đồ án i tìm hiểu về main dimension của các loại máy điện quay và ứng dụng tính toán kích thước chủ yếu cho động cơ blac

Để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy củahệ thống điện và các thiết bị liên quan, việc nghiên cứu và tính toán các kíchthước chủ yếu của các loại động cơ là rất quan trọng.Trong bối cảnh nà

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Vũ Thanh

ĐiệnĐiện-Điện tử

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 1/2024

Lời cảm ơn

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu trong học kì 2023.1, được sự chỉ dẫn tậntình của thầy giáo, Tiến sĩ Nguyễn Vũ Thanh, cán bộ giảng dạy Bộ môn Thiết bịĐiện, thầy đã hỗ trợ, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đề tài Đồ án I Quanhững lần trao đổi với thầy, em đã học hỏi thêm được nhiều kiến thức bổ ích vànhững kinh nghiệm thực tiễn để giúp em hoàn thành đề tài này.

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn, các anh cùng trong nhóm thực hiệnđề tài Đồ án I Em xin chân thành cảm ơn anh Minh, anh Huy, anh Tình và bạnVinh trong nhóm đã sát cánh, chia sẻ, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đề tài.Cuối cùng, do hạn chế về mặt thời gian và kiến thức còn non yếu, nên chắc chắnbản báo cáo này vẫn còn tồn tại nhiều sai sót, em rất mong nhận được sự góp ývà chỉ bảo của thầy.

Tóm tắt nội dung báo cáo

Bài báo cáo này là kết quả của sự tổng hợp các phương pháp tính kích thước chủyếu (main dimension) của máy điện quay phổ biến hiện nay như : AFPM, BLDC,BLAC, PMSM,…từ các tài liệu máy điện nổi tiếng Tiếp đó là ứng dụng vào việctính toán kích thước chủ yếu của động cơ BLAC.

Sinh viên thực hiện: Mai Phạm Việt Hoàng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Ý nghĩa của nghiên cứu 1

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP CÁC PHƯƠNG PHÁP CHO CÁC LOẠI MÁY 22.1 AFPM – Axial Flux Permanent Machine (AFIR) 2

2.2 RFPM (Radial Flux Permanent-Magnet Motors) 3

2.3 Máy điện đồng bộ, máy điện 1 chiều 5

2.4 Động cơ 1 chiều nam châm có chổi than 8

2.5 Động cơ ba pha rotor lồng sóc 10

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CHO ĐỘNG CƠBLAC ……… 19

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, động cơ chiếm phần lớn trên toàn thế giới (khoảng 80%) và làmột thiết bị quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và hệ thống điện.Được sử dụng rộng rãi để biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học,động cơ chịu trách nhiệm cho việc chuyển động và hoạt động của nhiều thiết bịvà máy móc trong cuộc sống hàng ngày Để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy củahệ thống điện và các thiết bị liên quan, việc nghiên cứu và tính toán các kíchthước chủ yếu của các loại động cơ là rất quan trọng.

Trong bối cảnh này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các phương pháp tính toán kíchthước chính của các loại động cơ qua 6 tài liệu nổi tiếng trên thế giới:

Axial Flux Permanent Magnet Brushless MachinesIntroduction To AC Machine Design

Design Of Brushless Permanent-Magnet MachinesPermanent Magnet Motor Technology

Speed’s Electric Machines

Design Of Rotating Electrical Machines

Với mỗi tài liệu, chúng ta sẽ tìm hiểu về một vài loại máy điện có đề cậptrong đó, do thời gian có hạn nên không thể tìm hiểu và nghiên cứu được hết tấtcả các loại máy điện nên sau đây là các loại máy điện được nghiên cứu trong bảnbáo cáo này: AFPM (AFIR), RFPM, PMDC,…Sử dụng các định dạng văn bảntheo qui định

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu về các phương pháp tính toán cho các loại máy điện, ở đây là động cơquay.

Đưa ra các so sánh giữa sự giống và khác nhau giữa các tài liệu.1.3 Ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu này giúp chúng ta hiểu rõ hơn và các bước và các phương pháp tínhtoán thiết kế cho các loại động cơ để tiến tới mô phỏng tối ưu cho chúng Sự hiểubiết này có thể được áp dụng vào việc phát triển và cải tiến các hệ thống và thiếtbị sử dụng động cơ, từ máy phát điện đến các máy móc công nghiệp Ngoài ra,nghiên cứu này có thể giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực trong việc thửnghiệm, thiết kế và phát triển sản phẩm, giúp tăng cường sự cạnh tranh trong lĩnhvực công nghiệp và điện tử.

1

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP CÁC PHƯƠNG PHÁP CHO CÁC LOẠI MÁY2.1 AFPM – Axial Flux Permanent Machine (AFIR)

Loại máy này được đề cập trong tài liệu [1], tác giả đã chỉ ra các bước tính toánthông số của các kích thước chủ yếu dựa vào tải điện và tải từ Từ đó , tác giảđưa ra mối liên hệ giữa thể tích máy và công suất được coi là tỉ lệ thuận với nhau.Phương pháp tính toán của tác giả được trình bày như sau:

Tải từ được xác định:

Bavg=αiBmg (khi là sóng sin thì αi = 2/pi)

Bavg= 1πp−0

Bmgsin(pα)dα=2πBmgTrong đó, có mô-men xoắn trên một bán kính liên tục từ đến 𝑅𝑖 𝑅𝑜:

πm1IaN1kw 1ΦfDo phần tử bề mặt trên mỗi cực là ds=dS

2 p=2 πrdr

2 p nên từ thông trên mỗi bước cực là:

Bavg2 π2 prdr=

Sức điện động EMF gây ra trong cuộn dây stator bởi hệ thống kích thích rotor códạng:

Ef=π√2 f N1kw1Φf=π√2nspN1kw 1Φf=

8 nsN1kw 1αiBmgD2out(1−kd)

Bước 3:Ta có:

2

(n là số stator)Selm=nπ

32kw 1nsαiBmgAmDout

3 (1+kd)(1−kd)=n4π

kw 1nsαiBmgAmDout3

kDkw 1nsBmgAmηcosφ

Như vậy, với yêu cầu thiết kế đề bài cho Pout, hiệu suất, U, tốc độ thì ta dễ dàngcó thể tính toán được các kích thước dựa vào công thức liên hệ ở trên.

2.2 RFPM (Radial Flux Permanent-Magnet Motors)

Các phương pháp tính toán kích thước loại động cơ này được đề cập trong tàiliệu [3] và [5] Tương tự như tài liệu ở trên, tác giả đưa ra phương pháp tính toánkích thước chủ yếu dựa vào tải điện và tải từ Ngoài ra còn một phương phápkhác đề cập ở đây là tính toán thông qua tỉ lệ momen/thể tích rotor (TRV).Xác định tải điện:

A = Total ampere conductors−

Airgapcircumference = 2m T Iph

πD (A/m)m: số pha

I: giá trị hiệu dụng của dòng pha (A)

Tph: số vòng dây tác dụng trên một pha ( the number of turns in series per phase)D: đường kính khe hở không khí

Xác định tải từ (B: giá trị trung bình)ϕ =B × πDLstk

2 p (Wb)

Giá trị hiệu dụng của sức điện động khe hở không khí:2

12 wrT

Trong đó: k là hệ số dây quấn cơ bản.w1

3

Chứng minh:A = 2m T Iph

πD suy ra I = 2mTAπDph

ϕ =B × πDLstk

2 p

k T BDL f

pmEI=T.ω suy ra m×π

=T×2 πfP

suy ra π22√2×

kw 1BD2

2Lstkπ√2kw 1AB= T2T

cơ nhỏ kín hoàn toàn, nam châm ferrite)

Large liquid-cooled machines (e.g turbogenerators)(máy làm mát bằng chất lỏng lớn )

100 - 250 7 – 18

Bảng giá trị điển hình cho TRV và (Hoạt động liên tục)Tỉ lệ S: tỉ lệ đường kính stator và rotor để ước tính sơ bộ kích thước tổng thể bao gồm cả stato

- Với máy điện xoay chiều: A( )=A(pk).sin( ) và B( )=B(pk).sin( ) (cùng pha với nhau) thì mới có điều như sau: TRV = AB/√2

- Đối máy điện một chiều: TRV = 2AB Trong đó: A=Z.Ia /¿

.D ¿ với Z là số dây dẫn rôto, là số đường dẫn song song, Ia là dòng điện phần ứng vàD là đường kính phần ứng (rotor).

2.3 Máy điện đồng bộ, máy điện 1 chiều

Trong tài liệu [6] tác giả đã tính toán trên máy điện đồng bộ và máy điện mộtchiều, phương pháp tính toán được triển khai như sau.

Xác định kích thước chính thông qua quan hệ của công suất cơ đầu ra:Tải điện (giá trị hiệu dụng):

Tải từ (sử dụng B là giá trị đỉnh):

Ứng suất tiếp tuyến σ :Ftan

Momen T của rotor:

5

Giá trị hiệu dụng của sdd cảm ứng là:

Thay ω = 2p nsyn và từ thông đỉnh bên trên vào biểu thức tính S ta đượci

Biểu thức tính S có thể viết lại như sau (chú ý n ở đây có đơn vịIsynvòng/giây nên n = f/p):syn

Từ đó hằng số máy điện C được xác định như sau (đối với máy điệnđồng bộ)

Trong đó l’ là chiều dài tương đương của máy và A là giá trịRMS của mật độ dòng điện tuyến tính, tương ứng với cường độ từ trường tiếptuyến H trong khe hở không khítan

Trong máy điện một chiều, mật độ thông lượng khe hở không khí khôngphải là hình sin Ở thời điểm không tải, chúng ta có mật độ từ thông khe hởkhông khí Bδmax Đối với máy điện một chiều, công suất bên trong được xác định:

Kết hợp với công thức tính công suất biểu kiến khe hở không khí S ta có mốiiquan hệ sau

Kết hợp với công thức tính công suất cơ trên trục máy điện, ta có

Cân bằng các biểu thức rút ra được biểu thức sau

Như vậy đã có 1 phương trình của D và l’, giờ ta thêm 1 phương trình nữađể có thể tìm ra D và l’ (Main dimensions) Phương trình thứ hai dựa vào bảng6.5 dưới đây:

Bảng hệ số χ tỉ lệ giữa l và DTổng kết:

Tài liệu [3],[5],[6] đều nói về máy điện đồng bộ, một chiều và có thể gộp lạithành 1 phương pháp chính như sau:

Tốc độ: ωđb=ωp=

2 πfp (rad

s )

nđb=60 fp (vòng

s )

ωđb: vận tốc góc của từ trường quayω: tần số góc của hệ thống điệnf: tần số điện (hz)

p: số cặp cực

Máy điện đồng bộ xoay chiều:Tải điện: A = 2mNI

πD (A/m)Tải từ: ^Φ=αi^BπDL

2 p

7

Ứng suất tiếp tuyến: σFtan=^A ^Bcosφ2 =A ^Bcosφ

Lnsyn(có nsyn=f

Cmecnsyn (1)

χ =LDđược chọntheo từngloại máy(2)Từ (1) và (2) sẽ tìm được D và L

2.4 Động cơ 1 chiều nam châm có chổi than

Trong tài liệu [4], tác giả đưa ra phương pháp tính toán kích thước chủ yếu trên động cơ 1 chiều nam châm có chổi than Công thức xây dựng tỉ lệ giữa công suất đầu ra và thể tích được biến đổi từ tải điện và tải từ.

Mật độ từ thông khe hở không khí hay tải từ là:

Mật độ dòng điện trên dây phần ứng hay tải điện được xác định bằng số dây dẫnphần ứng N nhân với dòng điện trong 1 đường dẫn điện song song Ia/2a chia chochu vi phần ứng πD

Đối với động cơ 1 chiều rotor hình trụ, công suất điện từ:

Tỉ lệ:

8

Được gọi là hệ số đầu ra, Nó được biểu thị bằng N/m2 hoặc VAs/m3

Thông số kỹ thuật của máy sẽ gồm công suất đầu ra, hiệu suất và tốc độ n Côngsuất điện từ được tính bằng các công thức ở trên Việc chọn tải từ Bg và tải điệnA phù hợp sẽ tính được thể tích D2L i

Momen điện từ của 1 máy điện 1 chiều được tính bằng tải điện, tải từ như sau:

Tải điện A và tải từ Bg có liên quan tới ứng suất xé, tức là lực điện từ trên 1 đơnvị của toàn bộ bề mặt rotor:

9

Sau đó sẽ tính được hệ số đầu ra:

Từ đó xác định kích thước chủ yếu dựa vào hệ số đầu ra:

2.5 Động cơ ba pha rotor lồng sóc

Trong tài liệu [2], tác giả đã đưa ra 3 cách để tìm ra mối quan hệ giữa D và L:D^2*L, D^3*L, D^2.5*L

Φg là giá trị cực đại của từ thông đi qua khe hở trên mỗi cực.

Giá trị của từ thông khe hở trên mỗi cực:

10

Tải điện đỉnh stato

Thay các hệ số trên, thu được biểu thức sau đây cho công suất toàn phần tại khehở không khí:

Tần số của máy có thể liên hệ với tốc độ quay đồng bộ bằng

trong đó Ωs là tốc độ đồng bộ của máy tính bằng số vòng trên phút hoặc RPM VAgap = ( π

120 ) Ωs ( D le ) 2 is2 Bg1 s1KCông suất tại khe hở của máy được xác định bởi

cos gap là hệ số công suất được đo tại khe hở Tại trục đầu ra𝜙

𝜂gap là hiệu suất nhìn từ khe hở không khí, nghĩa là bao gồm tổn thất sắt và đồngcủa rôto và tổn thất tản

Pmech = ( π

120 ) Ωs ( D le ) 2

is2 Bg1 s1K 𝜂gap cos𝜙gap

Ks1: Mật độ dòng điện bề mặt bị giới hạn bởi tổn thất I R trong dây dẫn, hiệu2quả của môi trường làm mát và mức tăng nhiệt độ cho phép trong vật liệu cáchđiện.

Bg1: Mật độ từ thông bị giới hạn bởi điểm bão hòa của vật liệu được sử dụng, độtrễ và tổn hao dòng điện xoáy, tổn hao tải lạc và không tải cũng như hiệu quả củachất làm mát.

11

Ωs: Tốc độ đồng bộ quay tính bằng min−1.Nếu biểu diễn D^2*L qua T (momen xoắn rotor):Viết lại công thức Pmech ở trên:

Mômen xoắn là hàm của D2 có thể xác định bằng cách chia công suất cơ đầu raisle

cho tốc độ rôto:

Đại lượng (Ks1Bg1)⁄2 của phương trình biểu thị tích của mật độ dòng điện bềmặt hữu ích và mật độ từ thông khe hở không khí Ứng suất cắt từ có đơn vịPascal (Pa) Do đó, đại lượng này tương đương với áp suất và được gọi một cáchthích hợp là ứng suất cắt từ m𝜎

Biểu diễn lại momen xoắn và công suất cơ đầu ra theo ứng suất cắt:

12

Ứng suất cắt phụ thuộc vào mật độ từ thông tại khe hở không khí và mật độ dòngđiện bề mặt stato.

Có mối quan hệ giữa các đại lượng khe hở không khí, mật độ dòng điện trongmáy và mật độ từ thông.

Giá trị D2L từ phương trình chỉ ước tính đường kính khe hở không khí, khôngphải đường kính ngoài của máy.

Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh hệ số đầu ra dựa trên mật độdòng điện thực tế bên trong dây dẫn.

Nếu D , D , t và d biểu thị đường kính trong và ngoài của stato, isosscs

->Độ dày răng và chiều sâu lõi tương ứng như minh họa trong Hình 6.13, thì mậtđộ từ thông trong răng và lõi stato có thể được biểu thị bằng

Bts: Mật độ từ thông trong răngBcs: Mật độ từ thông trong lõi

Dữ liệu kích thước cho hình dạng rãnh StatorTrong đó :

kis : tỷ số giữa chiều dài thực tế của sắt stato li : chiều dài vật lí của lõi sắt

Φp : thông lượng trên mỗi cực, (6.4)Ngoài ra, từ phương trình (6.5)

13

Suy ra

Khi lấy tỷ lệ, có thể xác định được rằng

( l : chiều dài hiệu dụng của stato bao gồm cả viền do ống dẫn (m))eĐường kính ngoài của stato và độ sâu của rãnh có thể được xác định:

Chiều rộng khe và độ sâu lõi bằng

Tính toán theo b , b và d người ta thu được12s

14

Diện tích của rãnh(khe) stato xấp xỉ:

Chèn phương trình (6.48)–(6.50) vào phương trình (6.51) sẽ thu được một bậchai về số hạng về tỷ số đường kính trong và ngoài của stato đôi khi được gọi là tỷsố phân chia như sau:

Xét về mật độ từ thông trong khe hở không khí, mật độ dòng điện và diện tíchkhe, từ phương trình (6.54) =>

Bỏ qua thành phần thứ hai ở phía bên phải của phương trình (6.52), giải phươngtrình tìm giá trị S1As, và thay vào phương trình (6.57):

Điều này biểu thị một phương trình kích thước dựa trên D le Về mặt tốc độ cơos3học, từ phương trình (6.9)

Công suất đầu ra được tính theo phương trình

Trong đó gap là hiệu suất được đo tại khe hở không khí cos gap là hệ số công.𝜂 𝜃Phương trình (6.59) cũng có thể được viết dưới dạng công suất đầu ra:

Hoặc, từ phương trình 6.59:

Đơn giản hơn:

Đại lượng o được gọi là hệ số đầu ra của D L Số liệu trong dấu ngoặc vuông𝜉 0trong phương trình (6.62) rõ ràng quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế máy.Xác định o như sau:𝜉

Vi phân ta được:

16

Do đó,

Mật độ dòng bề mặt có liên quan đến mật độ dòng bằng cách

và, từ phương trình (6.52), bỏ qua 1𝛿

Giải tìm As và thay kết quả vào phương trình (6.67)

Vấn đề bây giờ là tìm Dis(opt) sao cho tối đa hóa

Với điều kiện ràng buộc

trong đó K s(max) là một giá trị tối đa được quy định cho mật độ dòng bề mặt.∗Vấn đề liên quan đến bất đẳng thức có thể được chuyển đổi thành vấn đề vớiràng buộc bằng phương pháp của đa thức Lagrange [6] Theo định dạng này, vấnđề là giải quyết

Thỏa mãn

17

và trong đó là hệ số Lagrange Phương trình (6.72) và (6.73) có thể được viết rõ𝜁ràng như sau:

Thỏa mãn

Nhân phương trình (6.75) với Dis tạo thành phương trình bậc hai,

mà có thể được giải quyết như sau

Giải phương trình (6.74) cho ,𝜁

Phương trình (6.85) có thể được viết là

Như vậy, qua 6 tài liệu trên, em có thể rút ra được các phương pháp xácđịnh kích thước chủ yếu đều dựa vào mối liên hệ giữa công suất đầu ra vàthể tích của động cơ Ta xây dựng mối liên hệ giữa thể tích và công suất đầura thông qua tải điện A và tải từ B, ngoài ra có thể tính toán theo ứng suấtxé hay các hệ số liên quan khác.

19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU ĐỘNG CƠ BLACCơ sơ thiết kế với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói chung vàđộng cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu nói riêng là dựa trên mốiquan hệ tỷ lệ thuận giữa công suất khe hở không khí (công suất điện từ) với thểtích của động cơ Cụ thể là, với công suất điện từ

2EfIfcosφCông suất đầu vào động cơ:

S¿=32UfIf= P¿

Pe= outkE

ηTừ đây ta suy ra được mô-men điện từ: (rpm)

Te= Pe

2 π60ω

Ta tiếp cận quan điểm thiết kế theo ứng suất xé trên bề mặt khe hở không khíσ Quan điểm này chỉ ra rằng mô-men điện từ sẽ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặtkhe hở không khí theo hệ số σ.

Te=2 σπDir2

L4Hệ số kinh nghiệm σ được xác định theo bảng sau:

Loại động cơ

Động cơ lớn làm mát bằng chất lỏng 50-125

Tỷ lệ giữa đường kính trong và chiều dài động cơ thể hiện qua hệ số hìnhdáng:

Khi đó, để tính toán đường kính trong, ta có thể áp dụng công thức cuối cùngsau:

Dir=3√2TeσπkhdĐường kính ngoài stator:

Dos=Dir−2 gĐường kính trong stator:

Air gap g [7] chọn từ 0.5-1mm với động cơ nhỏ, lớn hơn với động cơ to tr.117,nên để 1mm.

- Chọn ơ: 13k [7]- Cực: 22

- Công suất: 1,5 kW- Tốc độ: 0 - 74rpm- Tần số: 13.5 Hz

- Bội số momen khởi động (3-4) lần- Chọn Ke = 0.95 [8]

- Hiệu suất n: 76.4%

- Khe hở kk: g = 0.7mm – [8] ct-8.52- Chọn Bg: 0.95 – [8] ct.8.50

- Tph = 320 V/pha -> Uph = 380/sqrt(3) đấu hình sao- Chọn J = 5 A/mm^2

- Hệ số điền đầy k , = 0.4slot- Số nhánh song song ap = 1- Rãnh Ns = 21

- Khd = 0.2368Suy ra,

Pe= out∗0.95

0.764 =1865.18325 W

21