có cái nhìn tổng quát về kiểu máy điện từ trở đồng bộ vốn đang được sử dụng phổ biến trên thế giới và mục tiêu nghiên cứu về cải thiện mô-men của loại máy điện này, trong đó tập sẽ đề cập đến kiểu máy điện sử dụng cơ chế từ thông tăng cường với một lượng nam châm vừa phải
Hình 1.15 Biểu đồ pha của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thông tăng cường.
THIẾT KẾ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ MÔ HÌNH BAN ĐẦU
Với mục đích thiết kế một máy điện từ trở trên cơ chế từ thông tăng cường mà được gọi là FI-PMa-SynRM với trọng tâm là giá trị mô-men có thể sản sinh, một
Rào chắn từ thông trong
Rào chắn từ thông xẻ
(Cutoff Flux Barrier hay CFB)
Nam châm và rào chắn từ thông của nam châm
MFB) Hình 2.1 Mô hình FI-PMa-SynRM nguyên thủy mô hình ban đầu sẽ được thiết kế trước Để làm việc này, đầu tiên một mô hình nguyên thủy sẽ được đề xuất như được trình diễn trên Hình 2.1, trong đó các rào chắn từ thông ngoài bao gồm Rào chắn từ thông xẻ (Cutoff Flux Barrier hay CFB) và rào chắn từ thông của nam châm (Magnet Flux Barrier hay MFB), và các rào chắn từ thông trong (Interior Flux Barrier hay IFB) Thông số cơ bản của mô hình được cho trong Bảng 2.1
Nam châm vĩnh cửu sẽ được giữ cố định kích thước (bề rộng 24 mm và bề dày 1,5 mm) còn vị trí và kích thước của một số rào chắn từ thông sẽ được điều chỉnh để quan sát sự thay đổi của mô-men Lưu ý, vì trong phân tích có xét đến nhiều loại rào chắn từ thông nên để thuận lợi, các viết tắt tiếng Anh sẽ được sử dụng trong quá trình trình bày của chương này thay vì thuật ngữ tiếng Việt đầy đủ
2.1.1 Rào chắn từ thông xẻ (CFB) Độ dày của rào chắn từ thông xẻ (CFB) sẽ được điều chỉnh như được chỉ dấu trên Hình 2.2 trong đó CFB có vị trí ở trung tâm giữa các nam châm vĩnh cửu liền
Bảng 2.1 Thông số cơ bản
Thông số Đơn vị Giá trị
Bán kính ngoài stator mm 80
Khe hở không khí mm 0,5
Chiều dài lõi thép mm 32
Vật liệu lõi thép stator - 20CS1500HF
Vật liệu lõi thép rotor - 50CS1300
Dòng điện định mức A 60 Điện áp nguồn pin V 48 kề Mỗi bước điều chỉnh độ dày sẽ là 0,5 mm và giới hạn độ dày của CFB là 6 mm Cần lưu ý rằng với mỗi sự khác biệt về cấu trúc, góc dòng điện để đạt được mô-men cực đại theo dòng điện cũng khác biệt do đó góc dòng điện trong khảo sát này được điều chỉnh để luôn cho mô-men là lớn nhất có thể với cùng một giá trị dòng điện phần ứng Kết quả mô phỏng của giá trị mô-men trung bình (được ký hiệu là Tavg, đường màu da cam), mô-men cực đại (được ký hiệu là Tmax, đường màu xanh nước
Bề dày của CFB (mm)
Hình 2.3 Sự thay đổi của mô-men và độ nhấp nhô của mô-men theo độ dày của CFB
Không có CFB Độ dày của CFB
Hình 2.2 Điều chỉnh độ dày của CFB biển), mô-men cực tiểu (được ký hiệu là Tmin, đường màu xanh lá cây) và độ nhấp nhô của mô-men (được ghi chú là Torque ripple (%), đường màu vàng) theo độ dày của CFB được trình diễn trên Hình 2.3 Có thể thấy mô-men cực đại và mô-men cực tiểu thay đổi theo độ dày của CFB tuy nhiên mặc dù có sự thay đổi của hai thông số này thì mô-men trung bình gần như không có sự thay đổi đáng kể và chỉ giảm một chút khi độ dày của CFB tăng lên, trong khi đó làm cho độ nhấp nhô của mô-men có sự thay đổi đáng kể Như vậy có nghĩa rằng kích thước của CFB không làm ảnh hưởng nhiều đến giá trị mô-men có thể tạo được
2.1.2 Rào chắn từ thông trong (IFB) Đối với rào chắn từ thông trong (IFB), cả vị trí và độ lớn của nó sẽ cùng được xem xét Đầu tiên, độ dày của IFB sẽ được điều chỉnh từ 1,5 cho đến 7,5 mm với bước điều chỉnh là 0,5 mm như được trình diễn trên Hình 2.4
Kết quả mô phỏng với các thông số tương tự mục trước được trình diễn trên Hình 2.5 Có thể thấy với rào chắn lớn hơn, mô-men cực đại, mô-men cực tiểu, độ nhấp nhô của mô-men cũng lớn hơn, điều này có vẻ ngược lại với ảnh hưởng của rào chắn từ thông xẻ (CFB) Bên cạnh đó, độ nhấp nhô của mô-men sụt rất nhanh trong phạm vi độ dày của IFB từ 1,5 đến 2,5 mm rồi sau đó gần như giữ nguyên với độ dày của IFB trên 2,5 mm
Hình 2.4 Điều chỉnh độ dày của IFB
