QUY TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 59 QUY TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ SWITCHED RELUCTANCE MOTOR DESIGN PROCESS Phí Hồng Nhã1,2, Đào Quang Thủy3, Phạm Hùng Phi1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phihoangnha@gmail.com Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; phihoangnha@haui.edu.vn Bộ Khoa học Cơng nghệ; hvgn.98@gmail.com Tóm tắt - Động từ trở động có nhiều ưu điểm bât, dần trở thành lựa chọn hệ thống truyền động tốc độ cao Chi phí chế tạo thấp động từ trở có cấu trúc đơn giản, rotor khơng có dây quấn khơng có nam châm vĩnh cửu,… yếu tố quan trọng ưu tiên so với loại động khác Do đó, động từ trở địi hỏi quy trình thiết kế đầy đủ nhằm đáp ứng yêu cầu chế tạo Một quy trình thiết kế cho loại động trình bày chi tiết báo Các thông số thiết kế cho động từ trở loại 6/4 theo quy trình kiểm chứng, đánh giá dựa mô cấu trúc động phân tích phương pháp phần tử hữu hạn Abstract - Switched reluctance motor (SRM) with predominant advantages has become the choice in high speed transmission systems The low cost of motor production due to simple structure, the permanent magnet and winding which are absent in the rotor, etc… are a priority factor compared to other motors Therefore, switched reluctance motor requires a design method that meets the production requirements A design process for this motor is presented in detail in the paper The design parameters for switched reluctance motor with stator poles and rotor poles are verified based on the simulation of motor structure and analysis by finite element method Từ khóa - động từ trở; SRM; quy trình thiết kế; phương pháp thiết kế; phần tử hữu hạn Key words - switched reluctance motor; SRM; design process; design method; finite element method Giới thiệu Với phát triển công nghệ bán dẫn điều khiển, động từ trở (SRM) dần trở lên hấp dẫn nhiều ứng dụng ưu điểm trội như: cấu tạo đơn giản, độ bền cao, động hoạt động vùng tốc độ lớn Rotor khơng có nam châm vĩnh cửu, khơng có cuộn dây nên nhiệt độ cho phép rotor cao loại động khác Mô men khởi động lớn, hiệu suất cao, khơng có tác động dòng điện động thời điểm khởi động Mạch từ động làm việc vùng tuyến tính bão hịa đường đặc tính từ B-H, sử dụng tối đa khả vật liệu sắt từ Hiện nay, việc nghiên cứu thiết kế động từ trở vấn đề thách thức nhà khoa học chun ngành điện Các cơng trình ngồi nước [1], [2],… đưa phương pháp thiết kế SRM cách tổng quát, chưa đưa quy trình thiết kế chi tiết Các nghiên cứu nước động từ trở cịn nghèo nàn, chưa có cơng trình cung cấp phương pháp thiết kế cho loại động Vì vậy, báo cung cấp quy trình thiết kế động từ trở đầy đủ, chi tiết Đồng thời, trang bị kinh nghiệm thiết kế cho kỹ sư, tạo sở tảng cho thiết kế, chế tạo SRM nước Phương pháp thiết kế bao gồm tính tốn thiết kế kích thước sơ cho stator, rotor, kích thước cuộn dây Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn đưa để xác minh cho quy trình thiết kế Quy trình thiết kế Trong thiết kế động cơ, liệu quan trọng xem xét cơng suất, tốc độ, dịng điện điện áp định mức Từ số liệu ban đầu đó, kích thước cho stator rotor xác định Khác với động thông thường khác, động từ trở có nhiều kích thước ràng buộc, xác định thơng qua nhau, theo quy trình chiều Bảng biểu diễn ký hiệu kích thước cấu trúc động từ trở Quy trình thiết kế trình bày Hình Hình Cấu trúc động từ trở Các kích thước tính tốn thiết kế động từ trở cho Bảng Bảng Ký hiệu kích thước SRM D0: đường kính ngồi stator D: đường kính stato Dr: đường kính ngồi rotor Dsh: đường kính trục ys (c): độ dày gông stator hs: chiều cao cực stator g: khe hở khơng khí hr: chiều cao cực rotor yr: độ dày gông từ rotor ts: độ rộng cực stator tr: độ rộng cực rotor l: chiều dài động Lựa chọn kích thước 3.1 Xác định kích thước Khi thiết kế động cơ, liệu cần biết cơng suất định mức động cần thiết kế; tốc độ động cơ; dòng điện định mức điện áp nguồn cung cấp Với tốc độ cơng suất cố định, ta có mơ men định mức động cơ: P 2n T: mô men định mức (Nm); P: công suất định mức (W); n: tốc độ định mức (vịng/phút) T (1) Phí Hoàng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi 60 Từ đây, đường kính stator xác định: D P k2 (6) Tỷ lệ k l = k x D định chất ứng dụng ràng buộc định Đối với ứng dụng khơng trợ lực (khơng secvo) dải k có thể: 0,25 < k < 0,7; cho ứng dụng secvo thường là: < k < 3.1.3 Lựa chọn số cực Thông thường, nhà thiết kế xác định số cực stator (Ns) số cực rotor (Nr) theo tỷ lệ đảm bảo tỷ lệ khơng phải số ngun Bằng phương pháp thực nghiệm, kết hợp phổ biến số cực stator rotor thiết kế đưa ra: Hình Quy trình thiết kế động từ trở 3.1.1 Đường kính ngồi stator Trong thiết kế, kích thước máy q lớn hay q nhỏ, kích thước khung khác dùng Việc lựa chọn sơ kích thước khung tự chỉnh đường kính ngồi stator Thực tế, đường kính ngồi stator tính tốn theo cơng thức sau: D0 = (kích thước khung - 3) x (2) với kích thước khung đưa theo tiểu chuẩn IEC [3] 3.1.2 Đường kính stator chiều dài động Kích thước phần hoạt động máy điện phụ thuộc vào hai yếu tố yêu cầu mô men hiệu hệ thống làm mát Kích thước máy giảm cách cải thiện hệ thống làm mát Nhưng việc cải thiện hệ thống làm mát làm tăng chi phí sản xuất Điều nghĩa làm mát phải tương ứng với chi phí chế tạo Do đó, tham số định đến kích thước động độ lớn mơ men Nói chung, máy điện thiết kế từ phương trình đầu ra, mà liên quan tới đường kính stator D, chiều dài máy l, tốc độ n, từ trường tải điện Theo cơng thức tính cơng suất tài liệu [4], ta đơn giản hóa phương trình tính cơng suất sau: P  T  a.D l n (4) a hệ số tính tốn Ta có quan hệ tỉ lệ đường kính stator D chiều dài động l, chiều dài l coi bội ước đường kính stator D: l=kxD (5) Thay l phương trình (4), kết là: Pd ≈ k2 x D3 Tại điểm hoạt động: 0,65 < k2 < 0,75 Ns 10 12 12 Nr 8 10 Số cực stator, rotor định đến số lượng van bán dẫn điều khiển Vì vậy, số cực động từ trở tăng làm chi phí sản xuất tăng, đồng thời, cực rotor tăng làm tần số stator tăng theo, kết tổn hao lõi tăng Tuy nhiên, việc tăng số cực làm độ lớn mô men đập mạch giảm đáng kể nhiều pha dẫn chồng chéo hơn, dẫn đến tiếng ồn động giảm 3.1.4 Lựa chọn số pha Số lượng pha thường xác định yếu tố khả khởi động, khả định hướng, độ bền, chi phí, mật độ công suất hay hiệu suất hoạt động tốc độ cao Lưu ý rằng, việc lựa chọn số cực, số pha phân tích đánh giá sở ưu, nhược điểm Tuy nhiên, số cực, số pha chọn theo mặc định như: động 8/6 - pha; động 12/8 - pha 3.1.5 Lựa chọn góc cực rotor (βr) góc cực stator (βs) Việc lựa chọn góc cực stator rotor phần quan trọng thiết kế Sự lựa chọn góc cực phụ thuộc vào hai tiêu chí gồm yêu cầu tự khởi động hình thành đặc tính mơ men tĩnh với vị trí rotor Những u cầu đưa vào thiết kế động việc tính tốn góc cực stator rotor tối thiểu để đạt khả tự khởi động Ba điều kiện để đảm bảo yêu cầu gồm: βs > θrs; βr ≥ βs; βr < βs + θfr với θrs góc điện: rs  rp q  2 (rad), q số q.N r N pha: q  s θfr góc sụt giảm dòng điện điều kiện hoạt động định mức Điều kiện βs > θrs giải thích sau: Nếu βs < θrs có số vị trí mà máy khơng thể khởi động Các điện cảm lặp lại 2π/Nr (rad) Việc kiểm tra điện cảm hai pha liên tiếp cung cấp góc nhìn