38042_122064_1_pb_0238

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 MÔ PHỎNG TỪ TRƯỜNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Nguyễn Ngọc Văn1, Đặng Việt Hùng2 TĨM TẮT Việc mơ phân bố từ trường máy điện cho phép đánh giá ảnh hưởng cấu trúc, hình dạng thơng số vật liệu đến thông số vận hành Hiện nay, chương trình mơ dựa phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Elemen Method - FEM) cơng cụ mạnh, tin cậy có chi phí thấp, hỗ trợ cho nhà nghiên cứu, sản xuất trình thiết kế, đánh giá cải thiện đặc tính kỹ thuật thiết bị Nội dung báo tập trung phân tích, đánh giá ảnh hưởng từ thơng, mật độ từ cảm, sóng hài mơ men máy điện chiều không chổi than (Brushless DC - BLDC) dựa kết mô Từ khóa: Phương pháp phần tử hữu hạn, tính tốn từ trường, máy điện chiều không chổi than ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, tính tốn thiết kế máy điện, khí cụ điện nhà sản xuất ln mong muốn sản phẩm sản xuất vận hành tin cậy, tiết kiệm điện có độ bền cao Để đánh giá hiệu hoạt động ảnh hưởng vật liệu khác đến làm việc máy điện việc phân tích, làm rõ biến đổi trường điện từ xảy bên vấn đề quan trọng Giải pháp mô tượng điện từ trường máy điện phần mềm dựa FEM nghiên cứu rộng rãi [1,2,4,5], giải pháp giúp phân tích hiệu tác động cấu trúc, hình dạng vật liệu từ tới phân bố từ trường máy điện Ở khu vực có mật độ từ cảm cao răng, rãnh Với mục tiêu cải thiện phân bố từ trường khu vực đặc biệt nghiên cứu ứng dụng vật liệu từ mới, phương án mô phần mềm chuyên dụng trở thành giải pháp bật với chi phí thấp Các nghiên cứu mô máy điện thường tập trung vào việc tính tốn, phân tích trường điện từ máy điện xoay chiều, chiều thơng thường chưa có nhiều nghiên cứu đánh giá sóng hài mơ men Do vậy, nội dung báo tập trung vào việc phân tích, đánh giá từ trường, đồng thời với thơng số sóng hài mơ men máy điện chiều không chổi than (BLDC) BLDC loại máy điện chiều đặc biệt BLDC làm việc tin cậy, không tạo tia lửa điện, không gây nhiễu có tuổi thọ cao so với loại máy điện chiều thông thường 1,2 Giảng viên khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực Hà Nội 148 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 NỘI DUNG 2.1 Mô từ trường máy điện FEM FEM phương pháp số cho phép phân tích bên đối tượng nghiên cứu ước lượng xác thơng số, phân bố điện từ trường mật độ từ thông khe hở khơng khí phận thiết bị điện Trên sở kết phân tích phân bố khơng gian điện từ trường, xác định điểm bất lợi mặt cấu trúc thiết kế thiết bị Theo FEM, q trình tính tốn mơ từ trường máy điện thực sau: Rời rạc hóa mơ hình mẫu, tạo phần tử nút Các phần tử liên kết nút thành mơ hình mẫu hồn chỉnh Dựa đặc thù vật liệu khác mơ hình mẫu, thông số vật liệu tương ứng xác định cho phần tử Phương trình Maxwell điều kiện biên sử dụng để liên kết tất phần tử với tùy theo cấu trúc việc đơn giản hóa cách phù hợp, từ thiết lập phương trình phần tử hữu hạn Tùy theo đặc trưng riêng, phương pháp tính tốn xác lựa chọn để giải biểu thức từ trường nút khơng xác định Các phương trình Maxwell từ trường: ⃗ = ⃗; = ; ⃗=0 (1) Trong đó: ⃗ vector cường độ từ trường, ⃗ vector cảm ứng từ, độ từ thẩm ⃗ vector mật độ dòng điện ⃗= Mặt khác: Với ⃗ từ vector Kết hợp với (1) rút ra: ⃗; + ⃗=0 (2) + =0 (3) Sử dụng FEM, mơ hình phân tích cách phân chia thành phần tử tuyến tính dạng tam giác (hình 1) Lưới phần tử chia nhỏ vị trí quan trọng hay nơi từ trường phân bố tập trung nhằm làm giảm độ phức tạp tính tốn tăng tốc độ tính tốn Hình Các lưới phần tử hữu hạn động BLDC 149 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 2.2 Mô từ trường máy điện chiều 2.2.1 Mơ hình mơ Mơ hình nghiên cứu động chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu pha, cực, 24 rãnh Do tính chất đối xứng động qua trục, mơ hình hình học 2D xây dựng mặt phẳng cắt ngang bao gồm ¼ động gồm rãnh stator cực bắc nam châm (hình 2a) Việc xây dựng mơ hình, phân tích mơ thực phần mềm mô trường điện từ Flux2D [6] Stator Nam châm Rotor Truc a) b) Hình Mơ hình mơ (a) đặc tính B(H) rotor stator động BLDC (b) Trong mơ hình mơ phỏng, thơng số vật liệu từ sau: độ từ thẩm nam châm vĩnh µr = 1.07, mật độ từ cảm B = 0.401T, độ từ thẩm ban đầu rotor stator µ = 7500, mật độ từ cảm bão hịa B = 1,99T (hình 2b) Bài báo thực mơ phân tích ảnh hưởng từ trường nam châm điện đến rotor, stator khe hở khơng khí động BLDC với góc quay khác rotor 2.2.2 Kết mơ 2.2.2.1 Tính tốn phân bố từ thơng theo góc Rotor Kết mơ cho phép tính tốn giá trị hiển thị đường phân bố từ thơng theo góc quay rotor, ta thấy giá trị lớn từ thông 2,58.10-6Wb xuất vị trí hai rãnh cuộn dây hai cực nam châm (hình 3) 50 150 300 Hình Phân bố từ thơng trường hợp khác góc rotor 150 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 2.2.2.2 Phân bố mật độ từ cảm động Kết mô cho phép hiển thị kết phân bố dạng màu sắc độ lớn mật độ từ cảm toàn mặt cắt động phần tử riêng biệt rotor hay stator Giá trị lớn mật độ từ cảm đạt 1,332T xuất vị trí thân stator đối diện với nam châm rotor (hình 4) Hình Phân bố từ thơng mật độ từ cảm Nhận thấy giá trị mật độ từ cảm lớn B = 1,322T xác định điểm làm việc đường cong từ hóa vật liệu từ Điểm làm việc nằm đoạn tuyến tính đường cong từ hóa (mật độ từ cảm ứng với đoạn bão hòa vật liệu từ khảo sát 1,99T) vị trí chuẩn bị bão hòa vật liệu từ Việc đẩy cao điểm làm việc sát đoạn bão hịa đường đặc tính cho phép tận dụng tốt khả dẫn từ vật liệu, dẫn đến kích thước hình học động khối lượng vật liệu từ tối ưu Như vậy, kết mơ ngồi việc cho phép nhà thiết kế xác định phân bố từ trường, mật độ từ cảm, cho phép xác định điểm làm việc đường cong từ hóa vật liệu từ Điều đóng vai trị quan trọng việc tận dụng tối ưu khả dẫn từ vật liệu tối ưu hóa phương án thiết kế kinh tế, kỹ thuật 2.2.2.3 Phân bố từ cảm dọc theo khe hở khơng khí rotor stator Kết phân bố từ cảm thành phần vng góc dọc theo khe hở khơng khí rotor stator (hình 5a) thời điểm khác rotor quay quanh trục cho thấy giá trị mật độ từ cảm thay đổi dọc theo vị trí tương đối rotor stator, đạt giá trị lớn 397,197.10-3 T Từ trường khe hở không khí có phân bố dạng hình sin theo khơng gian Kết mô cho phép xây dựng trực quan đồ thị phân bố từ cảm dọc theo khe hở khơng khí (hình 5.b) 151 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 a) Khe hở khơng khí b) Phân bố từ cảm theo khe hở khơng khí Hình Phân bố cảm ứng từ vng góc khe hở khơng khí thời điểm t = 1, 3, 5, 7s 2.2.2.4 Phân tích thành phần sóng hài Tính tốn mơ cho phép phân tích biên độ thành phần sóng hài xuất trình làm việc động Xét thời điểm t=1s, phân tích cho thấy xuất thành phần sóng hài có biên độ lớn sóng hài bậc lẻ 3, 5, 7, 11 giá trị lớn hài bậc (hình 6) 400 (E-3) Tesla SPECTRUM Spectrum 300 From FDnorm Fundamental 12.531E-3 200 100 10 15 20 25 30 Bậc sóng hài Hình Phổ sóng hài theo thành phần cảm ứng từ tương ứng khe hở khơng khí Từ giá trị phổ sóng hài thu được, xác định độ méo dạng sóng hài (THD) tương ứng theo công thức sau: THD = 100 B22 + B32 + B42 + + Bn2 B1 (4) Dựa vào phổ sóng hài hình 6, độ méo từ cảm thu THD (từ cảm) = 22% Do sóng hài ảnh hưởng đến thiết bị khác hệ thống điện, nhiều tiêu chuẩn đưa để đánh giá mức độ nghiêm trọng sóng hài Một tiêu chuẩn tiêu chuẩn IEEE 519 Viện Kỹ thuật Điện - Điện tử [3], tiêu chuẩn vào mức độ nhạy cảm thiết bị hệ thống điện làm ngưỡng quy định mức sóng hài áp tối đa cho phép Do đó, chuẩn IEEE 519 đưa ngưỡng sóng hài khác cho hệ thống điện khác Trong trường hợp máy điện nghiên cứu mức độ méo dạng 152 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 sóng hài cho từ cảm thu từ tính tốn mơ (22%) vượt ngưỡng cho phép hệ thống cơng nghiệp (10%) 2.2.2.5 Phân tích mơmen trục động Hình thể thay đổi giá trị mômen trục động khoảng thời gian 30s, giá trị cực đại 2,0188.10-3N.m Việc tính tốn xác giá trị mơmen giúp cho việc tối ưu hóa vấn đề khí chế tạo máy điện (E-3) N.m -1 s -2 10 20 30 Thời gian Hình Mơmen trục động KẾT LUẬN Sử dụng phần mềm mô trường điện từ sở FEM cho phép xây dựng mơ hình mơ đánh giá tham số điện từ trường máy điện Thực mô động BLDC cho thấy phân bố ảnh hưởng từ trường nam châm vĩnh cửu trường hợp khác góc rotor Kết mô cho thấy giá trị lớn từ thơng xuất vị trí hai rãnh cuộn dây hai cực nam châm; giá trị lớn mật độ từ cảm xuất vị trí thân stator đối diện với nam châm rotor; từ trường khe hở khơng khí có phân bố dạng hình sin theo khơng gian; xuất sóng hài bậc lẻ lớn bậc xét thời điểm t=1s Các kết mô giúp đánh giá cho phép đưa giải pháp thiết kế, chế tạo nhằm tối ưu hóa nâng cao hiệu suất động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viet Phuong Bui ; O Chadebec ; L.-L Rouve ; J.-L Coulomb (2006), An Homogenised FEM Model to Predict the Stray Magnetic Field Created by Faulty Electrical Machines, 12th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation, Miami, USA 153 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 [2] [3] [4] [5] [6] Bozhidar Stoev and al (2017), Finite element analysis of rotating electrical machines - An educational approach, Global Engineering Education Conference, Athens, Greece IEEE Std 519-2014, IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, Viện kỹ thuật Điện - Điện tử S.J Salon (1990), Finite element analysis of electric machinery, IEEE Computer Applications in Power, Volume: 3, Issue: Stefanov Goce, Vasilija Sarac (2011), Calculation of Electromagnetic Fields in Electrical Machines using Finite Elements Method, International Journal of Engineering and Industries User’s guide Flux2D, 2006 SIMULATION OF ELECTROTROMAGNETIC FIELD IN DC MOTORS USING THE FINITE ELEMENT METHOD Nguyen Ngoc Van, Dang Viet Hung ABSTRACT The simulation of magnetic field distribution in electric machines enables people to evaluate the influence of device construction, device geometry and material parameters on machine performance Recently, computer-aided simulation programs based on the Finite Element Method (FEM) are effective, reliable and low-cost tools for supporting researchers, This paper aims to analyze and evaluate the impact of magnetic flux, flux density, Total Harmonic Distortion (THD) and moment through the simulation of a model of brushless direct current motor (BLDC) Keywords: FEM, magnetic field calculation, BLDC 154