Tiếp theo, độ dày của IFB sẽ được giữ nguyên là 5,5 mm trong khi vị trí của IFB sẽ được điều chỉnh nhưng khoảng không gian nằm giữa hai nửa IFB sẽ được cố định Hình ảnh miêu tả việc điều chỉnh vị trí của IFB được trình diễn trên Hình 2.6 trong đó mỗi bước điều chỉnh vị trí là 0,5 mm và vị trí của IFB được định nghĩa là khoảng cách gần nhất tình từ IFB đến tâm của rotor
Kết quả mô phỏng với các thông số tương tự mục trước được trình diễn trên Hình 2.7 Có thể thấy giá trị mô-men trung bình không thay đổi đáng kể và và mô-
Bề dày của IFB (mm)
Hình 2.5 Sự thay đổi của mô-men và độ nhấp nhô của mô-men theo độ dày của IFB
Hình 2.6 Điều chỉnh vị trí của IFB men cực đại cao hơn sẽ đi kèm với mô-men cực tiểu thấp hơn dẫn đến làm cho độ nhấp nhô của mô-men là cao hơn, điều này tương tự như khi xem xét rào chắn từ thông xẻ (CFB)
Sau quá trình khảo sát mô hình ban đầu được lựa chọn sẽ có thông số như được trình bày trong Bảng 2.2
Thông số Đơn vị Giá trị
Kích thước nam châm vĩnh cửu (độ dày x chiều dài) mm x mm 1,5 x 24
Tỷ lệ thể tích nam châm/máy điện % 0,72 Độ dày rào chắn từ thông xẻ mm 4,5 Độ dày rào chắn từ thông trong mm 5,5
Mô-men Nm 15,95 Độ nhấp nhô của mô-men % 11,18
TỐI ƯU ĐẶC TÍNH MÔ-MEN
Trong mục này, nam châm vĩnh cửu vẫn tiếp tục được giữ nguyên kích thước
Bảng 2.2 Thông số cơ bản của mô hình ban đầu
Hình 2.7 Sự thay đổi của mô-men và độ nhấp nhô của mô-men theo vị trí của IFB
Vị trí của IFB (mm) trong khi đó sự dịch chuyển của các rào chắn từ thông ngoài bao gồm rào chắn từ thông xẻ (CFB) và rào chắn từ thông nam châm (MFB) được sử dụng để tối ưu đặc tính mô-men Bốn phương án sẽ được trình bày
2.2.1 Dịch chuyển rào chắn từ thông xẻ (CFB)
Hình 2.8 miêu tả cách dịch chuyển CFB bởi góc tiếp tuyến θ C xung quanh tâm rotor trong khi Hình 2.9 trình bày sự thay đổi của mô-men cực đại, mô-men cực tiểu, mô-men trung bình, độ nhấp nhô của mô-men tương tự như các mục trước Có thể thấy mô-men trung bình tăng lên khi CFB được dịch chuyển từ góc –5 đến 5 độ cơ, có nghĩa mô-men được cải thiện khi CFB được dịch chuyển theo chiều quay của rotor Tuy nhiên độ nhấp nhô của mô-men có xu hướng tăng lên với bất kỳ sự dịch
Hình 2.8 Dịch chuyển CFB theo góc θ C (góc cơ)
Góc dịch chuyển của CFB (độ cơ)
Hình 2.9 Sự thay đổi của mô-men và độ nhấp nhô của mô-men theo góc dịch chuyển của CFB chuyển nào của CFB
2.2.2 Dịch chuyển của rào chắn từ thông nam châm (MFB)
Hình 2.10 miêu tả cách dịch chuyển của MFB đồng thời với nam châm vĩnh cửu bởi góc tiếp tuyến θ 1m xung quanh tâm rotor trong khi Hình 2.11 trình bày sự thay đổi của các thông số mô-men tương tự mục trước Có thể thấy sự dịch chuyển của MFB và nam châm vĩnh cửu không ảnh hưởng nhiều đến mô-men trung bình mặc dù độ nhấp nhô của mô-men có thể giảm đáng kể tại vị trí –1 độ cơ
2.2.3 Mở rộng rào chắn từ thông nam châm (CFB)
Hình 2.12 miêu tả cách mở rộng của MFB trong khi vị trí của nam châm vĩnh
Hình 2.10 Dịch chuyển MFB theo góc θ 1m (góc cơ)
Góc dịch chuyển của MFB (độ cơ)
Hình 2.11 Sự thay đổi của mô-men và độ nhấp nhô của mô-men theo góc dịch chuyển của MFB cửu được giữ cố định, sự mở rộng này theo chu vi được định nghĩa bởi góc θ 2m trong khi Hình 2.13 trình bày sự thay đổi của các thông số mô-men tương tự mục trước
Có thể thấy tương tự như phương án trước, mô-men trung bình không thay đổi nhiều, tuy nhiên độ nhấp nhô của mô-men có thể giảm rất mạnh khi góc mở rộng là +1 độ cơ
2.2.4 Mở rộng MFB với sự dịch chuyển của nam châm vĩnh cửu
Khác với phương án trên, ở phương án này nam châm vĩnh cửu sẽ được dịch chuyển cùng với sự mở rộng của MFB, nguyên tắc thực hiện như được trình diễn trên Hình 2.14 với mở rộng là θ 3m (góc cơ) Hình 2.15 trình bày sự thay đổi của các
Hình 2.12 Mở rộng MFB theo góc θ 2m (góc cơ)
Góc mở rộng của MFB (độ cơ)
Hình 2.13 Sự thay đổi của mô-men và độ nhấp nhô của mô-men theo góc mở rộng của MFB thông số mô-men tương tự mục trước, trong đó có thể thấy mô-men trung bình không bị ảnh hưởng nhiều trong khi mô-men cực đại và cực tiểu có thay đổi, đặc biệt độ nhấp nhô của mô-men bị thay đổi mạnh mẽ tại góc mở rộng –1 độ cơ
2.2.5 Tổng hợp kết quả và lựa chọn phương án tối ưu đặc tính mô-men
