báo cáo môn nguyên lý biến đổi năng lượng đề bài tìm hiểu động cơ điện

Lịch sử hình thành và phát triển máy phát điện nam châm vĩnh cửu Trước khi từ tính và điện năng được khám phá, các máy phát điện đã sử dụng nguyên lý tĩnh điện.. Máy phát Van de Graaff đ

D KWH OQUOOCGIA HA NO!

TRUONG DAI HOC CONG NGHE

KHOA V ALi & KYY THUAT

_——————== [] -

BAO CAO MON:

y

‘AA

Ậ

i

Nguyén ly bién déi nang lwong (nhóm 8) mM

Đề bài: Tìm hiểu động cơ điện

| Giang vién: Phạm Đức Hạnh

Sink viên: Nguyễn Minh Tuấn - 19020781

Đỗ Trọng Tuan - 19020782

Nguyễn Đức Tân - 19020752

ô Thượng TRn>= T307 = ®T— ——1

Phạm Minh Tan - 19020754

Hà Nội, ngày 2 tháng 12 năm 2020

Mục lục

I THONG TIN

1 Lịch sử hình thành và phát triển máy phát điện nam châm vĩnh cửu

H Khái niệm

Ill Cau tao

a Động cơ điện nam châm vĩnh cửu cực lồi:

b Động cơ nam châm vĩnh cửu cực ấn

IV Nguyên lí

V Ché tao

a Xây dựng khung dây

VI Tạo mạch

VH Đặt nam châm

VIII Ứng dụng

IX — Tài liệu tham khảo

L THÔNG TIN

May phat điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng nguyên

lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp có thé là các động cơ tua bïn hơi, tua bi nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác Máy phát điện giữ một vai

trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện Nó thực hiện ba chức năng: phát điện,chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp

1 Lịch sử hình thành và phát triển máy phát điện nam châm vĩnh cửu

Trước khi từ tính và điện năng được khám phá, các máy phát điện đã sử dụng nguyên lý tĩnh điện Máy phát điện Wimshurst đã sử dụng cảm ung tinh điện Máy phát

Van de Graaff đã sử dụng một trong hai cơ câu sau:

+ Điện tích truyền từ điện cực có điện áp cao

- Điện tích tạo ra bởi sự ma sát

Máy phát tĩnh điện được sử dụng trong các thí nghiệm khoa học yêu cầu điện áp cao Do

sự khó khăn trong việc tạo cách điện cho các máy phát tạo điện áp cao, thế nên máy phát

tĩnh điện được chế tạo với công suất thấp và không bao giờ được sử dụng cho mục đích

phát điện thương mại

Máy phát điện Wimshurst

a/ Dia Faraday

Hinh anh dia Faraday

Vao nam 1831-1832 Michael Faraday da phat hiện ra rằng một chênh lệch điện thê được

tạo ra giữa hai đầu một vật dẫn điện mà nó chuyên động vuông góc với một từ trường Ông ta cũng đã chế tạo máy phát điện từ đầu tiên được gọi là "đĩa Faraday", nó dùng một đĩa bằng đồng quay giữa các cực của một nam châm hình móng ngựa Nó đã tạo ra một

điện áp DC nhỏ và dòng điện lớn

b/ Dynamo

May phat dynamo cua Hippolyte Prxii Dynamo la may phat dién đầu tiên có khả năng cung cấp điện năng cho công nghiệp Dynamo sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ đề biến đổi năng lượng quay cơ học thành

đòng điện xoay chiều Cấu tạo của dynamo bao gồm một kết cầu tĩnh mà nó tạo ra từ

trường mạnh và một cuộn dây quay Ở các máy phát dynamo nhỏ, từ trường được tạo ra bằng các nam châm vĩnh cữu, đối với các máy lớn, từ trường được tạo ra bằng các nam châm điện

