Mô phỏng các đặc tính động cơ không đồng bộ ba pha với Motor CAD

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MOTORCAD ................................1 1.1. Giới thiệu về phần mềm MotorCAD ..................................................................1 1.1.1. Lịch sử phát triển ..........................................................................................1 1.1.2. Giới thiệu về phần mềm MotorCAD...........................................................2 1.1.3. Khả năng mô phỏng......................................................................................3 1.1.4. Ứng dụng ......................................................................................................3 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG PHẦN MỀM MOTORCAD................5 2.1. Giới thiệu ứng dụng chuỗi phần mềm MOTORCAD trong mô phỏng số máy điện..............................................................................................................................5 2.2. Model E – Magnetics.........................................................................................16 2.2.1. Geometry ....................................................................................................16 2.2.2. Winding ......................................................................................................17 2.2.3. Input Data ...................................................................................................19 2.2.4. Calculation ..................................................................................................23 2.2.5. EMagnetics................................................................................................24 2.2.6. Output Data.................................................................................................26 2.2.7. Graphs.........................................................................................................26 2.2.8. Các công cụ khác ........................................................................................27 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 7.5kW ROTO LỒNG SÓC ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH.........28 3.1. Thông số của động cơ cần thiết kế.....................................................................28 3.2. Phân tích và hướng thiết kế................................................................................28 3.3. Vật liệu sử dụng trong thiết kế...........................................................................29 3.4. Thiết kế các thông số hình học cơ bản của động cơ ..........................................31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mô phỏng động cơ không đồng bộ 7.5kW CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VỚI PHẦN MỀM MOTORCAD...............................................................................................................................52 4.1. Hướng dẫn tạo project và nhập dữ liệu cần thiết vào phần mềm ANSYS MotorCAD ..........................................................................................................................52 4.1.1. Tạo project mô phỏng động cơ không đồng bộ..........................................52 4.1.2. Cài đặt dữ liệu chung ..................................................................................53 4.1.3. Cài đặt cấu tạo của Stator và Rotor ............................................................55 4.1.4. Cài đặt dây quấn .........................................................................................57 4.2. Mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha, roto lồng sóc 7.5kW với các thông số thiết kế sử dụng phần mềm MotorCAD...................................................................61 4.3. Kết luận, ứng dụng phần mềm trong việc hỗ trợ thiết kế động cơ.....................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................72 CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN..........................7

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Mô phỏng các đặc tính động cơ không đồng bộ ba pha

với Motor - CAD Người hướng dẫn : TS LÊ ANH TUẤN Nhóm sinh viên thực hiện:

MAI MINH TÙNG 2017600437 NGUYỄN MINH HIẾU 2017600710 BÙI VĂN QUANG 2017600461 NGUYỄN TẤT THÀNH 2017600345 CAO HỮU CƯƠNG 2017603391 Lớp : Điện 1 – K12 Khoa : Điện

Hà Nội, 05/2021

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Mô phỏng các đặc tính động cơ không đồng bộ ba pha

với Motor - CAD Người hướng dẫn : TS LÊ ANH TUẤN Nhóm sinh viên thực hiện:

MAI MINH TÙNG 2017600437 NGUYỄN MINH HIẾU 2017600710 BÙI VĂN QUANG 2017600461 NGUYỄN TẤT THÀNH 2017600345 CAO HỮU CƯƠNG 2017603391 Lớp : Điện 1 – K12 Khoa : Điện

Hà Nội, 05/2021

LỜI MỞ ĐẦU

Cuộc sống càng hiện đại, thì việc xuất hiện nhiều loại động cơ mới để đáp ứng chất lượng cuộc sống của người dân ngày càng tăng, tuy nhiên ưu thế của loại động cơ không đồng bộ vẫn là rất lớn trong nền kinh tế Là loại máy điện có kết cấu đơn giản,

dễ chế tạo, làm việc chắc chắn ít phải chăm sóc bảo dưỡng và giá thành thấp hơn nhiều

so với các loại động cơ khác có cùng công suất, do đó động cơ không đồng bộ là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Nổi bật hơn cả là động cơ không đồng

bộ roto lồng sóc công suất vừa và nhỏ Được sử dụng trong công nghiệp làm máy động lực, máy công cụ… trong nông nghiệp dùng làm động cơ bơm nước, dùng trong các lò sấy nông sản, trong các thiết bị dân dụng như quạt gió, thiết bị điện tử - điện lạnh