Tổng hợp các kết quả phù hợp nhất từ bốn phương án trên bao gồm giá trị mô- men trung bình và độ nhấp nhô của mô-men được trình diễn trên Hình 2.16 Từ đó, trường hợp được lựa chọn là thiết kế cuối cùng thuộc phương án 4, cụ thể là sử dụng sự mở rộng FMB với góc mở rộng là –1 độ cơ
Hình 2.14 Mở rộng MFB theo góc θ 3m (góc cơ)
Hình 2.15 Sự thay đổi của mô-men và độ nhấp nhô của mô-men theo góc mở rộng của MFB kèm sự dịch chuyển của nam châm vĩnh cửu
Góc mở rộng của MFB (độ cơ)
TÓM LƯỢC
Trong chương này đã trình bày tóm tắt quá trình lựa chọn và thiết kế mô hình máy điện “FI-PMa-SynRM” là đối tượng hướng đến của đề tài nghiên cứu Quá trình thiết kế cũng nằm trong mục tiêu chung của mảng nghiên cứu về đặc tính mô- men Tuy nhiên, có thể thấy việc đánh giá một cách chung nhất về khả năng cải thiện mô-men hay mật độ mô-men vẫn chưa được thực hiện trong chương này Điều đó cũng có nghĩa vấn đề cải thiện mật độ mô-men của máy điện từ trở dựa trên một dạng kết cấu máy điện mới với cơ chế từ thông tăng cường và sử dụng một lượng ít nam châm cần được phân tích và đánh giá thêm
Hình 2.16 So sánh giữa các phương án.
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ THIẾT KẾ ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ SỬ DỤNG CƠ CHẾ TỪ THÔNG TĂNG CƯỜNG 28
CÁC MÔ HÌNH ĐƯỢC KHẢO SÁT
Như đã được nhắc đến ở chương trước, một máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ (PMa-SynRM) có được xem là một cấu trúc mà người thiết kế sẽ thêm các thanh nam châm vĩnh cửu vào các rào chắn từ thông của rotor của máy điện từ trở đồng bộ (SynRM) Ngược lại, đối với kiểu máy điện sử dụng cơ chế từ thông tăng cường đang được đề xuất gần đây, rotor có thể được tạo nên bởi việc thêm các rào chắn từ thông trên trục q của một máy điện nam châm thông dụng
[8,20] Những rotor của các máy điện vừa nêu đều có nam châm được nhúng vào trong lõi do đó sẽ rất khó để đánh giá tác động riêng rẻ của nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông đối với các đặc tính máy điện Trong khi đó, phải nhấn mạnh rằng cả nam châm vĩnh cửu lẫn rào chắn từ thông đều tác động rất lớn đến hiệu năng và các đặc tính của các loại máy điện đồng bộ dù dựa chủ yếu trên nam châm vĩnh cửu hay nguyên lý từ trở [11]
Ngược lại, loại máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thông tăng cường (FI-PMa-SynRM) hay chính là mô hình máy điện nguyên gốc của nghiên cứu, nó đã được thiết kế để sử dụng kiểu nam câm vĩnh cửu chôn trên bề mặt để tối thiểu hóa lượng nam châm cần sử dụng Với kiểu kết cấu này, rotor có thể coi như là một sự kết hợp giữa một rotor của máy điện từ trở thông thường với nhiều lớp rào chắn từ thông và một máy điện nam châm vĩnh cửu có nam châm trên bề mặt Điều này có được là do sự độc lập về cấu trúc giữa vị trí của nam châm vĩnh cửu và các rào chắn từ thông chính Hình ảnh mô tả sự kết hợp này được trình diễn trong Hình 3.1
Với lợi thế từ đặc điểm cấu trúc trên, vai trò của nam châm vĩnh cửu và có thể được xem xét độc lập và các đóng góp riêng lẻ của chúng có thể được dễ dàng đánh giá một cách tách biệt Như được trình diễn trong Hình 3.1, hai mô hình đối chiếu với các rotor tương ứng Để ngắn gọn, mô hình thứ nhất được gọi bằng “Inset SPMSM model” trong đó Inset SPMSM là viết khác và viết tắt của Inset Surface Permanent Magnet Synchronous Machine hay máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chôn trên bề mặt được hiểu là nam châm vĩnh cửu sẽ ghép vào khoảng không gian được cố tình cắt trên một phần chu vi của rotor Rotor của mô hình thứ nhất có được chính bằng việc loại bỏ rào chắn từ thông bên trong cũng là rào chắn từ thông chính của rotor của máy điện nguyên gốc Tương tự mô hình thứ hai sẽ được gọi là
“SynRM model” với lý do từ việc loại bỏ nam châm vĩnh cửu trong rotor của máy điện nguyên gốc mà do đó chỉ còn lại thành phần từ trở trong mô-men được sản sinh ra Ngoài ra còn một mô hình nữa được gọi là “Modified SynRM” mà có được bằng cách bù đắp phần chu vi bị cắt trên rotor của máy điện nguyên gốc nhưng không làm thay đổi độ khoảng cách giữa bề mặt rotor và rào chắn từ thông bên trong Mục đích và các phân tích liên quan đến mô hình cuối cùng này sẽ được trình bày trong chương
