(Đồ án) đồ án thiết kế thiết bị điện đề tài thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Anh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng 2019607198 Phạm Văn Khoa 2019607191 Lại Cao Quân 2019607016 Lớp: 20214EE6023001 Hà Nội, 2022 h BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN Số: 05 Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm 05 STT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đức Hoàng 2019607198 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Phạm Văn Khoa 2019607191 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Lại Cao Quân 2019607016 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Anh NỘI DUNG Đề tài: Thiết kế động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có cơng suất đầu trục Pđm = 750 w, có số rãnh 12 số cực 10, tốc độ định mức nđm = 600v/p, hiệu suất ŋ=0,8, Điện áp chiều Vdc=127 V YÊU CẦU THỰC HIỆN A Phần thuyết minh Tổng quan động đồng nam châm vĩnh cửu Tính tốn, thiết kế: ➢ Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn stato, rơto ➢ Thuật tốn thiết kế sơ động PMSM ➢ Kết tính tốn giải tích Mơ kết thiết kế động PMSM 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) h 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 A4 01 A4 01 từ stato, hình dạng nam châm rôto Sơ đồ lắp ráp động Ngày giao đề tài: 04/7/2022 Ngày hoàn thành: 22/8/2022 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Việt Anh h (BM01) PHIẾU HỌC TẬP NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm TT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đức Hoàng 2019607198 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Phạm Văn Khoa 2019607191 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Lại Cao Quân 2019607016 2019DHDIEN08 - ĐH K14 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có cơng suất đầu trục Pđm = 750 w, có số rãnh 12 số cực 10, tốc độ định mức nđm = 600v/p, hiệu suất ŋ=0,8, Điện áp chiều Vdc=127 V Yêu cầu thực hiện: Tổng quan động đồng nam châm vĩnh cửu Tính tốn, thiết kế: ➢ Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn stato, rơto ➢ Thuật toán thiết kế sơ động PMSM ➢ Kết tính tốn giải tích Mơ kết thiết kế động PMSM phần mềm Hoạt động sinh viên 2.1 Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan động đồng nam châm vĩnh cửu - 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 đồng nam châm vĩnh cửu - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Xây dựng quy trình thiết kế đồng nam châm vĩnh cửu, cách tính tốn mạch từ, dây quấn nam châm rôto h 2.3 Hoạt động Nội dung 3: Mô 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, nguyên liệu thực ĐAMH (nếu có): Máy tính cá nhân, vẽ h (BM02) KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm TT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đức Hoàng 2019607198 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Phạm Văn Khoa 2019607191 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Lại Cao Quân 2019607016 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Tiến độ thực hiện: Thiết kế động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có cơng suất đầu trục Pđm = 750 w, có số rãnh 12 số cực 10, tốc độ định mức nđm = 600v/p, hiệu suất ŋ=0,8, Điện áp chiều Vdc=127 V Người thực Nội dung cơng việc Phương pháp thực Nguyễn Đức Hồng Phạm Văn Khoa Chương 1: Tổng quan đồng nam châm vĩnh cửu Tìm hiểu tài liệu, viết báo cáo Chương 2: Tính tốn, thiết kế Lại Cao Qn - Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn Tìm