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

Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ truyền động có công suất nhỏ từ vài W đến vài chục W như trong cá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NAM CHÂM VĨNH CỬU

Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Việt Anh Sinh viên thực hiện : Hứa Trọng Khiêm

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN Số: 22

1 Tên lớp: 20211EE6023006 2 Họ và tên sinh viên: Nhóm 22

1 Trần Văn Cương 2018603949 2018DHDIEN03 - ĐH K13 2 Nguyễn Trường Giang 2018603940 2018DHDIEN03 - ĐH K13 3 Hứa Trọng Khiêm 2018604109 2018DHDIEN03 - ĐH K13

1 Tính toán kích thước chủ yếu 2 Tính toán stator, rotor

3 Thuật toán thiết kế sơ bộ động cơ PMSM 4 Kết quả tính toán giải tích

5 Kết quả mô phỏng động cơ PMSM

B Bản vẽ kỹ thuật

STT Tên bản vẽ Khổ giấy Số lượng

Chương 1: Sơ lược về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.1: Khái niệm về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu, là loại động cơ có dạng sóng hình thang Chính sức phản điện động có kết cấu dạng hình thang này mới chính là yếu tố quyết định để xác định được 1 động cơ BLDC Thay cho sự chuyển mạch dòng phần ứng giống như các động cơ một chiều thông thường sử dụng chổi than cổ góp thì động cơ BLDC lại sử dụng chuyển mạch điện từ

Hình 1:Máy phát điện sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu

Do đó, các cuộn dây của phần ứng đặt trên stator giúp cho pm motor dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây đi ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần Vì vậy, động cơ BLDC có mật độ công suất lớn hơn hẳn so với động cơ 1 chiều truyền thống Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ truyền động có công suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, các thiết bị văn phòng (máy in, máy scan, ) Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được chế tạo một cách đơn giản và có độ tin cậy cao hơn

1.2: Phân loai động cơ năm châm vĩnh cửu

Theo thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu gồm có 2 loại:

 Động cơ pm DC có kích từ bằng điện cùng với dải công suất lớn

 Động cơ pm DC với dải công suất nhỏ Theo kết cấu, động cơ pm DC có thể chia thành:

1.3 : Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ nam châm vĩnh cửu

1.3.1 : Cấu tạo pm motor

Stator của nam châm vĩnh cửu bên trong động cơ pm DC như đã được chỉ ra từ trong chính cái tên của động cơ DC: Cực trường của động cơ này thường được làm bằng 1 thanh nam châm vĩnh cửu Một động cơ pm DC sẽ bao gồm 2 phần, 1 stator và 1 armature

Ở đây, các stator chính là một xi lanh thép, còn các nam châm lại được gắn kết trong chu vi, tức là mặt trong của chiếc xi lanh này Các nam châm vĩnh cửu thường được gắn kết theo cách tương tự như đầu N và cực S của mỗi thanh nam châm được quay về mặt nạ của động cơ

Rotor của động cơ pm DC cũng có cấu tạo tương tự giống như động cơ DC khác Rôto hay là bộ phận của động cơ DC chạy bằng nam châm vĩnh cửu cũng bao gồm các phần như: cốt lõi, cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch Lõi gia cố của động cơ được làm bằng 1 lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa bằng thép Bằng cách cố định chặt các tấm thép tròn vào 1 chỗ, 1 chiếc lõi hình trụ có khe lúc này cũng được hình thành

Các tấm thép mỏng, có độ bóng và cách điện được sử dụng để làm giảm tổn hao của dòng điện dòng xoáy bên trong phần cố định của thiết bị động cơ DC nam châm vĩnh cửu Các khe này nằm ở ngoại vi phía mặt ngoài của chiếc lõi phần ứng dụng, chúng thường được sử dụng để làm dây dẫn cuộn dây cho phần vỏ ở trong đó

Các dây dẫn cuộn nối được kết nối theo cách thích hợp làm tăng cuộn dây phần ứng Các đầu cuối của cuộn dây được kết nối với các bộ phận chuyển mạch đặt trên trục động cơ