Hình 3.1 Cấu trúc rotor của các mô hình được kháo sát sau Để cụ thể hơn, các thông số kết cấu cơ bản của các mô hình được trình bày trong Bảng 3.1
Bán kính ngoài stator mm 80
Bán kính ngoài rotor mm 47
Bề rộng nam châm mm 24
Bề dày nam châm mm 1.5
Ngoài ra để xác thực sự khả thi của mô hình sẽ được phân tích, thông số chia lưới phần tử hữu hạn của các mô hình trên cũng được cung cấp tại Bảng 3.2 và Hình 3.2 Để có thể rõ hơn về vấn đề sẽ được nghiên cứu, đoạn này sẽ bổ sung các công thức tính mô-men của ba mô hình máy điện này, cụ thể như sau:
Bảng 3.1 Thông số kết cấu của các mô hình
Bảng 3.2 Thông tin chia lưới
Mô hình Số lượng phần tử Số lượng nút
(2-1) trong đó p là số đôi cực
- Đối với “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model”:
Theo lý thuyết “Inset SPMSM model” là kiểu máy điện nam châm vĩnh cửu nên kiện mô-men cực đại theo dòng điện (maximum torque per ampere hay MTPA)
Hình 3.2 Chia lưới mô hình: (a) FI-PMa-SynRM; (b) Inset SPMSM model; (c) SynRM model; (d) Modified SynRM sẽ đạt được với góc (pha) dòng điện dương Điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện được hiểu là khi cung cấp một giá trị dòng điện phần ứng nào đó, ta sẽ điều chỉnh góc (pha) dòng điện để làm sao tạo ra được giá trị mô-men trung bình là lớn nhất Ngược lại với với “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” là kiểu máy điện dựa trên cơ sở từ trở nên điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện sẽ đạt được với góc dòng điện âm [11] Do đó, mặc dù công thức mô-men là tương tự, cơ chế điện từ trường của “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model” là khác nhau Thêm nữa, thành phần mô-men bổ sung có thể đạt được với sự xuất hiện của nam châm trong hai mô hình máy điện này Tuy nhiên, sự khác biệt về rào chắn từ thông trong cũng là rào chắn từ thông chính có thể mang lại sự khác biệt về khả năng sản sinh mô- men.
ẢNH HƯỞNG CỦA NAM CHÂM VĨNH CỬU RÀO CHẮN TỪ THÔNG ĐẾN HIỆU NĂNG
Trong mục này, ảnh hưởng của nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông được xem xét độc lập theo các vấn đề liên quan đến hiệu năng của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thông tăng cường Bên cạnh đó sự phối hợp giữa nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông đến các tính chất của máy điện là không thể phủ nhận
3.2.1 Phân bố từ trường trong máy điện
Sự khác biệt giữa các mô hình được nêu ở mục trên liên quan chặt chẽ đến sự phân bố từ trường trong đó điều kiện không tải sẽ được xem xét trước tiên trong đó các đường sức từ và một độ từ thông được trình diễn trên Hình 3.3 Để phù hợp với điều kiện không tải, chỉ FI-PMa-SynRM và Inset SPMSM model được xem xét
Có thể nhận thấy đối với FI-PMa-SynRM, từ thông tập trung trong khoảng không gian nằm giữa hai rào chắn từ thông liền kề trong khi đối với Inset SPMSM model thì từ thông lại tập trung quanh nam châm vĩnh cửu Theo cách khác, Hình 3.4 mô tả sự so sánh từ thông móc vòng của nam châm giữa các mô hình này Có thể nhận thấy một điểm thú vị đó là từ thông móc vòng của nam châm của Inset
SPMSM model lớn hơn một so với của FI-PMa-SynRM Điều này chỉ ra rằng rào chắn từ thông trên rotor của FI-PMa-SynRM ảnh hưởng đến từ thông móc vòng tạo bởi nam châm, có nghĩa ta có thể sử dụng rào chắn từ thông này để điều chỉnh sự phân bố mật độ từ thông trên các máy điện Cần lưu ý rằng sự phân tích tại điều kiện không tải có thể cung cấp một cái nhìn tỏng quát về ảnh hưởng của rào chắn từ thông trong khi hiệu năng của máy điện cần được nghiên cứu đầy đủ với điều kiện xuất hiện của dòng điện phần ứng
Hình 3.3 Mật độ từ thông khi không tải
Tiếp theo cần xem xét sự phân bố từ trường khi có dòng điện phần ứng hay chính là điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện Như đã được nhắc đến ở trên,
“FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” sẽ đạt được điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện tại góc dòng điện âm trong đó “SynRM model” có góc dòng điện lớn hơn, nghĩa là –39 độ đối với “SynRM model” và –25 độ đối với “FI-PMa-SynRM” Điều này là phù hợp với biểu đồ pha và các công thức mô-men trung bình đã được trình bày Hình 3.5 mô tả sự phân bố và mật độ từ thông trong các mô hình máy điện trong điều kiện này Có thể thấy mật độ từ thông ở vùng không gian nằm giữa hai rào chắn từ thông trong liền kề của “SynRM model” là thấp hơn rất nhiều khi so sánh với của “FI-PMa-SynRM” Điều này có thể được hiểu là do sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu trong khi nam châm vĩnh cửu lại có khả năng tác động rất lớn sự phân bố của từ trường của các cấu hình rotor này và đóng một vai trò quan trọng đến sự vận hành của “FI-PMa-SynRM” Ngược lại, “Inset SPMSM model” lại đạt được điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện tại góc dòng điện dương (cụ thể là
19 độ), và sự phân bố mật độ từ thông là tốt hơn nhiều khi so sánh với nó tại chế độ không tải
Cuối cùng, để miêu tả đầy đủ sự khác biệt về phân bố từ trường giữa các mô hình máy điện này, mật độ từ thông trên nam châm vĩnh cửu sẽ được xem xét bằng
Vị trí rotor (góc cơ)
Hình 3.4 Từ thông móc vòng của nam châm cách xét một số điểm đại diện Với mục đích này, ta sẽ xét hai tình huống:
- Tình huống (1), “Inset SPMSM model” được cho làm việc với góc dòng điện –25 độ, có nghĩa là tương tự với điều kiện mô-men cực đại của “FI-PMa-SynRM” hay có nghĩa là chế độ từ thông tăng cường Hình 3.6 trình diễn mật độ từ thông trên nam châm của “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model” ở điều kiện này Có thể thấy mật độ từ thông tổng quát trên nam châm vĩnh cửu cơ bản cải thiện mặc dù một số phần của nó có thể vẫn có điểm làm việc thấp
Hình 3.5 Mật độ từ thông tại điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện
Phía trên bên trái: FI-PMa-SynRM, phía trên bên phải: Inset SPMSM model, phía dưới: SynRM model
- Tình huống (2), khi “Inset SPMSM model” làm việc ở điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện của nó (có nghĩa là ở góc dòng điện 19 độ) thì điểm làm việc của nam châm vĩnh cửu là rất thấp hơn nhiều như được trình diễn trên Hình 3.7 Điều này là từ nguyên tắc cố hữu của các máy điện nam châm vĩnh cửu là làm việc ở chế độ từ thông suy giảm (flux weakening)
Bên cạnh đó, các điểm có mật độ từ thông thấp trên nam châm vĩnh cửu nằm gần với phần không khí, ví dụ như đối với “Inset SPMSM model” điểm có mật độ từ thông thấp trên nam châm vĩnh cửu nằm gần các rãnh stator, trong khi đối với
“FI-PMa-SynRM” các điểm này nằm gần các rãnh stator và đầu cuối của các rãnh chắn từ thông Điều này ngụ ý rằng các điểm có mật độ từ thông thấp trong các phần của nam châm vĩnh cửu (cục bộ) là một vấn đề cố hữu của các cấu hình rotor mà
Hình 3.7 Mật độ từ thông trên nam châm vĩnh cửu ở góc dòng điện –25 độ
Hình 3.6 Mật độ từ thông trên nam châm vĩnh cửu của “Inset SPMSM model” ở góc dòng điện 19 độ nam châm vĩnh cửu nằm ở bề mặt
3.2.2 Sự biến đổi của điện cảm
Hình 3.8 miêu tả sự biến đổi của điện cảm theo giá trị dòng điện khi dòng điện được đặt theo trục d Có thể thấy rằng điện cảm của “Inset SPMSM model” được thể hiện bằng các đường cong màu xanh nước biển thì điện cảm dọc trục L d nhỏ hơn một chút so với điện cảm ngang trục L q và cà hai điện cảm này đều giảm khi giá trị dòng điện tăng lên do đó “saliency (L d /L q )” sẽ nhỏ hơn 1 một chút Điều này là do thực tế rằng việc thêm nam châm vĩnh cửu bề mặt vào trục d có thể làm giảm điện cảm dọc trục và do đó làm cho giá trị điện cảm dọc và ngang trục lại gần với các máy điện đồng bộ thông thường Đối với điện cảm của FI-PMa-SynRM và SynRM được thể hiện bằng màu da cam và xanh lá cây tương ứng, điện cảm dọc trục đều lớn hơn điện cảm ngang trục dẫn đến “saliency” của các mô hình máy điện này đều lớn hơn 1 Mặt khác, có thể thấy rằng xu hướng của điện cảm (bao gồm Ld và Lq) của FI-PMa-SynRM và Inset SPMSM là khá khác nhau Tuy nhiên, để so sánh giữa FI-PMa-SynRM và SynRM, Lq của chúng là tương đương nhưng Ld của SynRM giảm nhanh theo dòng điện trong khi Ld của FI-PMa-SynRM vẫn duy trì được một độ lớn gần như ít thay đổi khi giá trị dòng điện được thay đổi Điều này chỉ ra rằng