hiểu tài liệu, viết báo cáo stato, rôto Chương 2: Tính tốn, thiết kế Nguyễn Đức Hồng - Thuật tốn thiết kế sơ động PMSM h Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết báo cáo Chương 2: Tính tốn, Tìm hiểu tài liệu, thiết thiết kế Phạm Văn Khoa - Kết tính tốn giải kế theo u cầu đề tài, viết báo cáo tích Tìm hiểu tài liệu, nhập Chương 3: Mô số liệu kỹ thuật cho Lại Cao Qn tính tốn, thiết kế chương trình, theo dõi Phạm Văn Khoa - Xác định kết trình chạy phần so sánh giải tích mềm xuất liệu kết Tổng hợp tất nội Nguyễn Đức Hồng Phạm Văn Khoa Lại Cao Qn Trình bày nội dung báo dung trao đổi, cáo ĐAMH thống nhóm kết đạt Ngày 04 tháng năm 2022 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN TS Nguyễn Việt Anh h (BM04) BÁO CÁO HỌC TẬP NHÓM Tên lớp: 20214EE6023001 Họ tên sinh viên: Nhóm TT Họ tên Mã SV Lớp Nguyễn Đức Hoàng 2019607198 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Phạm Văn Khoa 2019607191 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Lại Cao Quân 2019607016 2019DHDIEN08 - ĐH K14 Tên chủ đề: Thiết kế động động đồng nam châm vĩnh cửu Người thực Nguyễn Đức Hoàng Phạm Văn Khoa Nội dung công việc Chương 1: Tổng quan động đồng nam châm vĩnh cửu Kết Kiến nghị với đạt GVHD Bản báo cáo đồ án Khơng Chương 2: Tính tốn, thiết Lại Cao Qn kế Bản báo - Tính tốn kích thước mạch cáo đồ án Không từ, dây quấn stato, rôto Chương 2: Tính tốn, thiết Nguyễn Đức Hồng kế Bản báo - Thuật toán thiết kế sơ cáo đồ án Khơng động PMSM Chương 2: Tính tốn, thiết Phạm Văn Khoa kế - Kết tính tốn giải tích Lại Cao Qn Chương 3: Mơ tính h Bản báo cáo đồ án Bản báo Không Không Phạm Văn Khoa toán, thiết kế cáo đồ án - Xác định kết so sánh giải tích Nguyễn Đức Hồng Phạm Văn Khoa Lại Cao Quân Trình bày nội dung báo cáo Bản báo ĐAMH cáo đồ án Không Ngày 04 tháng năm 2022 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN TS.Nguyễn Việt Anh h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Giới thiệu động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Cấu tạo 1.1.3 Nguyên lý làm việc 1.1.4 Các loại nam châm vĩnh cửu phổ biến 1.2 Phân loại động PMSM 1.2.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPM) 1.2.2 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPM) 1.3 Ưu, nhược điểm động PMSM 10 1.4 Hệ thống truyền động động PMSM 11 1.5 Ứng dụng động PMSM 12 1.6 Kết luận 13 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ 14 2.1 Tính tốn tham số Stato 14 2.1.1 Đường kính ngồi (cm) lõi thép stato 14 2.1.2 Đường kính trịn lõi thép stator: 14 2.1.3 Bước cực 14 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Hình 1.5: Hệ thống truyền động động PMSM 1.5 Ứng dụng động PMSM Động PMSM trải dài nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, từ động bước cho đồng hồ đeo tay thông qua truyền động công nghiệp máy công cụ động lớn để đẩy tàu Trong ứng dụng hàng không vũ trụ, động PMSM cạnh tranh với số động đồng không chổi than khác, cụ thể cuộn cảm, chỉnh lưu quay cấu hình điện trở khác PMSM phổ biến ngành công nghiệp máy tính để giảm mức độ tiếng ồn, khả điều khiển tốc độ mơ men đập mạch xác, tính linh hoạt hình dạng Những người sử dụng máy PM lớn ngành công nghiệp ô tô; PMSM dường động điện đẩy tốt cho phương tiện giao thông đường hybrid Máy phát điện xoay chiều PM sử dụng ứng dụng ô tô nguồn điện phụ xe tải xe địa hình Các loại động servo PM sử dụng làm truyền động tốc độ thay đổi ứng dụng có thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao, hệ số công suất cao tiếng ồn thấp yêu