Ngày nay nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt, trong khi đó chưa tìm được năng lượng thay thế mới, việc sử dụng những nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang làm môi trường sống bị đe dọa nặng nề, như chúng ta thấy, đó là hiệu ứng nhà kính, thiên tai lũ lụt gia tăng trong những năm gần đây Vì vậy, giải pháp của thế giới là sử dụng tiết kiệm nguồn tài nguyên ít ỏi này sao cho đạt hiệu quả cao nhất Nhằm góp phần vào

nỗ lực bảo vệ môi trường sống Chúng ta phải làm sao để việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả nhất, với việc nghiên cứu chế tạo ra những hệ thống, thiết bị có hiệu suất cao

Là một sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, em nhận đề tài: “Mô phỏng các đặc tính động cơ không đồng bộ ba pha với Motor - CAD” để làm đồ án tốt nghiệp

Hiện nay có 2 phương pháp thiết kế máy điện đó là thiết kế trực tiếp và thiết kế thông thường Thiết kế trực tiếp tức là từ tính năng của máy, xác định các tham số và tham số quyết định kích thước hình học Đối với thiết kế thông thường ta chọn kích thước hình học trước rồi tính các tham số, sau đó kiểm nghiệm lại tính năng Nếu kiểm nghiệm không đạt thì chọn lại kích thước và tính lặp lại

Với phương pháp trực tiếp đòi hỏi có một số lượng thống kê rất lớn các số liệu kinh nghiệm về các sản phẩm hiện có làm cơ sở để tính toán Theo em, đối với một sinh viên nên học và thiết kế theo cách thông thường trước, để từ đó xây dựng được một tư duy thiết kế không quá phụ thuộc vào các hệ số kinh nghiệm Việc tính toán lặp lại nhiều lần có thể sử dụng sự hỗ trợ từ máy tính Nhằm tự xây dựng cho mình một cơ

sở dữ liệu để sau này sẽ phát triển và ứng dụng phương pháp thiết kế trực tiếp

Đối với thiết kế này em có sử dụng một phần mềm hỗ trợ thiết kế động cơ của phần mềm MOTOR CAD để thuận tiện cho việc tính toán tự động

Trong quá trình làm đồ án em đã được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô bộ môn Thiết bị điện, đặc biệt là tiến sĩ Lê Anh Tuấn cùng với sự nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế theo các chương sau:S

Chương I Tổng quan về phần mềm Ansys Motor-CAD

Chương II Phân tích các công cụ mô phỏng và khảo sát động cơ không đồng

bộ trong phần mềm Ansys Motor-CAD

Chương III Tính toán các thông số động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc để

mô phỏng và khảo sát đặc tính

Chương IV Mô phỏng đánh giá kết quả với phần mềm Ansys Motor-CAD

Do vừa tìm hiểu, vừa làm đồ trong một thời gian tương đối hạn chế, vì vậy đồ án này không tránh được những sai sót Em mong các thầy cô thông cảm và bỏ qua cho

em Em cũng rất mong muốn nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô trong bộ môn để em học hỏi và rút ra kinh nghiệm cho việc học tập công tác sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2021

Sinh viên

Mai Minh Tùng

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MOTOR-CAD 1

1.1 Giới thiệu về phần mềm Motor-CAD 1

1.1.1 Lịch sử phát triển 1

1.1.2 Giới thiệu về phần mềm Motor-CAD 2

1.1.3 Khả năng mô phỏng 3

1.1.4 Ứng dụng 3

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG PHẦN MỀM MOTOR-CAD 5

2.1 Giới thiệu ứng dụng chuỗi phần mềm MOTOR-CAD trong mô phỏng số máy điện 5

2.2 Model E – Magnetics 16

2.2.1 Geometry 16

2.2.2 Winding 17

2.2.3 Input Data 19

2.2.4 Calculation 23

2.2.5 E-Magnetics 24

2.2.6 Output Data 26

2.2.7 Graphs 26

2.2.8 Các công cụ khác 27

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 7.5kW ROTO LỒNG SÓC ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH 28