Hình 3.8 Sự biến đổi của điện cảm và saliency theo giá trị dòng điện đối với FI-PMa-SynRM (1), Inset SPMSM model (2) và SynRM model (3) sự xuất hiện của rào chắn từ thông làm thay đổi đáng kể các thuộc tính của điện cảm trong khi sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu chủ yếu ảnh hưởng đến điện cảm dọc trục khi so sánh “FI-PMa-SynRM” với các biến thể là “Inset SPMSM model” và
3.2.3 Sự biến đổi của mô-men
Hình 3.9 miêu tả sự biến đổi của mô-men trung bình theo góc dòng điện của các mô hình này đối với dòng điện cực đại và dòng điện định mức (120 A và 60 A) điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện của “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” đạt được với góc dòng điện âm trong khi đối với “Inset SPMSM” là với góc dòng điện dương là phù hợp với các phân tích phía trên Thêm nữa, với một lượng nam châm vĩnh cửu được thêm vào mà chỉ chiếm 0,72 % so với thể tích động cơ nhưng “FI-PMa-SynRM” có thể sản sinh ra mô-men cao gấp 1,77 và 1,34 lần so với mô-men tạo được bởi “SynRM model” tương ứng tại các giá trị dòng điện định mức và cực đại Mặt khác, “FI-PMa-SynRM” cũng tạo ra mô-men cao gấp 1,4 và 1,73 lần so với khả năng sản sinh mô-men của “Inset SPMSM model” tương ứng với các giá trị dòng điện định mức và cực đại
Tiếp theo, sự dao động của mô-men tức thời theo vị trí rotor ứng với giá trị dòng điện định mức của các mô hình trên được trình diễn ở Hình 3.10 Có thể thấy
Góc dòng điện (góc điện)
TÓM LƯỢC
Từ những phân tích trên về các đặc tính của các mô hình máy điện gồm “FI- PMa-SynRM” và hai biến thể của nó là “Inset SPMSM model” và “SynRM model”, có một số kết luận có thể rút ra như sau:
- Sự xuất hiện của rào chắn từ thông trong “FI-PMa-SynRM” giúp cho nam châm vĩnh cửu được bảo vệ tốt hơn cũng như dẫn đến sự đảo ngược tính chất điện cảm, điều này thể hiện qua sự so sánh giữa “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model”
- Sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu trong “FI-PMa-SynRM” dẫn đến sự tăng cường của mật độ từ thông trong lõi thép và làm thay đổi rất nhiều giá trị điện cảm dọc trục, điều này thể hiện qua sự so sánh giữa “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model”
- Sự phối hợp của nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông trong “FI-PMa- SynRM” giúp tăng cường khả năng sản sinh mô-men khi so sánh nó với hai biến thể
Hình 3.10 Mô-men tức thời theo vị trí rotor trong khi chỉ cần với một lượng rất nhỏ nam châm vĩnh cửu.
CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN CỦA MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ SỬ DỤNG CƠ CHẾ TỪ THÔNG TĂNG CƯỜNG
SỰ KHỬ TỪ CỤC BỘ
Khử từ là một trong những vấn đề hệ trọng đối với các máy điện có sử dụng nam châm vĩnh cửu Thông thường các phần trên nam châm vĩnh cửu của các máy điện không có mức độ khử từ giống nhau, do đó việc đánh giá sự khử từ của nam châm vĩnh cửu thường xem xét theo từng phần không gian, hay nói theo cách khác là khử từ cục bộ Đối với nam châm vĩnh cửu sử dụng cho “FI-PMa-SynRM”, năm điểm quan sát được lựa chọn dọc theo chiều rộng của nó như được thể hiện trên Hình 4.1
Sau khi cho dòng điện phần ứng vào, các giá trị mật độ từ thông tại các điểm này được khảo sát như được trình diễn trên Hình 4.2 Có thể nhận thấy mật độ từ
Hình 4.1 Các điểm quan sát lựa chọn trên nam châm vĩnh cửu thông tại điểm A và B là thấp hơn khi so sánh với các điểm khác, điều này ngụ ý rằng phần không gian của nam châm vĩnh cửu nằm giữa điểm A và B có thể dễ bị khử từ hơn các vùng không gian khác Bên cạnh đó, cũng dễ dàng nhận thấy rằng vùng không gian này nằm gần với điểm cuối của rào chắn từ thông trong và điều này là phù hợp với tiên đoán ở các mục trước Tuy nhiên, điểm cần đặc biệt lưu ý đó là mật độ từ thông tại vùng này không quá thấp có nghĩa hiện tượng khử từ không thể phục hồi không có khẳ năng xảy ra trong khi bề dày của nam châm vĩnh cửu là nhỏ chỉ 1,5 mm Mặt khác, với cấu trúc tương đối đơn giản nên các cấu trúc tương tự có thể được thiết kế với một số điều chỉnh nhỏ như sử dụng nam châm vĩnh cửu dày hơn để có thể hoàn toàn tránh được hiện tượng khử từ không thể phục hồi.