cầu Các ứng dụng động phanh điện thủy lực điện, trợ lực lái số loại van điều khiển Mức 12 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM độ gợn mômen đập mạch thấp yêu cầu cho ứng dụng này, động phải làm việc tốc độ thấp với độ xác cao điều khiển tốc độ 1.6 Kết luận Nội dung chương chủ yếu tập trung giới thiệu cách tổng quan động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại động cơ, ưu nhược điểm, mơ tả hệ thống truyền động tính ứng dụng động đồng nam châm vĩnh cửu sống Nhằm giúp cho người đọc có nhìn khái quát động đồng nam châm vĩnh cửu, đồng thời để tạo điều kiện cho việc nghiên cứu chương sau 13 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ 2.1 Tính tốn tham số Stato 2.1.1 Đường kính ngồi (cm) lõi thép stato Dn = 14,9 Ps 1,56 = 14,9 = 5,71 (cm) B A. 0,5.150.0,9 (2.1) Trong đó: - Ps công suất biểu kiến (VA) Ps = Pdm 750 = = 1,56 (W) .cos  600.0,8 - Pdm công suất định mức  hiệu suất động -  tỷ số chiều dài lõi thép với bước cực = (2.2) t  = 0,8 − 1,5 Ta lấy  = 0,9 - A tải đường stato (A/cm) A = 150 (A/cm) - B : mật độ từ thông khe hở không khí (T) B = 0,5 (T) 2.1.2 Đường kính trịn lõi thép stator: D = k D Dn = 0,55.5,71 = 3,14 (cm) (2.3) Trong đó: k D hệ số kết cấu Ta lấy k D = 0,55 2.1.3 Bước cực =  D 2p = 3,14.3,14 = 0,99 2.5 14 h (2.4) Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Trong đó: p số cặp cực 2.1.4 Chiều dài lõi thép l = . = 0,9.0,99 = 0,891 (cm) (2.5) 2.1.5 Khe hở khơng khí (mm)  = 0,2 + D 314 = 0,2 + = 1,77 (mm) 200 200 (2.6) 2.1.6 Số rãnh Stato Z s = 2.m p.q (2.7) Với m số pha, q số rãnh cho pha cực từ 2.1.7 Số vòng dây pha U dm ke 108 Wf = 4.ks f  kdp (2.8) Trong đó: k s hệ số song, k s = 1,1 ke = U dm Edm Với: - U dm Edm điện áp định mức sức điện động điện mức -  từ thông khe hở khơng khí  =    l.B Với  hế số cung cực từ tính tốn  = 0,6 2.1.8 Số dẫn rãnh Us = Ws a q p (2.9) a số mạch nhánh song song 15 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM 2.1.9 Tiết diện dây quấn Ss = I dm a.J n!! (2.10) Trong đó: I dm dòng điện định mức J mật độ dòng điện, J = (A/mm ) n!! số sợi chập 2.2 Tính tốn tham số Rotor 2.2.1 Đường kính ngồi rotor Dr = D − 2. = 1,5 (2.11) 2.2.2 Chiều cao nam châm hm = Bg  (2.12) Bg − Br Trong đó: Bg mật độ từ thơng khe hở khơng khí Br mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu 2.2.3 Thể tích nam châm Vm = cv Pdm f Br H c (2.13) Trong đó: H c cực kháng từ (A/m) f tần số dòng điện stato cv hệ số thể tích nam châm 16 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM 2.2.4 Chiều cao nam châm hm = Vm 4.w m lm (2.14) 2.3 Thống kê kết tính tốn Bảng 2.1: Bảng tóm tắt thống kê kết tính tốn Tên thơng số Giá trị Đơn vị Đường kính ngồi stato 571 mm Đường kính stato 314 mm Khe hở khơng khí 1,77 mm Chiều dài mạch từ stato 100 mm Số rãnh stato 36 Chiều cao rãnh stato 14,7 mm Khoảng cách rãnh stato mm Độ rộng miệng rãnh stato 2,2 mm Số vòng dây 232 Số sợi chập Đường kính dây 0,75 mm Đường kính ngồi rotor 150 mm Đường kính rotor 85 mm Chiều rộng nam châm 60 mm 17 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Chiều cao nam châm 5,6 18 h mm Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 3.1 Mơ LSPMSM sử dụng MATLAB/Simulink Hình 3.1: Khối tính tốn mơmen Hình 3.2:Khối tính tốn dịng điện trục d-q 19 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Hình 3.3: Khối biến đổi Vabc sang Vdq Hình 3.4: Khối tính tốn dịng điện Id Ứng dụng Mathlab/Simulink để mơ đặc tínhlàm việc LSPMSM từ mơ hình tốn động mục Tổng hợp số module