sâu hình thành mơ men, Hình Nếu βs > θrs, θ2 > θ1a, hàm ý pha b tăng điện cảm trước pha a đạt giá trị lớn khơng có vấn đề q trình khởi động, pha có biên dạng điện cảm tăng Nếu βs < θrs, θ2 < θ1a, hàm ý pha b có điện cảm tăng sau pha a đạt giá trị lớn có vị trí rotor định khơng có pha có biên ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN dạng điện cảm tăng, điều gây vấn đề q trình khởi động Do đó, yêu cầu βs > θrs điều hợp lý giá trị định mức Dựa đặc tính từ trường tuyến tính, góc sụt giảm dịng điện tính theo [4] sau:  Rsn I pn   fr  tan .ln 1   Vdcn   Hình Điện cảm với vị trí rotor hai pha liên tiếp [5] Điều kiện βr ≥ βs giải thích sau: Trong thực tế, βr ≥ βs ưu tiên cung cấp vùng điện cảm lớn chút mà không bị điện cảm thẳng hàng Các tài liệu việc tăng góc cực rotor nguyên nhân thay đổi mơ men tối đa với vị trí rotor ảnh hưởng độ rộng xung mô men Mặt khác, phải xem xét từ khía cạnh khí mà cực stator hẹp dễ dàng kích thích dao động, nguyên nhân gây tiếng ồn Làm rộng góc cực tránh vấn đề khu vực khe nhỏ tổn hao đồng cao Khi βr > βs có nhiều tác động tích cực việc điều khiển góc Với cực rotor rộng, lực sinh lúc khởi động sớm kết thúc sớm vùng chồng chéo cực stator, rotor rộng dL/dθ = xung quanh vị trí thẳng hàng Vì vậy, khơng có mơ men sinh có dịng điện 61 (7) Nếu việc tính tốn θfr khó khăn, ta sử dụng điều kiện sau: Đó góc góc cực rotor liền kề phải lớn góc cực stator có trùng lặp cực stator rotor vị trí khơng thẳng hàng Điều kiện biểu 2 diễn: r   s Nếu tính tốn, thiết kế khơng Nr tuân theo điều kiện làm máy khởi động biên dạng điện cảm dương trước đạt giá trị nhỏ nhất, dẫn đến giá trị điện cảm không thẳng hàng cao hơn, dẫn tới mô men sinh thấp Một hướng dẫn tốt cho lựa chọn phù hợp góc rotor góc stator tiền đề tam giác khả thi Lawrenson Ba điều 2  s biểu diễn kiện gồm βr > θrs, βr > βs, r  Nr hình vẽ để mơ tả tam giác có tính khả thi (xét trường hợp SRM 8/6) Nó cần thiết để góc cực rotor góc cực stator nằm tam giác này, Hình Hình Sơ đồ khối việc lựa chọn góc stator rotor [5] Các khu vực bên OE khu vực đại diện cho điều kiện Khu vực GH khu vực đại diện cho điều kiện Khu vực DF đại diện cho điều kiện Nếu βs < 20o → 20o < βr < 40o 3.2 Thiết kế lõi sắt stator 3.2.1 Bề rộng cực stator Sau xác định βs, ta tính bề rộng cực stator theo cơng thức: Hình Ảnh hưởng góc cực tới việc sinh mơ men [4] Một ưu điểm bật βr > βs loại bỏ mơ men âm Bằng việc điều chỉnh góc mở dịng điện, dịng điện đỉnh trì tồn khu vực sinh mơ men dương Điều làm mơ men trung bình tăng nhiều so với βr = βs Đây lợi tốt điều kiện hoạt động tức thời định mức Hiệu minh họa Hình 4, vùng sinh mơ men dòng điện đỉnh pha giả định trường hợp Loại bỏ mô men âm sinh làm giảm mô men đập mạch giảm tiếng ồn Giới hạn góc cực rotor là: βr = βs + θfr, θfr góc sụt giảm dịng điện điều kiện hoạt động định mức Góc sụt giảm dịng điện cho điều kiện định mức, giả thiết dòng điện đỉnh stator, tốc độ, điện áp cung cấp s (8) 3.2.2 Độ dày gông từ stator Độ dày gông từ stator ys xác định sở mật độ từ thông lớn bổ sung điều kiện khác giảm độ rung giảm tiếng ồn âm Mật độ từ thông gông từ stator xấp xỉ nửa mật độ từ thông cực stator Điều đáng nói khu vực gơng từ chia sẻ pha khác mà bị chồng chéo, đề xuất cho chọn độ dày gơng từ stator khoảng 20% ÷ 40% ys Trong đó, gơng từ ys phải có tối thiểu 0,5ts Do cân nhắc độ bền học giảm độ rung, ys có giá trị dải: 0,5ts ≤ ys ≤ ts (9) Nên chọn giá trị cao cho giá trị ys so với mức tối thiểu Tài liệu [5] đề xuất: ts  D.sin Phí Hồng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi 62 ts (1,1 < kys