Giống như các động cơ DC khác, 1 lớp carbon hoặc than chì khác sẽ được đặt cùng với áp suất lò xo ở trên các phân đoạn của bộ phận chuyển mạch nhằm mục đích cung cấp dòng điện lên cho phần mềm

1.3.2 Nguyên lý làm việc

PMSM là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do đó hoạt động của nó như sau: khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện

dòng điện, p – số đôi cực Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình của mô men

vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ trường, lúc này mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0 Việc đưa nam châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thường mà ta đã nghiên cứu trước đây Do đó khởi động bằng máy lai ngoài, phương pháp này đắt tiền,

1.3.4 Những ưu nhược điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu DC hay còn gọi là động cơ pm DC hoạt động theo nguyên tắc của nam châm vĩnh cửu, dựa trên một thực tế là bất cứ khi nào một dây dẫn mang dòng điện hiện tại được đặt trong 1 từ trường thì sẽ có lực cơ học chạy qua dây dẫn đó Tất cả các loại động cơ DC thông thường chỉ hoạt động theo nguyên tắc này Do đó, để có thể xây dựng được 1 động cơ DC, chúng ta cần phải thiết lập 1 từ trường Từ trường vừa được thiết lập bằng các nam châm, còn nam châm có thể chọn bất kỳ loại nào, có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc loại khác Khi nam châm vĩnh cửu được chúng ta sử dụng để tạo ra từ trường trong động cơ DC thì động cơ sẽ được gọi là động cơ DC nam châm vĩnh cửu hoặc gọi tắt là động cơ pm DC

Ưu Điểm :

 Động cơ pm DC không cần sắp xếp để kích thích từ trường Đồng thời, không có công suất đầu vào của mạch tiêu thụ để giúp kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động cơ DC

 Động cơ pm DC không có cuộn dây từ trường, do vậy không gian dành cho cuộn dây trường được cũng sẽ được thu hẹp lại làm giảm kích thước của tổng thể động cơ

 Động cơ pm DC có mức chi phí rẻ hơn và tiết kiệm hơn cho dành cho các ứng dụng xếp hạng kW phân số

 Có mức chi phí rẻ và tiết kiệm

Nhược Điểm :

 Trong trường hợp này, có thể thấy được, động cơ DC sẽ không được bù lại, do đó cường độ từ trường của động cơ có thể bị suy yếu đi do phản ứng dị ứng có thể gây mài mờ

 Ngoài ra, động cơ pm DC còn có một cơ hội nhận được các cực từ bán dẫn vĩnh viễn (hoặc một phần) do dòng điện áp được tăng lên quá nhiều trong quá trình khởi động, làm đảo ngược dòng điện cũng như tình trạng quá tải của động cơ

 Một bất lợi lớn khác rất dễ thấy của động cơ pm DC là, từ trường trong khoảng cách không khí được xem là cố định và giới hạn nên nó không thể kiểm soát được từ bên ngoài Do đó, việc kiểm soát tốc độ của động cơ pm DC trong loại động cơ này là rất khó

Chương 2: Yêu cầu thiết kế và lựa chọn phương án kết cấu

2.1 : Yêu cầu

định mức nđm= 600v/p, hiệu suất n=0,8, điện áp một chiều Vdc=127V

ồn

2.2 : Phân tích các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và đưa ra lựa chọn

2.2.1 : Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

sơn cách điện được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lại 15 với nhau

hướng trục để đặt dây quấn Dọc chiều dài của lõi thép stator cư cách

thép stato được đặt cố định trong thân máy Thân máy phải được thiết kế

máy thường được chế tạo bằng gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc Dây

lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo qui luật nhất định

* Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên dường kính roto

này thường sử dụng trong kỹ thuật robot

Hình 1.10 động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

2.2.1 : Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

* Stator động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự như động cơ cực lồi

cao, được rèn bằng khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh

trúc cơ học bền vững hơn Kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm roto thường có dạng hình trrongs với tỷ số “chiều dài/ đường kính “ lớn Máy

này được gọi là máy từ trường hướng kính, nó thường được sử dụng trong

thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép roto về mặt vật lí coi là không

nam châm Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế

Hình 1.11 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

bình thường của truyền động secvo , nếu momen điều hòa răng cỡ 2% momen định mức thì có thể coi là chấp nhận được Tuy nhiên có thể hạn

bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi

nam châm vĩnh cửu kinh điển , trên stattor có các răng , ngày nay ta có

điện như vậy sẽ không đập mạch ở chế độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng được không gian hơn cho dây quấn statto nên có thể sử dụng dây quấn tiết

nhau Dưới đây là 3 kiểu thường gặp trong thực tế:

Hình 1.12 Các kiểu rotor máy điện đồng bộ cực ẩn

Động cơ nam châm cực ẩn (Interior -IPMSM) có những ưu điểm so với động cơ nam châm cực lồi (Surface-SPMSM) như: khả năng tạo ra mômen lớn hơn, cho phép tốc độ làm việc cao hơn, điều chỉnh từ thông được nhiều hơn, vì vậy sẽ có nhiều ưu điểm trong điều khiển Vì vậy sẽ chọn phương án kết cấu theo kiểu IPMSM (động cơ nam châm cực ẩn)

Chương 3: Tính toán các kích thước cơ bản

YÊU CẦU :Thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có

3.1 Tính toán tham số stator

Với m là số pha; q là số rãnh cho một pha dưới một cực từ

3.2 Tính toán tham số rotor

+ đường kính ngoài rotor

B là mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu + Thể tích của nam châm

3.3 Thông kê kết quả tính toán

Chương 4 : Mô phỏng động cơ PMSM 4.1 Mô phỏng LSPMSM sử dụng MATLAB/Simulink

Hình Khối tính toán mômen

Hình 5 Khối tính toán dòng điện trục d-q

Hình 6 Khối biến đổi Vabc sang Vdq

Hình 7 Khối tính toán dòng điện Idr

Ứng dụng Mathlab/Simulink để mô phỏng các đặc tính làm việc của

4.2 Ứng dụng mô hình toán với LSPMSM thử nghiệm

được cải tạo từ động cơ không đồng bộ 2,2kW-3K112S4 của Công ty Cổ

được tính toán dựa trên các cấu hình stato, rôto, kích thước và vị trí đặt các

xác định tại bảng 1

Hình 8 Cấu tạo rôto LSPMSM thử nghiệm Bảng 1 Các thông số của LSPMSM thử nghiệm

Mô phỏng LSPMSM với MATLAB/Simulink

Hình 9 Các đặc tính mô phỏng LSPMSM thử nghiệm

Ứng dụng MATLAB/Simulink với các sơ đồ khối được lập trình để mô

Cụ thể là người sử dụng có thể nghiên cứu và đánh giá các quá trình biến đổi

năng lượng, các đặc tính làm việc (tốc độ, dòng điện, mômen,…) Đối với

cơ: khả năng, chất lượng khởi động, thời gian để động cơ đi vào vận hành ổn định Sau khi mô phỏng LSPMSM thử nghiệm, các đặc tính làm việc kết quả được thể hiện ở hình 9

điện định mức Từ đường đặc tính tốc độ mô phỏng cũng cho thấy

đoạn giảm tốc (10 đoạn)

Hình 10 Chia lưới và mô phỏng đường đi của từ thông LSPMSM với ANSYS/Maxwell 2D

MATLAB/Simulink, nhóm cũng tiến hành mô phỏng LSPMSM thực

Đặc tính tốc độ khởi dộng thu được từ hai phương pháp mô phỏng sẽ so

Hình 11 Đặc tính tốc độ LSPMSM được mô phỏng với ANSYS/Maxwell 2D và MATLAB/Simulink

là tương đồng Cả hai phương pháp đều có đường đặc tính tốc độ với tải

độ đồng bộ (1.500 vg/ph) lần đầu LSPMSM trải qua 5 lần giảm tốc Tuy

phương pháp mô phỏng với ANSYS/Maxwell 2D

KẾT LUẬN

trượt,… Bên cạnh đó, bài báo cũng trình bày so sánh kết quả thu được với

cơ Kết quả cho thấy sự tương đồng Tuy nhiên mô phỏng LSPMSM với

trong các sơ đồ điều khiển quá trình khi động cơ ứng dụng trong các khối điều khiển