3.1 Thông số của động cơ cần thiết kế 28

3.2 Phân tích và hướng thiết kế 28

3.3 Vật liệu sử dụng trong thiết kế 29

3.4 Thiết kế các thông số hình học cơ bản của động cơ 31

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VỚI PHẦN MỀM

MOTOR-CAD 52

4.1 Hướng dẫn tạo project và nhập dữ liệu cần thiết vào phần mềm ANSYS Motor-CAD 52

4.1.1 Tạo project mô phỏng động cơ không đồng bộ 52

4.1.2 Cài đặt dữ liệu chung 53

4.1.3 Cài đặt cấu tạo của Stator và Rotor 55

4.1.4 Cài đặt dây quấn 57

4.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha, roto lồng sóc 7.5kW với các thông số thiết kế sử dụng phần mềm Motor-CAD 61

4.3 Kết luận, ứng dụng phần mềm trong việc hỗ trợ thiết kế động cơ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1.Khả năng của chuỗi phần mềm MOTOR CAD làm được 5

Hình 2.2.Interior PM machine design 7

Hình 2.3.Switched reluctance machine design 7

Hình 2.4.Linear winding layout 7

Hình 2.5.Radial winding pattern 7

Hình 2.6.Visualisation of oil spray cooling 8

Hình 2.7 Thermal network 8

Hình 2.8.Radial temperature distribution 8

Hình 2.9.Thermal transient solution 8

Hình 2.10.Fan cooled machine with cowling 9

Hình 2.11.Through ventilation with radial ducts 9

Hình 2.12.Water jacket with axial channels 9

Hình 2.13.Cross-Section Showing Axial Temperatures 10

Hình 2.14.Slot cross section for a concentrated winding 10

Hình 2.15.Thermal Resistance Network 10

Hình 2.16.Slot cross section for 10

Hình 2.17.Bản đồ hiệu quả được tính toán trong khu vực vận hành và tạo ra 11

Hình 2.18.Tổn thất được tính toán theo thời gian cho một chu kỳ 11

Hình 2.19.Đồ thị đường cong tốc độ / mô-men xoắn cực đại 13

Hình 2.20.Đồng giải quyết hành vi điện từ và nhiệt trong chu kỳ 14

Hình 2.21.Von Mises Stress in IPM rotor at maximum speed 15

Hình 3.1.Lưu đồ thiết kế động cơ 29

Hình 3.2.Sơ đồ dây quấn của stato 34

Hình 3.3.Quan hệ giữa hệ số bão hòa với hệ số cung cực từ và hệ số sóng 35

Hình 3.4.Kích thước cơ bản của rãnh quả lê 37

Hình 3.5.Kích thước rãnh roto 40

Hình 3.6.Mặt cắt ngang vòng ngắn mạch 41

Hình 4.1.Tốc độ của động cơ theo thời gian 65

Hình 4.2.Mômen của động cơ theo thời gian 65

Hình 4.3.Biến thiên dòng điện cuộn dây stato 66

Hình 4.4.Các loại tổn hao theo thời gian 67

Hình 4.5.Phân bố từ thông tại thời điểm 0,01s 68

Hình 4.6.Mật độ từ trường tại thời điểm 0,01s 68

Hình 4.7 Phân bố từ thông tại thời điểm 0,45s 69

Hình 4.8 Mật độ từ trường tại thời điểm 0,45s 69

Hình 4.9 Lưu đồ thiết kế động cơ khi có sự hỗ trợ của phần mềm 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Bảng giá trị đường cong từ hóa của sắt kỹ thuật điện 30

Bảng 3.2 Bảng tỉ lệ đường kính trong và đường kính ngoài stato 31

Bảng 3.3 Bảng bước rãnh theo cực 32

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp giá trị điện trở, điện kháng 48