sử dụng q trình mơ hình 3.2 Ứng dụng mơ hình tốn với LSPMSM Trong báo này, ta không làm giảm tính tổng qt lựa chọn mơ động thử nghiệm 2,2 kW, pha, cực Trong đó, phần rơto cải tạo từ động cơkhơng đồng 2,2kW-3K112S4 Công ty Cổ phần chế tạo điện Hà Nội (hình 8) Các thơng số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm (điện cảmtản stato, điện cảm tản rơto quy đổi, điệm cảm đồng từhóa ngang trục, dọc trục…) tính tốn dựa cáccấu hình stato, rơto, kích thước vị trí đặt NCVC.Tổng kết lại, thông số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm xác định bảng 3.1 20 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Hình 3.5: Cấu tạo rôto LSPMSM thử nghiệm Bảng 3.1: Các thông số LMPMSM thử nghiệm Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính stato Dm 314 mm Số rãnh stato 36 Số rãnh roto 28 Chiều dài khe hở khơng khí  0,5 mm Tần số nguồn F 50 Hz Điện trở stato Rr 3,6  Điệm cảm tản stato Lls 13 mH Điện cảm tản lồng sóc roto quy đổi L1r 13,2 mH Điện cảm từ hóa đồng dọc trục Lmd 28,4 mH 21 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Điện cảm từ hóa đồng ngang trục Lmq 131 mHk Mật độ từ thông dư NCVC Br 1,1 T Momen quán tính roto động J 0,03 Kg m3 Momen tải định mức M dm 14 N.m Hình 3.6: Mơ LSPMSM với MATLAB/Simulink 22 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Hình 3.7: Các đặc tính mơ LSPMSM thử nghiệm 23 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM Ứng dụng MATLAB/Simulink với sơ đồ khối lập trình để mô LSPMSM 2,2kW thử nghiệm Các thông số LSPMSM thử nghiệm xác định bảng 3.1 Thông qua kết đặc tính làm việc, trình mơ cho phép đánh giá khảnăng làm việc động Cụ thể người sử dụng nghiên cứu đánh giá q trình biến đổi lượng, đặc tính làm việc (tốc độ, dịng điện, mơmen…) Đối với LSPMSM xác định khó khăn việc khởi động Như vậy, từ đặc tính tốc độ mơ thu đánh giá trình khởi động động cơ: khả năng, chất lượng khởi động, thời gian để động vào vận hành ổn định Sau mô LSPMSM thử nghiệm, đặc tính làm việc kết thể hình 3.7 Từ kết mơ phỏng, nhận thấy LSPMSM 2,2kW thử nghiệm có khả khởi động với mơmen tảiđặt giá trị định mức Thời gian khởi động động 0,6s sau vào ổn định Dịng điện cực đại imax khoảng 40A, bộisố dòng điện khởi động gấp 10 lần dòng điện định mức Từ đường đặc tính tốc độ mơ cho thấy LSPMSM khởi động khó khăn, q trình khởi động xuất nhiều đoạn giảm tốc (10 đoạn) 24 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM KẾT LUẬN KẾT LUẬN Nghiên cứu đưa mơ hình tốn mô LSPMSM với MATLAB/Simulink Các kết mô thu đặc tính LSPMSM q trình làm việc như: tốc độ, dịng điện, mơmen, độ trượt… Bên cạnh đó, báo trình bày so sánh kết thu với phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô động Kết cho thấy tương đồng Tuy nhiên mô LSPMSM với MATLAB/Simulink cho tốc độ tính tốn nhanh Từ kết nhận thấy mơ hình tốn mơ phỏngLSPMSM Matlab/Simulink công cụ hữu hiệu nghiên cứu ứng dụng động thực tế Với mô hình này, nhà thiết kế đánh giá sơ khả làm việc máy điện, từ có điều chỉnh cần thiết cho phù hợp Đối với nahf nghiên cứu, công cụ tiền đề sâu phân tích đặc tính, thơng số LSPMSM cần quan tâm, Ngồi ra, mơ hình tốn tảng để tích hợp sơ đồ điều khiển trình động ứng dụng khối điều 25 h Đồ án TKTBĐ Thiết kế động đồng PMSM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trường Đại học Điện Lực, Tạp chí khoa học cơng nghệ lượng, Hà Nội, 2018 [2] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh, Thiết kế máy điện, Hà Nội: Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 26 h