KHẢ NĂNG CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN
Trong chương trước, việc so sánh “FI-PMa-SynRM” và hai biến thể của nó là
“Inset SPMSM model” và “SynRM model” đã được dùng để đánh giá vai trò của
Vị trí rotor (góc cơ)
Hình 4.2 Sự thay đổi giá trị mật độ từ thông tại các điểm quan sát nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông trong mô hình máy điện đã được thiết kế Ở mục này để đánh giá đầy đủ khả năng cải thiện mật độ mô-men của mô hình đã
Hình 4.3 So sánh mật độ mô-men giữa FI-PMa-SynRM và Modified SynRM được thiết kế với một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu, “FI-PMa-SynRM” sẽ được so sánh với một mô hình có tính thực tế bằng cách mở rộng đường biên của bề mặt rotor cũng như điểm của của rào chắn từ thông trong do đó chiều dài khe hở không khí lẫn khoảng cách giữa rào chắn từ thông và khe hở không khí là giống với của
“FI-PMa-SynRM” Hình ảnh miêu tả của mô hình này cũng đã được trình diễn ở Hình 2.1 và được gọi là “Modified SynRM”
Hình 4.3 trình diễn sự so sánh sự biến đổi của mật độ mô-men theo dòng điện và góc dòng điện (từ –90 đến 0 độ) giữa “FI-PMa-SynRM” và “Modified SynRM”
Có thể thấy “FI-PMa-SynRM” cho mật độ mô-men tốt hơn Thêm nữa, FI-PMa- SynRM có vùng mật độ mô-men lớn (tức là trên 20 Nm/L) rộng hơn với cùng một giá trị dòng điện và giải góc dòng điện Điều này có thể được giải thích bởi một thực tế là “FI-PMa-SynRM” có được sự kết hợp của mô-men từ trở và mô-men nam châm khi so sánh với các dạng máy điện khác, nghĩa là với nhiều rào chắn từ thông để có được mô-men từ trở lớn và một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu đặt trên bề mặt để có thêm một lượng mô-men bổ sung nữa Quan trọng nhất, vì nam châm vĩnh cửu trong
“FI-PMa-SynRM” không dễ bị khử từ, một dòng điện có giá trị lớn hơn có thể được sử dụng để giúp cho máy điện có thể đạt được một mật độ mô-men thậm chí còn cao hơn nữa Tuy nhiên nhiệm vụ này cần được tính toán kỹ bởi các vấn đề cố hữu của máy điện liên quan đến sự bão hòa từ, khả năng tản nhiệt và sự khử từ cục bộ như đã được nhấn mạnh ở mục trước Tóm lại mô hình máy điện đã được thiết kế đã chứng minh là có thể đạt được mật độ mô-men cao phù hợp lần lượt là 13,45 Nm/L và 24,79 Nm/L tại các điều kiện định mức và cực đại Để có một cái nhìn rõ ràng hơn về khả năng cải thiện mật độ mô-men của mô hình “FI-PMa-SynRM” đã được thiết kế, chế tạo, một khảo sát so sánh với một số mô hình máy điện sử dụng nam châm đã được công bố trước đây là cần thiết Bảng 4.1 trình bày một số thông tin thu thập được về khả năng sản sinh mô-men và mật độ mô-men.
TÓM LƯỢC
Từ các phân tích trong chương này có thể thấy mô hình FI-PMa-SynRM được đề xuất với việc sử dụng chỉ một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu nhưng đã có thể cải thiện được mật độ mô-men một cách đáng kể trong khi sự khử từ cục bộ vẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được và tránh được hiện tượng khử từ không thể phục hồi
Bảng 4.1 Thông tin về mật độ mô-men
Mô hình Mật độ mô- men (Nm/L)
Tỷ lệ thể tích nam châm (%)
Mật độ dòng điện cực đại (A/mm 2 )
Khả năng chống lại hiện tượng khử từ không thể phục hồi
SynRM 24,79 0,72 15,35 Phê chuẩn Đã thực hiện
Mô hình trong tham khảo [2] 14,91 4,32 Không rõ Phê chuẩn Đã thực hiện
Mô hình trong tham khảo [3] 63,79 4,22 26,87 Phê chuẩn Chưa thực hiện
Mô hình trong tham khảo [15] 52,82 Không rõ 25,1 Không rõ Đã thực hiện
CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Trong chương này việc thực hiện và một số kết quả thực nghiệm đối với mô hình máy điện đã được thiết kế, chế tạo được trình bày bao gồm dạng sóng dòng điện, hài dòng điện, so sánh mô-men Hình 5.1 miêu tả việc cài đặt để các thành phần của bàn thực nghiệm để tiến hành vận hành và đo đạc một số thông số của mẫu thử của FI-PMa-SynRM
Hình 5.1 Cài đặt thực nghiệm cho mẫu thử của FI-PMa-SynRM
Hình 5.2 Dạng sóng dòng điện trong FI-PMa-SynRM với giá trí hiệu dụng 32,5 47
Hình 5.2 trình diễn hình ảnh của dạng sóng dòng điện, do giới hạn công suất của nguồn cấp tại phòng thí nghiệm của bên hợp tác, phối hợp nên dòng điện đo đạc chỉ đạt 32,5 A Có thể thấy, khác với việc chạy mô hình mô phỏng trên phần mềm máy tính với dòng điện kích thích thường được đặt là dạng sin, dòng điện thực tế của nguồn cấp sẽ không có dạng sin hoàn toàn Sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform hay FFT) trên Matlab với đầu vào là dữ liệu thu thập được từ hệ thống thực nghiệm, các hài dòng điện được trình diễn trên Hình 5.3 Tính toán tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distorion hay THD) dòng điện của kết quả thực nghiệm là khoảng 13,04 %
Mặt khác, mô-men trung bình tạo ra được của “FI-PMa-SynRM” cũng được đo đạc và so sánh với kết quả mô phỏng như được trình diễn trên Hình 5.4 Có thể thấy rằng hai kết quả này là phù hợp với nhau Bên cạnh đó, để thuyết phục hơn, kết quả mô phỏng giá trị mô-men trung bình của “Modified SynRM” cũng được thêm vào Hình 5.4 để so sánh với kết quả của “FI-PMa-SynRM” Có thể thấy khi góc dòng điện còn nhỏ (khoảng –55 độ), mô-men sản sinh được của “Modified SynRM” chỉ nhỏ hơn một chút so với của “FI-PMa-SynRM”, tuy nhiên với các góc dòng điện
Hình 5.3 Các thành phần hài dòng điện lớn hơn, mô-men sản sinh được của “Modified SynRM” giảm xuống rất nhanh Điều này dẫn đến mô-men của “Modified SynRM” có thể có thể trở thành giá trị âm trong khi mô-men của “FI-PMa-SynRM” vẫn tiếp tục có giá trị dương Kết quả này là hoàn toàn phù hợp với lý thuyết đã được trình bày ở các mục trước
Modified SynRM, Mô phỏng FI-PMa-SynRM, Mô phỏng
FI-PMa-SynRM, Thực nghiệm nghiệm
Hình 5.4 So sánh mô-men đo đạc và mô phỏng
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Như vậy qua sự phân tích kỹ càng cơ chế từ thông tăng cường trong một động cơ từ trở hay còn gọi là mô hình FI-PMa-SynRM, việc cải thiện từ thông của máy điện từ trở đã được chứng minh khả thi Đầu tiên, thông qua sự so sánh mô hình FI- PMa-SynRM đã được thiết kế và chế tạo với hai biến thể của nó mà có thể có được chỉ bằng việc đơn giản loại bỏ nam châm vĩnh cửu hoặc rào chắn từ thông trong, vai trò của các thành phần này trong mô hình FI-PMa-SynRM đã được nghiên cứu Tiếp theo, sự khử từ cục bộ trong mô hình FI-PMa-SynRM đã được phân tích và khả năng mật độ mô-men đã được điều tra qua việc so sánh mô hình này với một một mô hình máy điện từ trở thực tế có cấu hình tương đương Có thể thấy rằng việc áp dụng cơ chế từ thông tăng cường đã dẫn đến sự khác biệt trong phân bố từ trường cũng như góc dòng điện để đạt được điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện Hơn tất cả, một khả năng tạo ra được mật độ mô-men lớn đã được chứng minh với một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu hay có nghĩa có thể cải thiện mật độ mô-men một cách đáng kể với chỉ một vài điều chỉnh bổ sung về cấu hình rotor khi sử dụng cơ chế từ thông tăng cường đối với động cơ từ trở Một thuận lợi nữa đó là mặc dù sử dụng lượng nam châm vĩnh cửu rất nhỏ nhưng mô mình máy điện được trình bày đã có thể chống lại hiện tượng khử từ không thể phục hồi một cách mạnh mẽ Cũng phải nhấn mạnh ở sự đơn giản của cấu trúc được trình bày trong nghiên cứu
Cùng với những kết luận trên, nhóm nghiên cứu cũng có những đề xuất, kiến nghị trên cơ sở xem xét tính khả thi và khả năng phát triển của nghiên cứu trong điều kiện Việt Nam đó là:
- Nghiên cứu thêm tính khả thi của cơ chế từ thông tăng cường với việc sử dụng vật liệu nam châm giá rẻ hơn, ví dụ nam châm ferrite
- Đầu tư nghiên cứu vào các loại máy điện hiện đại trên thế giới, thay thế dần các loại máy điện cổ điển như máy điện không đồng bộ, máy điện một chiều bởi khả năng đạt được mật độ mô-men lớn
- Tiếp cận, biên soạn các tài liệu, đề xuất điều chỉnh nội dung môn học máy điện trong các trường đại học tại Việt Nam để theo kịp sự phát triển của lĩnh vực máy điện trên thế giới.