Bảng 4.1 Bảng nhập, xuất dữ liệu của phần mềm Motor - CAD 61

Bảng 4.2 Bảng so sánh các đường đặc tính của động cơ giữa mô phỏng và thực tế 67

1

TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MOTOR-CAD

Trong vận hành, thiết kế động cơ thì các đặc tính của động cơ không đồng bộ là rất quan trọng và cái đặc tính này giúp người vận hành tránh lỗi trong quá trình vận hành , tuy nhiên đối với người sử dụng các đặc tính vận hành phải đo lường thực tế, nếu chúng ta mô phỏng được trên máy tính mà các thông số sát với thực tế, rút ngắn được thời gian chế tạo Việc ứng dụng phần mềm hiện đại( Motor – CAD) trong thiết

kế, khảo sát động cơ không đồng bộ, giúp sinh viên làm chủ bài toáncông nghệ Phần mềm này giúp người thiết kế khảo sát được các đặc tính của động cơ qua đó đánh giá

để có những điều chỉnh trong thiết kế Việc này sẽ làm giảm các bước trong quá trình thiết kế động cơ theo phương pháp truyền thống (chế tạo và thử nghiệm động cơ mẫu)

Giới thiệu về phần mềm Motor-CAD

Lịch sử phát triển

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:

Các nước trên thế giới đã sử dụng phần mềm Motor-CAD để thiết kế và phân tích các thiết bị điện 3-D, 2-D, bao gồm động cơ điện, cơ cấu truyền điện, máy biến

áp, cảm biến và cuộn dây

Motor-CAD có thể làm việc nhanh chóng, chính xác đó là việc ứng dụng phương pháp mô phỏng số - dựa trên nền tảng là phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) kết hợp với lý thuyết trường điện từ để nghiên cứu, ứng dụng trong lĩnh vực thiết kế máy điện nói chung Hầu hết ở các nước phát triển mạnh như Nga, Trung Quốc, Nhật, Hàn … đều có các diễn đàn về ứng dụng mô phỏng số và FEA

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài toán được mô

tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con, các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn là những vấn đề về trạng thái ổn định, hoặc chuyển phương

tố công nghệ chế tạo nên giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực tế sẽ có sai số Do

đó, trong phương pháp mới này vẫn rất cần kết hợp của phương pháp mô phỏng và kinh nghiệm chế tạo

Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Trong nước phần mềm Motor-CAD chưa được sử dụng phổ biến

Tại trường Đại học Công nghiệp Hà Nội thì phần mềm chưa được ứng dụng rộng rãi trong các môn học đặc biệt là các môn như: Máy điện, truyền động điện, đo lường và cảm biến Nhiều sinh viên chưa biết tới phần mềm Motor-CAD

Phần mềm này có thể áp dụng vào nhiều môn học như máy điện, truyền động điện, hệ thống điện, trang bị điện… nếu sử dụng phần mềm này việc tính toán diễn ra nhanh hơn không gặp sai sót và tiết kiệm được thời gian

Giới thiệu về phần mềm Motor-CAD

Motor-CAD là phần mềm thiết kế động cơ điện hàng đầu thế giới cho phép

mô phỏng đa trường vật lý của máy điện trên toàn bộ dải tốc độ - mô men xoắn.

Đánh giá các ý tưởng và các cấu trúc động cơ trên toàn bộ dải hoạt động và tạo

ra các thiết kế được tối ưu cho kích thước, hiệu năng và hiệu suất Bốn mô đun được tích hợp của phần mềm Motor-CAD – Emag, Therm, Lab và Mech – thực hiện tính toán đa trường vật lý một cách nhanh chóng và lặp lại, do đó bạn có thể đi từ ý tưởng đến thiết kế cuối cùng trong thời gian ngắn

Với chu kì phát triển ngày càng giảm, người thiết kế động cơ cần phải đưa ra các thiết kế nhanh chóng, và chắc chắn họ sẽ không đối mặt với các vấn đề sau này

3

Quy trình tính toán nhanh và nhập dữ liệu được sắp xếp hợp lý giúp người dùng Motor-CAD có thêm thời gian để khám phá các cấu trúc của động cơ và đánh giá đầy