Máy phát dynamo đầu tiên dựa trên nguyên lý Faraday được chế tạo vào năm 1832 do Hippolyte Pixii- một nhà ché tạo thiết bị đo lường Máy này đã sử dụng một nam châm vĩnh cửu được quay bằng một tay quay Nam châm quay được định vị sao cho cực Nam

và cực Bắc của nó đi ngang qua một mẫu sắt được quân bằng dây dẫn Pixii phát hiện rằng nam châm quay đã tạo ra một xung điện trong dây dẫn mỗi lần một cực đi ngang qua

cuộn dây Ngoài ra, các cực Bắc và Nam của nam châm đã tạo ra một đòng điện có chiều

ngược nhau Bằng cách bồ sung một bộ chuyên mạch, Pixii đã có thể biến đổi dòng điện

xoay chiều thành dòng điện một chiều

Không giống như đĩa Faraday, nhiều vòng dây được nỗi nối tiếp được sử dụng trong cuộn dây chuyên động của dynamo Điều này cho phép điện áp đầu cực của máy cao hơn so voi dia Faraday tao ra, do đó điện năng có thể phân phối ở mức điện áp thích hợp Mỗi quan hệ giữa chuyên động quay cơ học và dòng điện trong dynamo là quá trình thuận nghịch, nguyên lý về mô tơ điện đã được phát hiện khi người ta thấy rằng một máy dynamo có thê tạo ra cho một máy dynamo thứ hai quay nếu cấp dòng điện qua nó c/ Jedlik dynamo

May phat dién Jedlik dynam nguyén mau nam 1861

Nam 1827, Anyos Jedlik bắt đầu thử nghiệm với các thiết bị quay có từ tính mà

ông gọi là các rotor tự từ hóa Trong mẫu vật đầu tiên của một bộ khởi động đơn cực, (đã

được hoàn tất trong khoảng 1852 và 1854) cả phần tĩnh lẫn phần quay đều là nam châm điện Ông đã trình bày nguyên lý của dynamo ít nhất là 6 tháng trước Ernst Werner von Siemens và Charles Wheatstone Trên thực chất nguyên lý của nó là thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu thì dùng 2 nam châm điện đối xứng nhau để tạo ra từ trường bao xung quanh rotor

d/ Gramme dynamo

Chiếc máy phát điện một chiều Gramrne đynamo

Cả hai thiết kế trên đều tồn tại một vấn đề như nhau: Chúng tạo ra những xung dòng điện nhọn đầu không mong muốn Antonio Pacinotti, một nhà khoa học người Ý đã tìm cách

giải quyết vấn đề bằng cách thay các cuộn dây tròn bằng các cuộn dây hình xuyến, tạo ra bằng cách quần trên một vòng thép Như vậy luôn có một số vòng của cuộn dây sẽ thông qua từ trường, và làm cho điện áp, dòng điện có dạng phăng hơn.Zénobe Gramme đã thực hiện lại thiết kế này vài năm sau đó khi thiết kế một số nhà máy điện ở Paris trong thập niên 1870 Thiết kế này bây giờ được gọi là Gramme dynamo Những phiên bản khác nhau đã được phát triển, và chế tạo từ dây, nhưng nguyên lý cơ bản về những cuộn dây xếp theo vòng đã trờ thành trai tim của tất cả các dynamo hiện nay

IL Khai niém

Máy phát điện làm đi chuyên dòng điện nhưng không tạo ra điện tích Những điện tích này sẵn có trong trong phần dẫn điện của dây quần Một cách nào đấy, nó có thê ví với một cái bơm, tạo ra dòng nước chảy nhưng không tự tạo ra nước

Cũng có những máy phát điện kiều khác, dưa trên những hiện tượng điện tự nhiên khác như hiệu ứng áp điện, hiệu ứng từ thủy động Kết cấu của dynamo tương tự với các động

cơ điện, và các loại dynamo thông dụng đều có thê hoạt động như một động cơ

Ill Cau tao

Cầu tạo của máy phát điện nam châm vĩnh cửu cơ bản

Một máy phát điện hiện đại có cả cuộn dây chuyên động và cuộn dây tĩnh Tuy nhiên, trong máy phát điện xoay chiều, cuộn dây chuyển động, được gọi là rôto, sử dụng dong điện được cung cấp qua các vòng trượt dé tao ra trường chuyên động Công suất được trích ra từ các cuộn dây trường tĩnh

« Stato chứa sáu cuộn dây đồng đúc bằng nhựa sợi thủy tỉnh Nó được gắn vào cột sông

vả không di chuyên

« Các rôto nam châm được gắn trên các ô trục quay trên trục Có hai rôto: rôto phía sau phía sau stato và rôto phía trước ở bên ngoài, được nôi với nhau băng các đính tán dài đi

qua một lỗ trên stato

« Các lưỡi được gắn trên các định tán giống nhau Chúng sẽ điều khiển các rôto nam châm quay và di chuyên qua các cuộn dây Trong quá trình này, năng lượng điện được tạo

ra

« Bộ chỉnh lưu được gắn trên tắm nhôm & ldquo; tản nhiệt & rdquo; để giữ mát Dây đông chuyên điện năng tạo ra tới bộ chỉnh lưu, bộ chỉnh lưu này có tác dụng đôi điện

xoay chiêu thành điện một chiêu dé sac pin

“+ Cau tạo động cơ điện nam châm vĩnh cửu

⁄ J Cực N, S xen kẽ nhau

⁄ N ` Rôto lông sóc

Đĩa nam châm vĩnh cửu

(z I

- Động cơ có cực từ được tạo bởi nam châm vĩnh cửu làm bằng hợp km đặc biệt

- Cực từ có dạng cực lồi và đặt ở roto, sao cho cực bắc và cực nam của mỗi nam châm

xen kẽ nhau và hướng vào nhau như trong hình

- Khoảng cách giữa các cực có đồ nhôm kín

- Toàn bộ roto là 1 khối trụ

- Động cơ đồng bộ nói chung cũng như động cơ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiêu có phần cảm đặt ở roto và phan ứng là hệ dây quân 3 pha đặt ở

stator

- Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm được kích thích bằng những

phiên nam châm được bô trí trên bê mặt hoặc dưới bê mặt rotor

- Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm VD như samarium — cobalt (SmCO:-SmCO;) hoặc Neodymium-Ion-boron (NdFeb), là các nam châm có năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ

- Vì rotor không cần nguồn kích thích nên động cơ loại này có thể hoạt động mạnh mẽ và

đáng tin cậy hơn Những động cơ này có công suất từ 100w đến 100kw Momen tối đa của máy được thiết kế không vượt quá 150% momen định mức.Nếu máy hoạt động quá

momen max thì sẽ mắt tính đồng bộ và sẽ hoạt động như một động cơ cảm ứng hoặc

ngưng hoạt động

- Những động cơ này đa số là khởi động trực tiếp Công suất và hệ số công suất của mỗi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường tôt hơn 5 đên 10 lan động cơ từ trở tương

ứng

* Ưu điểm:

- Động cơ không có chéi than hoặc vành trượt trên rotor thi không sinh ra tia lửa điện

khi hoạt động, lúc này công việc bảo dưỡng chi than được bài trừ Những động cơ này

có thể kéo vào đồng bộ các tải có mức quán tính lớn hơn quán tính rotor của chúng nhiều lần

- Theo kết cầu của động cơ ta có thê chia động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thành 2 loại: Động cơ cực ân và động cơ cực lồi mà ta xét dưới đây có thể thấy rõ đặc điểm cầu tạo của từng loại máy này

a Động cơ điện nam châm vĩnh cửu cực lồi: gồm 2 phần chính là stator và rotor

- Stator:

+ Gồm lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

+ Dọc chiều dài của lõi thép stator cứ cách khoảng 3-6cm lại có l khoảng thông gió ngang trục rộng lŨmm

+ Léi thép stator được đặt cô định trong thân máy, thân máy phải được thiết kế sao cho

hình thành 1 hệ thống thông gió làm mát máy tốt nhất

-Ñofor:_

- Có tốc độ quay thấp, nên đường kính có thê lớn nhưng chiều dài lại nhỏ

- Thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ

- Các nam châm được gắn chim trong dia

- Cac loại máy này thường được gọi là máy từ trường hướng trục

- Thường được sử dụng trong kĩ thuật robot

10

b Động cơ nam châm vĩnh cửu cực ấn

- Stator: tuong tự như cực lồi

- Rofor:

+ Thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn bằng khối trụ sau đó gia công

phay rãnh đề đặt các thanh nam châm

+ Các thanh nam châm được đặt ân trong rotor nên có thê đạt được cấu trúc cơ học bền

vững hơn

+ Thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc

+ Tốc độ loại này thường cao nên dé han ché lye li tam roto thường có dạng hình tròn với

tỷ số “chiêu dà1/ đường kính “ lớn

Người fa thường tạo hình cho các nam châm , uốn nam châm lượn chéo theo trục roto, uôn rãnh và dây quân stato kết hợp với tính toán sô răng và kích thước của nam châm đê

11

giúp chuyên động được êm hơn Kỹ thuật tạo ra các roto xiên là khá đất tiền và phức tạp Trong điều kiện bình thường của truyền động secvo , nêu momen điều hòa răng cỡ

2% momen định mức thì có thê coi là chấp nhận được Tuy nhiên có thể hạn chế được đa

sô các momen điều hòa răng trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp

từ bộ biến đôi bằng cách sử dụng bộ biến đôi chất lượng cao và các bộ điều khiển có

chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điền , trên stator có các răng, ngày nay ta

có thê chế tạo stato không răng Trong trường hợp này dây quấn stato được chế tạo từ bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong stato Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở chế độ thấp và tôn thất sẽ giảm, tăng được không gian hơn cho dây quần statto nên có thê sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng định mức của máy điện do đó tăng được công suất của máy

Khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phái chế tạo roto có đường

kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có

nhiều kiêu roto khác nhau Dưới đây là 3 kiêu thường gặp trong thực tế:

IV Nguyên lí

Khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện từ trường quay với tốc độ ntt = 60p

trong đó

f- tân sô biên thiên của dòng điện,

p- Sô 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 này có giá frị 0 Để máy điện có thể làm việc được phải quay nam châm 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 động bộ thường mà ta đã nghiên cứu trước đây Do đó khởi động băng máy lai ngoài,

12

phương pháp này đắt tiền, cồng kènh nên rất ít khi sử dụng Phương pháp hay dùng nhất

đó là phương pháp khởi động dị bộ

Lúc này mới đặt tái lên động cơ Như vậy máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm

quay đồng bộ với từ trường quay, hoặc quay với toc độ đồng bộ

Hình 1.2- Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ

Phần cảm

13

V Ché tao

a, Xây dựng khung dây

Đây là công đoạn đầu tiên của quá trình chế tạo máy phát điện mini Phần xây dựng khung dây sẽ gôm 4 bước

Bước 1: Cắt bìa cứng

Bìa cứng sẽ đóng vai trò là khung hỗ trợ Dùng thước đo và cắt dải bìa cứng thành hình chữ nhật có chiêu dài 8cm, chiều rộng 30,4em Phân đơn này sau do sé duoc gap lai dé

tạo khung

Bước 2: Danh dau

Dùng thước đo đọc theo chiều dài tâm bìa Đánh dấu tắm bìa thành 4 điểm theo chiều

rong Điểm đầu tiên ở vị trí 8cm; điểm thứ hai vị trí I1,5cm; điểm thứ ba vị trí 19,5cm va điểm cuối cùng là 22,7em

Việc đánh dấu phân chia này sẽ tạo ra những phân đoạn 8cm; 3,5cm; 8cm; 3,2cm; 7,7cm Giữ nguyên và đừng cắt rời những đoạn này

Việc đánh dấu này có thể linh động miễn sao nam châm có thê di chuyên tự do bên trong

hộp

tongkhoamayphatdien.com

Bước 3: Gấp bìa cứng

Tiến hành gấp các tông dọc theo từng dấu đã điểm tạo thành khung hình chữ nhật Khung này sẽ chứa các thành phần của động cơ điện

Bước 4: Tạo trục kim loại qua khung để

Xuyên một chiếc đỉnh qua tâm giữa của khung bìa vừa tạo Hãy chắc chắn rằng bạn xuyên định qua cả ba miệng bìa cửng vừa gập vào giữa Bây giờ bạn có thê lắp một trục kim loại hoặc sử dụng luôn chiếc đỉnh này là trục động cơ điện

14