đủ các tác động của các hiệu ứng tổn thất nâng cao ở giai đoạn đầu của thiết kế

Thiết lập dựa trên mẫu, trực quan của phần mềm Motor-CAD và các chuyên môn về đa vật lý được nhúng giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế, giảm sự phụ thuộc vào nhiều các nhóm kinh nghiệm riêng về điện từ, nhiệt hoặc cơ học - vì vậy các nhà thiết kế động cơ có thể kiểm soát nhiều hơn thiết kế của họ

Các mô phỏng có thể được hoàn thành trong vài giây do đó cho phép có nhiều thời gian và phạm vi để khám phá không gian thiết kế rộng rãi Ansys Motor-CAD cho phép các kỹ sư tạo ra các thiết kế động cơ điện và máy phát điện được tối ưu hóa để giúp đáp ứng kích thước, trọng lượng, hiệu quả năng lượng, chi phí và các thông số kỹ thuật khác

Để phân tích sâu và xác nhận thiết kế động cơ, mô hình Motor-CAD có thể được truyền tới Ansys Maxwell, Ansys Icepak và Ansys Fluent Việc kết hợp các bộ giải này với Motor-CAD mang lại khả năng phân tích 2D/3D có độ trung thực cao, cho phép người dùng phân tích các hiệu ứng cuối, khử từ, suy hao lõi, độ trễ và các hiện tượng điện từ tiên tiến khác, tính toán đường bao nhiệt cho hoạt động và thiết kế hệ thống làm mát động cơ hoàn chỉnh

Chu trình truyền động: Nhanh chóng tạo bản đồ hiệu suất và tổn thất, vẽ biểu

đồ đặc tính mô-men xoắn/tốc độ và phân tích hiệu năng của máy điện trong suốt các chu kỳ truyền động

Ứng dụng

- Ứng dụng mô phỏng từ trường trong động cơ BPM, IM, SRM, SYNRC, IM1PH, với các yêu cầu:

+Các yêu cầu về ngắn mạch như: Xác định điện cảm tản, suất điện động

- Giúp phân tích quá độ và phân tích nhiệt trong động cơ điện

- Áp dụng phân tích báo cáo tính toán phục vụ cho các môn học liên quan tới máy điện, tác động của từ trường, từ tĩnh

5

PHÂN TÍCH CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG PHẦN MỀM MOTOR-CAD Giới thiệu ứng dụng chuỗi phần mềm MOTOR-CAD trong mô phỏng số máy điện

Nhà phát triển Motor-CAD - công cụ hàng đầu thế giới về thiết kế và phân tích động cơ điện Cho phép phân tích điện từ, nhiệt và cơ học nhanh chóng và chính xác của máy điện trên toàn bộ hoạt động Được thiết kế và phát triển với sự cộng tác chặt chẽ của các nhà thiết kế máy điện chuyên nghiệp, chuyên môn kỹ thuật nhúng Hỗ trợ khách hàng tuyệt vời và phản hồi phản hồi của người dùng Phần mềm cho phép người dùng phân tích thiết kế trực tiếp trên máy tính, cung cấp một môi trường nền chung cho việc phát triển sản phẩm nhanh, hiệu quả với chi phí hợp lý, từ giai đoạn thiết kế ý tưởng cho đến giai đoạn thử nghiệm cuối cùng và kiểm nghiệm bằng thực tế

Hình 2.1.Khả năng của chuỗi phần mềm MOTOR CAD làm được

Các module được tích hợp trong phần mềm MOTOR CAD

Motor-CAD Therm là loại tính toán về nhiệt là công cụ tiêu chuẩn công nghiệp

để phân tích nhiệt của máy điện với hơn 20 năm kinh nghiệm sẵn có:

- Tính toán nhiệt độ của các thành phần động cơ ở trạng thái ổn định và điều kiện hoạt động thoáng qua

- Cho phép lập mô hình chính xác về hành vi nhiệt trong vòng vài giây sau khi tính toán

- Cho phép hiểu biết về các đường truyền nhiệt chính và cơ hội để cải thiện đáng

kể sản lượng

- Cho phép lặp lại và khám phá toàn bộ không gian thiết kế, cùng với phân tích điện từ; đảm bảo các quyết định thiết kế tối ưu

• TENV: Hoàn toàn kín không thông gió.Đối lưu tự nhiên từ nhà ở

• TEFC: Làm mát bằng quạt hoàn toàn kèm theo Đối lưu cưỡng bức từ nhà ở

• Thông qua hệ thống thông gió

• TE với không khí tuần hoàn bên trong

• Đường dẫn lưu thông không khí bên trong

• Vỏ bọc nước làm bộ trao đổi nhiệt

10

 Mạng lưới nhiệt

• Mạng lưới nhiệt và dòng chảy được tạo tự động

• Mạng 3D bao gồm truyền nhiệt xuyên tâm và dọc trục

• Hình dung chi tiết và tính toán mặt cắt rãnh

• CFD, FEA và mối tương quan thực nghiệm đằng sau tất cả các tính toán

Hình 2.13.Cross-Section Showing Axial

Temperatures Hình 2.14.Slot cross section for a concentrated winding

Hình 2.15.Thermal Resistance Network

Hình 2.16.Slot cross section for

11

 Dữ liệu sản xuất

• Mô hình nhiệt của máy điện có thể là một thách thức vì hành vi nhiệt bị ảnh hưởng đáng kể bởi các khía cạnh sản xuất

• Ví dụ về sự không chắc chắn trong sản xuất ảnh hưởng đến tăng nhiệt độ:

– Độ tốt của giao diện hiệu quả giữa stator và vỏ

– Giải pháp tốt khi cuộn dây được ngâm tẩm hoặc trong chậu

- Experience được tích hợp sẵn trong phần mềm để hỗ trợ người dùng lựa chọn các giá trị phù hợp

 Motor – CAD Lab

Motor – CAD Lab là motor –CAD thử nghiệm ảo có những đặc điểm sau:

• Bản đồ hiệu quả và tổn thất

• Đường cong tốc độ / mô-men xoắn cực đại

• Đường cong mô-men xoắn / tốc độ liên tục

• Phân tích chu kỳ nhiệm vụ

• Kiểm tra hở và đoản mạch

• Tự động áp dụng các chiến lược điều khiển mô-men xoắn / amp tối đa để tái tạo hiệu suất của máy với biến tần

• Các tính toán cần thiết để thiết kế và phân tích máy điều khiển biến tần với nhiều điều kiện hoạt động

Hình 2.17.Bản đồ hiệu quả được tính toán

trong khu vực vận hành và tạo ra

Hình 2.18.Tổn thất được tính toán theo thời gian cho một chu kỳ

• Kết hợp với bộ giải nhiệt để dự đoán EMag kết hợp và hành vi nhiệt

• Tất cả các bản đồ hiệu quả tính toán, chu kỳ nhiệm vụ, v.v có thể được tính bằng phút và do đó được sử dụng trong quá trình thiết kế lặp đi lặp lại

Giao diện xây dựng mô hình trong Phòng thí nghiệm Motor-CAD

Bề mặt phản ứng của tổn thất sắt so với cường tính

độ và góc hiện tại, được toán bằng bộ giải FEA

13

Hoạt động cao điểm và liên tục

• Máy móc thường được quy định về đặc tính hoạt động cao điểm và liên tục của chúng

• Đường cong đỉnh thường bị giới hạn bởi giới hạn dòng điện biến tần và điện áp liên kết DC

• Đường cong hoạt động liên tục thường bị giới hạn bởi cuộn dây và / hoặc nhiệt

• Điều này cho phép các kỹ sư thiết kế một máy với kích thước / chi phí tối thiểu

và tối ưu hóa thiết kế để đạt hiệu quả chu trình tối đa

Hình 2.19.Đồ thị đường cong tốc độ / mô-men xoắn cực đại

14

Hình 2.20.Đồng giải quyết hành vi điện từ và nhiệt trong chu kỳ

15

 Motor –CAD Mechanical

Motor –CAD Mechanical là module phân tích cho roto tốc độ cao dựa trên giải

pháp FE giúp kỹ sư Những tính năng chính:

 Tính toán ứng suất và chuyển vị trong roto trong suốt quá trình hoạt động

 Tối ưu thiết kế của roto để đạt hiệu suất điện từ lớn nhất trong các giới hạn về

cơ khí

 Cung cấp bộ giải 2D FE với chia lưới tự động

 Đảm bảo cấu hình bài toán chính xác

 Cung cấp các lời giải nhanh chóng trong vòng vài giây

 Cho phép các kỹ sư cân nhắc cân bằng hiệu suất Từ tính và Cơ học trong việc

tối ưu hóa thiết kế

Hình 2.21.Von Mises Stress in IPM rotor at maximum speed

16

Model E – Magnetics

E – Magnetics là chế độ mô phỏng điện từ dùng để tính toán các thông số như: mômen, công suất, dòng điện, hiệu suất, gợn sóng mômen quay, tổn hao (đồng, sắt và dòng điện xoáy), liên kết từ thông, điện cảm và lực

E – Magnetics bao gồm các công cụ tính toán như:

Geometry

Geometry là công cụ có chức năng thiết kế các thông số về hình học của động cơ như là số rãnh, chiều dài, kiểu rãnh,…trên 2 phương ngang và dọc

Công cụ này được chia làm 3 phần:

– Radial: Thiết kế theo phương cắt ngang trục

– Axial: Thiết kế theo phương cắt dọc trục

18

– Winding Pattern:Sơ đồ trải dây

– Winding Definition: Thiết kế thông số dây quấn

19

Input Data

Công cụ Input Data được sử dụng chủ yếu để nhập thông số đầu vào của vật liệu

Kèm theo 1 vài thông số về tính toán và hiển thị

– Materials: Chọn vật liệu và tính toán khối lượng động cơ

– Setting: Cài đặt 1 vài thông số tính toán và hiển thị

20 – Geometry

– E-Magnetics

21

– Calculation

– Graphs

22

– Losses

– Preferences

23

– Material database

Calculation

Công cụ Calculation là công cụ chính để tính toán và mô phỏng Các thông

số chính điện áp, tốc độ, tần số…đưa vào vào tại cảu sổ công cụ này Ngoài ra, Calculation còn có thể chọn công cụ tính toán Analynic (tính toán nhanh) hoặc FEA (tính toán chuyên sâu) và chọn hiển thị 1 số các đường đặc tính theo thời gian

24

E-Magnetics

Là công cụ hiển thị phân tích các tính toán số theo phương pháp FEA – FEA

25 – FEA Editor

– FEA Paths

27

Các công cụ khác

Ngoài các công cụ hỗ trợ thiết kế, khảo sát động cơ không đồng bộ mô phỏng điện từ đã được liệt kê và giới thiệu ở trên, Phần mềm Motor-CAD còn có các công cụ mô phỏng ở các chế độ mô phỏng khác như chế độ mô phỏng nhiệt, chế độ mô phỏng phòng thí nghiệm và chế độ mô phỏng về cơ khí Người dùng cũng có thể tùy biến mô phỏng các loại động cơ khác nhau như:

– BPM - mô hình máy cho động cơ nam châm vĩnh cửu không chổi than rôto bên trong và bên ngoài

– BPMOR - mô hình nhiệt cho động cơ nam châm vĩnh cửu không chổi than rôto bên ngoài

– SyncRel - mô hình máy cho động cơ điện trở đồng bộ rôto bên trong (đây

là mô hình được mô phỏng như một máy BPM không có nam châm) – IM1PH - kiểu máy cho máy cảm ứng

– SYNC - mô hình máy cho máy điện đồng bộ

– SRM - mô hình máy cho động cơ điện trở chuyển mạch rôto bên trong – PMDC - mô hình máy cho động cơ cổ góp DC nam châm vĩnh cửu

– CLAW-Therm - mô hình nhiệt cho máy móc cực

28

TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ 7.5kW ROTO LỒNG SÓC ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH

Thông số của động cơ cần thiết kế

Ta thiết kế một động cơ điện không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc với các thông

số cho như bên dưới:

- Công suất định mức đầu trục Pn=7.5kW

Phân tích và hướng thiết kế

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc ta thiết kế có công suất trung bình Như đã phân tích ở phần mở đầu, nhận thấy ưu điểm của việc thiết kế trực tiếp (Xác định thông số hình học sau đó mới tính toán các tham số, nếu không đạt thì làm lại), tuy công việc này sẽ mất nhiều thời gian hơn nhưng người thiết kế, đặc biệt là sinh viên sẽ học được nhiều điều từ kiểu thiết kế này Sự tính toán lặp lại có thể sử dụng sự

hỗ trợ của công cụ máy tính bằng cách lập trình Ở trong đồ án này em sử dụng công

cụ hỗ trợ là phần mềm Motor-CAD

Do thời gian không có hạn chế, và vốn kiến thức về cơ khí không có nhiều nên việc thiết kế động cơ còn thiếu rất nhiều, em chỉ tập trung thiết kế để ra được

- Kết cấu hình học của động cơ để ra được tham số, đặc tính của động cơ

- Tính toán nhiệt cho động cơ

- Chọn kết cấu cơ khí cơ bản để có được tổng lắp ráp

29

Hình 3.1.Lưu đồ thiết kế động cơ

Việc kiểm tra trong mỗi giai đoạn tùy vào kinh nghiệm của người thiết kế, độ chính xác của kết quả phụ thuộc nhiều vào việc đánh giá của người thiết kế

Vật liệu sử dụng trong thiết kế

a Vật liệu từ

Dùng sắt kỹ thuật điện với các giá trị của đường cong từ hóa cho trong bảng sau:

Bảng tiêu chuẩn dây đồng có đề cập trong phụ lục của đồ án

Vật liệu dẫn điện ở roto là nhôm nguyên chất có độ dẫn điện lớn, có điện trở suất tại nhiệt độ 20oC là:(pAl)20oC=3.1*10-8Ωm

c Vật liệu phụ

Băng cách điện, giấy cách điện rãnh, nêm…

Thiết kế các thông số hình học cơ bản của động cơ

Đường kính ngoài Stato D out

Theo bảng IV-TL [1]: Dãy công suất chiều cao tâm trục của động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc kiểu IP44 theo TCVN-1987-94 cách điện cấp B (tr.601-

TL [1]) với máy có 2p1=4 và Pn=7.5 kW thì chiều cao tâm trục h=132mm (Ký hiệu chiều dài là M)

Theo bảng 10.3 (tr.230 - TL [1]), với chiều cao tâm trục h=132 thì ta có đường

kính ngoài tiêu chuẩn D out = 225mm (Dãy 4A kiểu IP44) Đường kính ngoài tiêu

chuẩn có thể tùy vào tình hình sản xuất của nhà máy cũng như tiêu chuẩn của nhà máy, đối với đồ án này em dựa trên tiêu chuẩn trong sách “Thiết kế máy điện – Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh”

Đường kính trong Stato D is

Theo bảng kinh nghiệm tỉ lệ đường kính trong và đường kính ngoài stato (cho trong bảng 15.2 -TL [2]):

Bảng 3.2 Bảng tỉ lệ đường kính trong và đường kính ngoài stato

Bước rãnh trên Stato τ s

Chọn số rãnh của một pha dưới một cực sao cho q càng lớn càng tốt, nhưng

phải đảm bảo độ dày răng stato không quá nhỏ:

Đối với thiết kế này ta chọn q=3

Bước rãnh trên Stato

s

τ 109.95

τ = = =12.22mm

Xác định chiều dài khe hở không khí

Chiều dài khe hở không khí được tính theo công thức kinh nghiệm (Công thức 15.5-TL [2]) Với 2p1=2: g=0.1+0.012 Pn =0.1+0.012 7500=0.335mm 3 3

Việc chọn chiều dài khe hở không khí còn phụ thuộc vào trình độ công nghệ sản xuất Việc chọn khe hở không khí càng nhỏ càng tốt nhưng gia công, chế tạo sẽ rất

khó khăn Ở đây ta chọn g = 0.35 mm

Chiều dài của lõi sắt stato

Quan hệ giữa đường kính trong Stato và chiều dài lõi sắt Stato nó sẽ đặc trưng cho chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của máy Quan hệ này được biểu thị qua quan hệ giữa chiều dài lõi sắt stato với bước cực: