Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Bg T Mật độ từ thông khe hở không khí T Mật độ từ thông khe hở không khí tối ưu Bm T Mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm T Giá trị tính t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VŨ THANH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VŨ THANH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kĩ thuật điện

Mã số: 62520202

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS BÙI ĐÌNH TIẾU

2 TS PHẠM HÙNG PHI

HÀ NỘI – 2015

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tiêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

Nguyễn Vũ Thanh

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Bùi Đình Tiếu TS Phạm Hùng Phi

mô hình thực tế của mình

Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Phùng Anh Tuấn, TS Đặng Quốc Vương, TS Bùi Minh Định và ThS Hà Xuân Hòa đã luôn động viên và lắng nghe những trăn trở và thắc mắc mà tác giả gặp phải trong quá trình thực hiện luận án của mình

Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Văn Thịnh đã luôn động viên và chỉ bảo những kinh nghiệm quý giá của mình giúp cho tác giả vượt qua những quãng đường khó khăn trong nghiên cứu khoa học

T c giả trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Việt Hùng Viện trưởng Viện nghiên cứu quốc tế về khoa học k thuật t nh to n DASI đã tạo điều kiện thuận lợi cho ph p t c giả

sử dụng chương trình phần mềm Ansoft Maxwell 2D tại ph ng nghiên cứu của Viện để thực hiện bài to n mô phỏng FEM cho động cơ

T c giả trân trọng cảm ơn Th.S Lê Xuân Đại công t c tại Viện DASI thuộc trường Đại học B ch khoa Hà Nội Người đã hết l ng hỗ trợ t c giả trong việc triển khai thuật to n di truyền trong phần mềm Ansoft Maxwell 2D

Tác giả trân trọng cảm ơn Tập thể các thầy cô, các bạn đồng nghiệp của bộ môn Thiết

Bị Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung luận án của mình

Cuối cùng, tác giả thực sự cảm động và từ đ y l ng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Bậc sinh thành và người vợ yêu qu cùng c c con thân yêu đã luôn ở bên tác giả những

l c khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này

Tác giả luận án

Nguyễn Vũ Thanh

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 15

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 16

MỞ ĐẦU 19

1 CHƯ NG 1: TỔNG QUAN 22

1.1 So sánh giữa động cơ IM và động cơ LSPMSM 23

1.2 Mô hình hóa động cơ LSPMSM 25

1.3 Cấu tr c rotor động cơ LSPMSM 27

1.4 Thuật to n thiết kế 29

1.5 Các nghiên cứu hỗ trợ thiết kế 29

1.6 Tối ưu động cơ 33

1.7 Công cụ mô phỏng 33

1.8 Kết luận 34

2 CHƯ NG 2: M H NH LI N KẾT GIỮA M CH ĐIỆN – TỪ TRƯỜNG 36

2.1 Mô hình nam châm v nh cửu 36

2.2 Mô hình trường điện từ 37

2.2.1 Hệ tọa độ t nh 37

2.2.2 Hệ tọa độ động 38

2.3 Phương trình mạch điện 39

2.3.1 X t trường hợp thanh dẫn 39

2.3.2 Phương trình mạch điện – từ trường dây quấn stator 40

2.3.3 Phương trình mạch điện – từ trường thanh dẫn lồng sóc 43

2.4 Phương trình chuyển động 45

2.5 Xử l kết quả sau mô phỏng 46

2.5.1 T nh hiệu suất 46

2.5.1.1 Công suất đầu ra 46

2.5.1.2 Tổng tổn thất 46

2.5.2 T nh hệ số công suất cos 48

2.6 Mô phỏng động cơ LSPMSM 7,5kW 49

2.6.1 Về stator 49

2.6.2 Về dây quấn stator 50

2.6.3 Về rotor 50

2.6.4 Về nam châm v nh cửu 51

2.6.5 Điều kiện biên và chia lưới 51

2.6.5.1 Điều kiện biên 51

2.6.5.2 Thực hiện chia lưới 53

2.7 Kết quả mô phỏng động cơ LSPMSM 7,5kW 53

2.7.1 Mật độ từ thông và sức điện động cảm ứng 54

2.7.2 Hiệu năng ở qu trình qu độ 55

2.7.3 Hiệu năng ở qu trình x c lập 57

2.8 Kết luận 58

3 CHƯ NG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ Đ NG C LSPMSM 59

3.1 T nh to n mật độ từ thông điểm làm việc nam châm v nh cửu 59

3.1.1 Phân t ch mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc 59

3.1.2 X c định mật độ từ thông răng và gông của stator và rotor 61

3.1.2.1 Mật độ từ thông răng của stator và rotor 61

3.1.2.2 Mật độ từ thông gông stator và rotor 62

3.1.2.3 T nh to n mật độ từ thông nam châm v nh cửu tại điểm làm việc 62

3.1.2.4 Kết quả nghiên cứu 64

3.2 Khảo s t ảnh hưởng của k ch thước nam châm đến mật độ từ thông khe hở không kh 68

3.3 X c định điều kiện thiết kế để động cơ LSPMSM có hệ số cos 1 69

3.3.1 Điều kiện để động cơ có hệ số cos 1 69

3.3.2 Kết quả khảo s t 72

3.3.2.1 Kiểm tra điều kiện cos 1 73

3.3.2.2 T nh gi trị cos 74

3.4 Thuật to n thiết kế chi tiết động cơ LSPMSM 74

3.4.1 Thuật to n thiết kế điện từ động cơ LSPMSM 74

3.4.2 Thiết kế động cơ 7,5kW 81

3.5 Kết quả khảo s t thực nghiệm 81

3.5.1 Kết cấu động cơ thực nghiệm 82

3.5.2 Kết quả thực nghiệm 82

3.5.2.1 Hệ thống thực nghiệm 82

3.5.2.2 Sức điện động 83

3.5.2.3 Điện p và d ng điện 86

3.6 Kết luận 88

4 CHƯ NG 4: T I ƯU Đ NG C LSPMSM 7,5kW 90

4.1 Kh i qu t về tối ưu hóa 90

4.2 Phân loại 90

4.3 Phương ph p leo đồi và thuật to n di truyền 91

4.4 Tối ưu động cơ LSPMSM 7,5 kW 92

4.4.1 Nhiệm vụ tối ưu động cơ LSPMSM 93

4.4.2 Khởi tạo không gian tìm kiếm 94

4.4.3 C c ràng buộc dùng trong chương trình 95

4.5 Xây dựng mục tiêu và hàm chi ph tổng 95

4.5.1 Mục tiêu về hiệu suất 95

4.5.2 Mục tiêu về hệ số công suất cos 95

4.5.3 Mục tiêu về thể t ch nam châm 95

4.5.4 Hàm chi ph tổng 96

4.5.5 Lưu đồ thuật to n cho chương trình t nh tối ưu 97

4.5.5.1 Thế hệ ban đầu 97

4.5.5.2 Bước đ nh gi 98

4.5.5.3 Bước lựa chọn 99

4.5.5.4 Bước lai tạo và biến dị 99

4.5.5.5 Thế hệ tiếp theo 100

4.6 Kết quả chương trình tối ưu 101

4.7 Kiểm tra lại kết quả tối ưu 102

4.7.1 Mật độ từ thông và sức điện động cảm ứng 102

4.7.1 Hiệu năng ở qu trình qu độ 104

4.7.2 Hiệu năng ở qu trình x c lập 105

4.8 Kết luận 106

5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC C C C NG TR NH Đ C NG B CỦA LUẬN N 118

PHỤ LỤC 119

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Bg T Mật độ từ thông khe hở không khí

T Mật độ từ thông khe hở không khí tối ưu

Bm T Mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm

T Giá trị tính toán của mật độ từ thông nam châm

T Biên độ thành phần từ thông xoay chiều bậc 1

Bts T Mật độ từ thông răng stator

Btr T Mật độ từ thông răng rotor

Bsy T Mật độ từ thông gông stator

Bry T Mật độ từ thông gông rotor

Bs0 m Độ mở miệng rãnh stator hoặc rotor

Bs1 m Đường kính nhỏ rãnh stator hoặc đường kính lớn rãnh rotor

Bs2 m Đường kính lớn rãnh stator hoặc đường kính nhỏ rãnh rotor

btr m Chiều rộng răng rotor

bts m Chiều rộng răng stator

DAI-Labvol Hệ thống thu thập số liệu của hãng Labvol

D1 m Đường k nh đường tròn ngoại tiếp nam châm

Dlmax m Đường k nh đường tròn ngoại tiếp lớn nhất

Dnr m Đường kính ngoài rotor

dcd m Đường kính dây dẫn có kể đến c ch điện

E Vm-1 Cường độ điện trường

EMF Sức điện động

Enc V Sức điện động cảm ứng của nam châm

Fg A.v ng Sức từ động khe hở không khí

Ftr A.v ng Sức từ động răng rotor

Fts A.v ng Sức từ động răng stator

Fsy A.v ng Sức từ động gông stator

Fry A.v ng Sức từ động gông rotor

Gt1 kg Trọng lượng răng stator

Gy1 kg Trọng lượng gông stator

G2 Hàm mục tiêu về hệ số công suất cos

m Khe hở không kh tương đương theo trục d

ge m Độ rộng khe hở không khí hiệu quả

m Khe hở không kh tương đương theo trục q

Hci A/m Độ kháng từ nội

Hm A/m Cường độ từ trường của điểm làm việc nam châm

Htr A/m Cường độ từ trường răng rotor

Hts A/m Cường độ từ trường răng stator

Hsy A/m Cường độ từ trường gông stator

Hry A/m Cường độ từ trường gông rotor

Hs0 m Chiều cao miệng rãnh stator hoặc rotor

Hs2 m Chiều cao phần thẳng rãnh stator hoặc rotor

hry m Chiều cao gông rotor

hsl m Chiều cao toàn bộ rãnh stator

hsy m Chiều cao gông stator

Itj A D ng điện chạy qua thanh dẫn lồng sóc thứ j

[ ] A Ma trận d ng điện các thanh dẫn

[ ] A Ma trận d ng điện của c c đoạn ngắn mạch

Id A Thành phần d ng điện trục d

Iq A Thành phần d ng điện trục q

i(t) A D ng điện pha được tính bắt đầu từ thời điểm xác lập t1

If A Giá trị hiệu dụng của d ng điện pha

J A/mm2 Mật độ d ng điện

J1 A/mm2 Mật độ d ng điện stator

Jj A/mm2 Mật độ d ng điện của thanh dẫn thứ j

L m Chiều dầy cuộn dây theo hướng z

Lb m Chiều dài thanh dẫn lồng sóc

Lj m Chiều dài thanh dẫn thứ j

Ln H Điện cảm cuộn dây stator

Ls m Chiều dài tác dụng của lõi sắt stator

H Điện cảm vòng dây thứ j

Ltj m Chiều dài thanh dẫn lồng sóc thứ j

[ ] H Ma trận điện cảm của từng đoạn ngắn mạch

LSPMSM Động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực

tiếp từ lưới

lc m Chiều dài cuộn dây có t nh đến phần đầu nối

lmag m Chiều dài đường mạch từ

lle m Chiều dài phần đầu nối

lsy m Chiều dài gông stator

lts m Chiều cao răng stator

ltr m Chiều cao răng rotor

lry m Chiều dài gông rotor

O1 m Khoảng cách nam châm so với tâm trục

O1max m Khoảng cách nam châm lớn nhất so với tâm trục

Pc W Thành phần tổn thất do d ng điện xoáy gây ra

Pđm W Công suất định mức của động cơ

Pe W Thành phần tổn thất dị thường

PEIM Động cơ không đồng bộ cấp hiệu suất premium

Ph W Thành phần tổn thất do mắt trễ từ hóa B-H

PMSM Động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu

Pin W Công suất điện đầu vào

Pout W Công suất đầu ra trên trục động cơ

p10 W/kg Suất tổn hao của thép

Δpt1 W Tổn thất th p trên răng stator

Δpy1 W Tổn thất thép trên gông stator

(Rb)20 Ω Điện trở thanh dẫn rotor ở 200

C (Rb)75 Ω Điện trở thanh dẫn rotor ở 750

C (Re)20 Ω Điện trở vòng ngắn mạch rotor ở 200

C (Re)75 Ω Điện trở vòng ngắn mạch rotor ở 750

C

Rj Ω Điện trở một chiều trên thanh dẫn thứ j

Rlsj Ω Điện trở thanh dẫn lồng sóc thứ j

Ω Điện trở vòng dây thứ j

Ω Điện trở rotor quy đổi về phía stator

Rs Ω Điện trở pha cuộn dây stator

[ ] Ω Ma trận điện trở của từng đoạn ngắn mạch

( ) Ω Điện trở stator ứng với d ng điện một chiều ở nhiệt độ 750

C ( ) Ω Điện trở stator ứng với d ng điện một chiều ở nhiệt độ 200

C

S m2 Tiết diện hiệu quả của mạch từ

Sg m2 Diện tích khe hở không kh dưới 1 bước cực

Snc m2 Diện tích nam châm

Sr m2 Tiết diện hữu ích của rãnh

Sr1 m2 Tiết diện rãnh tính cả nêm

Sry m2 Diện tích gông rotor

Ssy m2 Diện tích gông stator

Std m2 Tiết diện thanh dẫn lồng sóc

Sv m2 Diện tích vành ngắn mạch

spmax Hệ số trượt ứng với momen cản lớn nhất

sj m2 Tiết điện ngang của thanh dẫn thứ j

svg m2 Tiết điện ngang của vòng dây

sd m2 Tiết diện dây dẫn

stj m2 Tiết diện ngang của thanh dẫn lồng sóc thứ j

t1 s Thời điểm bắt đầu tính thời gian xác lập

t2 s Thời điểm kết thúc khoảng thời gian xác lập

Uf V Giá trị hiệu dụng của điện áp pha

ur1 Thanh Số lượng thanh dẫn trong một rãnh

Vcu V Điện áp cảm ứng trên thanh dẫn

V Điện áp cảm ứng trên dây quấn pha stator

V Điện thế thanh dẫn với d ng điện đi vào

V Điện thế thanh dẫn với d ng điện đi ra

m3 Thể tích nam châm tối ưu

[ ] V Ma trận c c điện thế trên thanh dẫn

Vy V Thế tại điểm y

m Chiều rộng nam châm tối ưu

Wmmax m Chiều rộng nam châm lớn nhất

W1 vòng Số lượng vòng dây trên một pha dây quấn

Xb Ω Điện kháng tản thanh dẫn rotor

μ0 Tm/A Độ từ thẩm của không khí

Φ Wb Từ thông dưới một bước cực

Φg Wb Từ thông khe hở không khí

Φtr Wb Từ thông khe hở không kh đi qua răng rotor

Φts Wb Từ thông khe hở không kh đi qua răng stator

Φsy Wb Từ thông khe hở không kh đi qua gông stator

Φry Wb Từ thông khe hở không kh đi qua gông rotor

Wb Từ thông khe hở không kh dưới một bước răng stator

Wb Từ thông khe hở không kh dưới một bước răng rotor

Wb Một nửa từ thông khe hở không kh dưới 1 bước cực

εmin Hiệu suất động cơ nhỏ nhất

εmax Hiệu suất động cơ lớn nhất

ε1 Sai lệch của mục tiêu hiệu suất

ε2 Sai lệch của mục tiêu hệ số công suất

ε3 Sai lệch của mục tiêu thể tích

DANH MỤC CÁC BẢNG

B n 1.1 So s nh độ ch nh x c giữa c c công cụ FEM 34

B n 2.1 Thông số stator động cơ LSPMSM 7,5kW 49

B n 2.2 Thông số dây quấn stator động cơ LSPMSM 7,5kW 50

B n 2.3 Thông số rotor động cơ LSPMSM 7,5kW 50

B n 2.4 Thông số nam châm v nh cửu động cơ LSPMSM 7,5kW 51

B n 3.1 Kết quả phân t ch trong ba trường hợp của động cơ 2.2kW 64

B n 3.2 Kết quả so s nh giữa hai phương ph p của động cơ 2.2kW 65

B n 3.3 Thông số stator của động cơ LSPMSM 550W 72

B n 3.4 Thông số rãnh stator, dây quấn và rotor của động cơ LSPMSM 550W 72

B n 3.5 Thông số rãnh rotor của động cơ LSPMSM 550W 73

B n 3.6 Thông số nam châm của động cơ LSPMSM 550W 73

B n 3.7 Kết quả mô phỏng của động cơ LSPMSM 550W 73

B n 4.1 So s nh hiệu suất và cos 93

B n 4.2 Không gian tìm kiếm của c c biến tối ưu 94

B n 4.3 C c gi trị tối ưu gần nhất 101

B n .1 Thông số của nam châm NdFeB 45 128

B n .2 Mật độ từ thông trong động cơ 7,5kW 129

B n B.1 Kết quả đo đặc t nh B-H th p B50-A800 137

B n .1 Thông số stator của động cơ thử nghiệm 138

B n .2 Thông số dây quấn stator của động cơ thử nghiệm 139

B n .3 Thông số rotor động cơ thử nghiệm 139

B n .4 Thông số k ch thước và vị tr nam châm v nh cửu 139

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

ình 1.1 Mức hiệu suất định mức của động cơ LSPMSM thương mại 4 cực, 50Hz,

với cấp công suất từ 0,55 kW đến 7,5kW 23

ình 1.2 So s nh về hiệu suất và hệ số công suất giữa động cơ LSPMSM và IM 24

ình 1.3 Những cấu tr c rotor động cơ LSPMSM 27

ình 1.4 Cấu tr c rotor với thanh dẫn đối xứng a , không đối xứng b 29

ình 1.5 Đường cong Mordey 30

ình 1.6 So s nh về gi tương đối giữa động cơ IM và LSPMSM 35

ình 2.1 Đặc t nh khử từ của nam châm v nh cửu 36

ình 2.2 Mô hình một thanh dẫn a thanh dẫn, b mô hình thanh dẫn 40

ình 2.3 Mô hình một v ng dây 40

ình 2.4 Mô hình một cuộn dây 41

ình 2.5 Sơ đồ đấu dây ph a stator động cơ, a đấu , b đấu Y 42

ình 2.6 Sơ đồ tương đương lồng sóc động cơ 43

ình 2.7 C c đường đặc t nh tổn thất theo c c tần số kh c nhau từ 50Hz – 2000Hz của th p M800-50A hãng ThyssenKrupp Steel 48

ình 2.8 Kết cấu rãnh stator 49

ình 2.9 Kết cấu rãnh rotor a và k ch thước bố tr nam châm b 50

ình 2.10 Điều kiện biên Dirichlet của động cơ LSPMSM 51

ình 2.11 V dụ về điều kiện biên periodic 52

ình 2.12 V dụ về điều kiện biên anti-periodic 52

ình 2.13 Điều kiện biên anti-periodic dùng cho động cơ LSPMSM 52

ình 2.14 Chia lưới thô a , lưới mịn b cho động cơ LSPMSM 53

ình 2.15 Lưu đồ thực hiện chia lưới cho động cơ LSPMSM 53

ình 2.16 Dạng sóng mật độ từ thông tại khe hở không kh động cơ 54

ình 2.17 Phân t ch chuỗi Fourier của mật độ từ thông động cơ LSPMSM 7,5kW 54

ình 2.18 Dạng sóng sức điện động động cơ LSPMSM 7,5kW 54

ình 2.19 Dạng sóng mômen và tốc độ động cơ LSPMSM 7,5kW ở gi trị định mức 55 ình 2.20 Đặc t nh động mômen tải theo tốc độ 55

ình 2.21 Dạng sóng tổn thất sắt động cơ LSPMSM 7,5kW 56

ình 2.22 Dạng sóng tổn thất đồng stator động cơ LSPMSM 7,5kW 56

ình 2.23 Góc lệch pha giữa U và I của động cơ 7,5kW ở chế độ x c lập 57

ình 2.24 Công suất đầu ra trên trục động cơ LSPMSM 7,5kW 57

ình 3.1 Đường từ thông ch nh trong động cơ LSPMSM 59

ình 3.2 Thuật to n x c định mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm 63

ình 3.3 Kết cấu rãnh rotor a , rãnh stator b của động cơ 2,2kW 64

ình 3.4 Mật độ từ thông tại khe hở không kh trong trường hợp 1 65

ình 3.5 Phân t ch chuỗi Fourier trong trường hợp 1 Bg = 0,488 (T)) 66

ình 3.6 Mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm trong trường hợp 1 66

ình 3.7 Mật độ từ thông tại khe hở không kh trong trường hợp 2 66

ình 3.8 Phân t ch chuỗi Fourier trong trường hợp 2 Bg = 0,494 (T)) 66

ình 3.9 Mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm trong trường hợp 2 66

ình 3.10 Mật độ từ thông tại khe hở không kh trong trường hợp 3 67

ình 3.11 Phân t ch chuỗi Fourier trong trường hợp 3 Bg = 0,452 (T)) 67

ình 3.12 Mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm trong trường hợp 3 67

ình 3.13 Mật độ từ thông Bg khi thay đổi độ dầy nam châm 68

ình 3.14 Mật độ từ thông Bg khi thay đổi độ rộng nam châm 69

ình 3.15 Giản đồ vecto động cơ LSPMSM, khi Id > 0 70

ình 3.16 X c định U1cos và U1sin 70

ình 3.17 Giản đồ vecto động cơ LSPMSM, khi Id < 0 71

ình 3.18 K ch thước rãnh rotor 72

ình 3.19 Sơ đồ khối thuật to n thiết kế tổng thể 75

ình 3.20 Thuật to n thiết kế stator 76

ình 3.21 Thuật to n thiết kế rotor 77

ình 3.23 K ch thước cầu nối Wf khoảng c ch DB 78

ình 3.24 Thuật to n kiểm tra 79

ình 3.25 Thuật to n kiểm tra tiếp 80

ình 3.26 Hệ thống đo động cơ thực nghiệm 82

ình 3.27 Dạng sóng EMF đo b ng oscillo với mẫu 1 84

ình 3.28 Dạng sóng EMF thông qua mô hình liên kết mạch điện – từ trường 84

ình 3.29 Dạng sóng EMF đo b ng oscillo 85

ình 3.30 Dạng sóng EMF thông qua mô hình liên kết mạch điện – từ trường 85

ình 3.31 Dạng sóng điện p và d ng điện pha đo b ng oscillo với mẫu 1 86

ình 3.32 Dạng sóng điện p và d ng điện pha của mô hình liên kết mạch điện – từ trường 87

ình 3.33 Dạng sóng điện p và d ng điện pha đo b ng oscillo với mẫu 2 87

ình 3.34 Dạng sóng điện p và d ng điện pha thông qua mô hình 88

liên kết mạch điện – từ trường 88

ình 4.1 Thuật to n tối ưu động cơ LSPMSM 7,5kW 97

ình 4.2 V dụ về một c thể trong không gian tìm kiếm 98

ình 4.3 Phân bố c c gi trị tối ưu của động cơ LSPMSM 7,5kW 101

ình 4.4 So s nh mật độ từ thông khe hở không kh trước và sau khi tối ưu 102

ình 4.5 Phân t ch chuỗi Fourier mật độ từ thông khe hở không kh sau khi tối ưu 103

ình 4.6 So s nh sức điện động trước và sau khi tối ưu 103

ình 4.7 So s nh tốc độ trong qu trình khởi động trước và sau khi tối ưu 104

ình 4.8 So s nh momen động cơ trong qu trình khởi động trước và sau khi tối ưu 104 ình 4.9 So s nh d ng điện khởi động trước và sau khi tối ưu 105

ình 4.10 So s nh d ng điện x c lập trước và sau khi tối ưu 105

ình 4.11 Hiệu suất và hệ số công suất cos sau khi tối ưu 106

Hình A.1 Sơ đồ bố tr dây quấn hai lớp, bước ngắn 8 9 120

ình 2 Đặc t nh B-H của nam châm N45 128

ình 3 Cung cực từ động cơ LSPMSM 7,5kW 131

ình 4 Đặc t nh momen không đồng bộ t nh động cơ LSPMSM 7,5kW 133

ình 5 Đặc t nh mômen cản động cơ LSPMSM 7,5kW 134

ình 6 Đặc t nh mômen khởi động động cơ LSPMSM 7,5kW 135

ình 7 Đặc t nh góc mômen động cơ LSPMSM 7,5kW 135

ình B.1 Sơ đồ nguyên l đo đặc t nh B-H th p B50-A800 136

ình B.2 Hình ảnh đo thực nghiệm đặc t nh B-H 137

ình 1 Stator a , Rotor b , Bản v rotor c , Rotor sau khi lắp r p d 138

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Tiết kiệm điện là một trong những ưu tiên hàng đầu trong ph t triển kinh tế xã hội ở nước ta nói riêng và thế giới nói chung Ch nh vì thế việc nâng cao hiệu suất của c c hệ thống tiêu thụ điện hoặc c c thiết bị điện đơn l là hết sức cần thiết Trong số c c hệ thống tiêu thụ điện, truyền động điện chiếm phần lớn điện năng tiêu thụ Theo c c nghiên cứu [56, 57] thì phần điện năng tiêu thụ lớn nhất trong c c hệ thống truyền động điện kh c nhau lại xuất ph t từ c c loại động cơ điện được sử dụng

Điều này đặt ra vấn đề nâng cao hiệu suất cho động cơ điện, để giảm thiểu chi ph điện năng, b ng c ch thiết kế tối ưu những động cơ cũ hoặc thiết kế những động cơ theo công nghệ mới Một trong những công nghệ mới không chỉ đối với c c nhà chế tạo trong nước

mà c n cả với c c nhà chế tạo nước ngoài, được p dụng cho nghiên cứu chế tạo động cơ,

ch nh là động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu Do đó luận án „ hi n u thiết ế

t i u đ n đ n a pha na h v nh u là hết sức cần thiết trong bối cảnh

này

Mụ đí h

Nghiên cứu thuật toán thiết kế chế tạo hoàn chỉnh động cơ đồng bộ ba pha nam châm

v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện Từ đó thực hiện tối ưu để nâng cao hiệu suất, hệ

số công suất cos và giảm thể t ch của nam châm v nh cửu của động cơ chế tạo theo công nghệ mới này

Đ i t ợng và phạm vi nghiên c u

Đối tượng

Đối tượng nghiên cứu là động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp với lưới điện công nghiệp công suất đến 7,5kW Do động cơ không đồng bộ công suất nhỏ thường có hiệu suất và hệ số công suất tương đối nhỏ, khiến cho chúng không thích hợp với thị trường khi có c c quy định hạn chế có liên quan đến hiệu suất và tiết kiệm năng lượng [84]

Ở U

Nghiên cứu thiết kế tối ưu b ng thuật toán di truyền về k ch thước nam châm và độ rộng phần cầu nối để nâng cao hiệu suất động cơ vượt mức IE4, nâng cao hệ số công suất cos

và giảm thể t ch nam châm cho loại động cơ này

Ý n h a hoa học và thực tiễn của luận án

Nghiên cứu điều kiện để có thể kiểm tra thiết kế động cơ đồng bộ ba pha nam châm

v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện với hệ số công suất cosθ xấp xỉ một

Nghiên cứu thuật toán thiết kế chi tiết phần điện từ cho động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động từ lưới, với thiết kế nam châm gắn chìm cấu trúc vuông

Ý nghĩa th ti n

Ở Việt Nam, trong l nh vực sản xuất động cơ điện, ch ng ta đã biết đến nhiều loại động

cơ được nghiên cứu và triển khai sản xuất trong nước Tuy nhiên động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp với lưới điện chưa được nghiên cứu, sản xuất hoàn

chỉnh Vì vậy việc nghiên cứu và triển khai thiết kế với luận n Nghiên c u thiết ế t i

u đ n đ ng b ba pha na h v nh u” là hết sức cấp thiết, mở ra cho ngành

sản xuất động cơ điện trong nước có được cơ sở khoa học và thực tiễn về sản xuất động cơ điện đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu

5 Nâng cao được hiệu suất, hệ số công suất của động cơ LSPMSM 7,5kW vượt mức hiệu suất IE4 theo tiêu chuẩn IEC 60034-30, trong khi giảm được thể t ch nam châm, thông qua chương trình t nh tối ưu Ansoft Maxwell 2D

Chương 2: Mô hình liên kết giữa mạch điện – từ trường

Chương 3: Thiết kế điện từ động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu

Chương 4: Tối ưu động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu 7,5kW

Chương 5: Kết quả và bàn luận

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Tiêu thụ năng lượng thường niên trên thế giới tăng rất cao Phần lớn năng lượng này đến từ c c nguồn nhiên liệu thô 81 được cung cấp từ dầu mỏ, kh tự nhiên và than đ

C c nguồn nhiên liệu ch nh này đang bị tiêu thụ mạnh gây ra thiếu hụt nhiên liệu nghiêm trọng bên cạnh việc ô nhiễm không kh và nóng dần lên của tr i đất Do đó việc tiết kiệm nhiên liệu là vấn đề sống c n của con người hiện nay Phần lớn c c nguồn năng lượng

ch nh được chuyển đổi sang năng lượng điện với mức tiêu thụ 50 dành cho c c động cơ điện Vì thế động cơ điện đóng vai tr lớn trong việc ph t sinh kh CO2, v dụ Anh Quốc là

90 triệu tấn đối với riêng động cơ không đồng bộ, chiếm tới 17 tổng lượng ph t thải CO2

ra môi trường của nước này [19] Do đó việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ là một vấn đề thiết yếu để giảm tiêu thụ năng lượng và giảm ph t thải kh CO2 ra môi trường

Hiện nay động cơ không đồng bộ IM đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường, tuy nhiên việc nâng cao hiệu suất động cơ IM lên trên mức IE4 đang thực sự khó khăn [10], mặc dù ở Việt Nam cũng đã có c c Tiêu chuẩn quy định về hiệu suất năng lượng tối thiểu cho động cơ KĐB TCVN7540-1:2013, TCVN7540-2:2013) Một giải ph p thay thế cho động cơ này là động cơ nam châm v nh cửu (PMSM) hiệu suất cao do gi thành nam châm

v nh cửu giảm đ ng kể trong những năm gần đây Tuy nhiên động cơ PMSM lại cần có biến tần để điều khiển và khởi động, điều này trở nên không kinh tế đối với những ứng dụng không có nhu cầu điều khiển tốc độ chẳng hạn như c c tải quạt, m y bơm và m y n n

kh chiếm tới hơn 70 c c ứng dụng dùng động cơ điện Để khắc phục vấn đề này, động

cơ PMSM có gắn lồng sóc bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1955, c n được gọi là động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp với lưới điện (LSPMSM) Năm 1955, F W Merrill là người đầu tiên thiết kế động cơ LSPMSM [68] Thời điểm

đó nam châm được chế tạo từ hợp kim Alnico và Ferrit, nên chất lượng rất thấp và làm việc không ổn định, điều này khiến cho động cơ LSPMSM không được hiện thực hóa Mãi đến năm 1980, nam châm đất hiếm hiệu năng cao mới được ph t triển Loại vật liệu này đã

gi p cho việc hình thành nên rất nhiều c c nghiên cứu về động cơ PMSM và LSPMSM hiệu năng cao từ thời điểm đó Vào khoảng giữa những năm 1980, thì qu trình qu độ của động cơ LSPMSM bắt đầu được mô hình thông qua phương ph p giải t ch trên hệ trục qd0 Cuối những năm 1990 thì bài to n mô hình mạch điện đã có sự kết hợp với phương ph p FEM c n gọi là mô hình liên kết mạch điện – từ trường để giải bài to n qu độ và đ nh

gi hiệu năng x c lập trong động cơ LSPMSM Từ đó phương ph p phân t ch phần tử hữu hạn (FEA) liên tục được nghiên cứu và ph t triển Trong khoảng 10 đến 12 năm gần đây, vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm năng lượng cao đã ph t triển rất tốt gi thành giảm gi trung bình của nam châm đất hiếm NdFeB giảm hơn 40 từ năm 1998 đến năm 2003 [19] , tạo môi trường thuận lợi cho động cơ LSPMSM ph t triển và trở thành sản phẩm thương mại Việc này có được do nhận thức của kh ch hàng về hiệu suất cao và những vấn

đề nhậy cảm đối với môi trường

Hiện nay với cấp hiệu suất theo tiêu chuẩn IEC 60034-30 được phân chia từ IE1 đến IE5, trong đó cấp hiệu suất IE4 Super premium efficiency đã được định ngh a đầy đủ trong tiêu chuẩn, cấp IE5 Ultra premium efficiency vẫn chưa được định ngh a hoàn chỉnh

và chờ lần xuất bản kế tiếp của tiêu chuẩn này Hình 1.1 cho thấy động cơ thương mại LSPMSM với cấp công suất từ 0,55kW đến 7,5kW đều đạt được hiệu suất IE4, thậm ch ở

nh

( : [14])

1.1 So sánh giữa động cơ IM và động cơ LSPMSM

 iệu su t: C c tiêu chuẩn về hiệu suất cho thấy càng về sau hiệu suất của động cơ

càng được nâng cao hơn rất nhiều, theo [15] hiệu suất của động cơ trong thời gian tới đây có thể đạt mức IE5 việc này s rất khó khăn cho vật liệu cũng như công nghệ chế tạo động cơ IM Do đó để thực hiện được ở mức hiệu suất như trên đ i hỏi phải chuyển đổi sang một dạng công nghệ mới, v dụ như động cơ LSPMSM

Động cơ điện hiệu suất cao có thể dẫn đến giảm đ ng kể năng lượng tiêu thụ và đồng thời giảm t c động đến môi trường th c đẩy c c tiêu chuẩn quốc tế mới [16][17] C c tiêu chuẩn phân loại hiệu suất động cơ mới lên tới IE5 kể cả đối với

động cơ khởi động trực tiếp với lưới điện và động cơ kết hợp với bộ biến đổi công suất Động cơ PMSM đã chứng tỏ hiệu suất cao hơn đ ng kể so với động cơ IM, đặc biệt ở dải công suất thấp Ngoài ra, hệ số công suất cũng cao hơn và nhiệt độ làm việc m t hơn

Động cơ LSPMSM là động cơ lai với dây quấn ba pha phân bố trong c c rãnh stator tương tự với dây quấn động cơ IM , có rotor với lồng sóc nhôm và nam châm

v nh cửu gắn bên trong Tuy nhiên có thể khởi động và tăng tốc trực tiếp khi nối với lưới điện mà không cần đến bộ điều khiển Động cơ LSPMSM có mômen cao, làm việc với tốc độ đồng bộ cố định và phù hợp với c c phụ tải có mômen qu n t nh thấp

Do không có tổn thất nhiệt trên lồng sóc nhôm [32][10] trong khi đó thành phần này chiếm khoảng 20 tổng tổn thất của động cơ IM , ngoài ra tổn thất đồng trên dây quấn stator chiếm phân lượng lớn nhất trong tổng tổn thất của động cơ Thành phần tổn thất này trong động cơ LSPMSM cũng được giảm đ ng kể so với động cơ IM do giảm được d ng điện từ hóa của động cơ, giảm được d ng điện đầu vào của động cơ trên cơ sở nâng cao hệ số công suất cos, nâng cao được hiệu suất so với động cơ IM

có hiệu suất IE3 (Premium efficiency) và có khả năng đạt đến hiệu suất IE5 (Ultra premium efficiency) hình 1.1

 ệ s os: Hệ số cos của động cơ IM thấp dẫn đến giảm khả năng phân phối công suất của hệ thống điện Điều này dẫn đến tăng c c tổn thất trên đường dây truyền tải điện Hệ số cos thấp cũng gây ra tổn thất phụ trong động cơ IM Bên cạnh đó kh ch hàng phải trả thêm phụ ph để nâng cao hệ số cos nếu hệ số cos của họ thấp hơn tiêu chuẩn cho ph p Ngược lại động cơ LSPMSM có thể duy trì hệ số cos cao thậm ch xấp xỉ 1 với dải công suất làm việc rộng [79] (tham khảo thêm hình 1.2)

nh 1.2 ( : [17])

 n v tỉ lệ n su t tr n đ n vị thể tích: Do động cơ LSPMSM có sử dụng

nam châm, nên nói chung tỉ lệ công suất trên đơn vị thể tích và khả năng sinh mômen lớn hơn so với động cơ IM

 hiệt đ đ n : Nhiệt độ trong động cơ bị ảnh hưởng do tổn thất và tốc độ quay

Đối với động cơ LSPMSM do thành phần tổn thất trong rotor không có, nên nhiệt

độ của động cơ LSPMSM thường thấp hơn khoảng 30 so với động cơ IM cùng công suất Đây là lợi thế rất tốt để bảo vệ nam châm không bị khử từ do nhiệt độ [19]

Để chứng minh t nh ưu việt của động cơ LSPMSM đối với động cơ IM đã có nhiều nghiên cứu dưới nhiều hình thức kh c nhau, kết quả cho thấy hiệu suất và hệ số cos đều cao hơn W Fei trong nghiên cứu của mình [93] đã sửa đổi động cơ IM Y90S-4 thành động cơ LSPMSM với cấu tr c nam châm vuông gắn chìm Phần kết cấu stator giữ nguyên tuy nhiên có thay đổi k ch thước và số v ng dây để đảm bảo động cơ có thể đạt được hệ số công suất cos gần b ng một l c đầy tải Rotor và nam châm được thiết kế sao cho biên dạng của sức điện động không tải gần hình sin So với động cơ IM d ng điện thấp hơn 10%-20 , hiệu suất và hệ số công suất cao hơn

Rong-Jie Wang [72] trong nghiên cứu thiết kế của mình, cũng đã so s nh động cơ LSPMSM với động cơ không đồng bộ cấp hiệu suất Premium (PEIM) của hãng WEG, cùng c c điều kiện đầu vào như công suất, điện p, tần số c c chỉ tiêu về hiệu suất và cos đều tốt hơn so với động cơ PEIM

Yaxin Bao, X Feng [97][95][96] và c c t c giả kh c nghiên cứu động cơ 7,5 kW – 60Hz có cấu hình nam châm vuông, cho thấy khả năng đạt được cấp hiệu suất IE4 của động cơ LSPMSM, với hiệu suất cao hơn 2 đến 3 so với động cơ PEIM, cos đạt được mức xấp xỉ 1

Marcic [80] cùng c c t c giả kh c khảo s t chi tiết so s nh giữa động cơ IM và LSPMSM dùng với m y n n kh nửa hở, với c c cấp công suất từ 1Hp đến 20Hp C c động cơ LSPMSM đều cho hiệu suất cao hơn, hệ số cos cũng cao hơn

1.2 Mô hình hóa động cơ LSPMSM

Phương ph p phân t ch truyền thống với mô hình giải t ch thông số tập trung dùng để nghiên cứu động cơ LSPMSM bắt đầu từ giữa những năm 1980 P W Huang đã mô hình hóa giải t ch cho hai loại động cơ LSPMSM với rotor gắn chìm và rotor gắn bề mặt [64] Loại gắn chìm có cấu tr c hình tr n Đối với loại gắn chìm, mômen đập mạch nhỏ hơn,

qu trình khởi động tốt hơn, mômen không đồng bộ lớn hơn, hiệu suất lớn hơn Đối với loại gắn bề mặt, gi trị Bg lớn hơn, khả năng chịu tải lớn đột ngột tốt hơn

Yun Hyun Cho [45] mô hình hóa động cơ LSPMSM b ng phương ph p giải t ch với phụ tải bơm nước Kết quả so s nh cho thấy hiệu suất cao hơn động IM hiệu suất cao Rabbi đã nghiên cứu qu trình động của động cơ LSPMSM với mô hình giải t ch [66] kết hợp với hệ thống bơm nước, gồm bơm li tâm và bơm pittong Kết quả khảo s t b ng Matlab cho thấy động cơ có khả năng khởi động và đồng bộ tốt và có khả năng duy trì tốc

độ đồng bộ khi tải thay đổi, có khả năng thay thế tốt động cơ IM trong c c hệ thống bơm

J M Lee thực hiện mô hình hóa động cơ LSPMSM dưới dạng giải t ch [46], so s nh đặc t nh khởi động của động cơ cực ẩn và cực lồi Mômen động cơ LSPMSM thường là sự kết hợp của ba thành phần mômen: mômen lồng sóc, mômen cản và mômen phản kh ng Đối với cực lồi, do sự kh c biệt giữa điện kh ng dọc trục và điện kh ng ngang trục nên tạo

Mặc dù với c c mô hình giải t ch, chế độ hoạt động qu độ và x c lập của động cơ LSPMSM có thể mô phỏng với thời gian kh nhanh và không mất nhiều thời gian mô phỏng [35][63] Tuy nhiên để có thể mô phỏng ch nh x c, buộc ch ng ta phải đ nh gi được ch nh x c c c tham số của động cơ như: Điện kh ng đồng bộ qu độ và siêu qu độ,

h ng số thời gian qu độ và siêu qu độ cho hai thành phần dọc trục và ngang trục Những tham số này thường được x c định thông qua thực nghiệm c n với phương ph p giải t ch thì rất khó để có thể thực hiện được

Để giải quyết vấn đề này động cơ LSPMSM được mô phỏng theo mô hình liên kết giữa mạch điện – từ trường Mô hình này kết hợp giữa FEA và mô hình mạch điện Từ đó động

cơ LSPMSM có thể mô phỏng với độ ch nh x c cao mà không cần phải x c định tham số

b ng thực nghiệm Có thể thấy r điều này thông qua c c bài b o, Kazumi Kurihara [51] sử dụng mô hình liên kết để mô phỏng động cơ LSPMSM ở chế độ động và chế độ t nh Bài

b o cho thấy với cùng một k ch thước của động cơ IM, t c giả đã dựa vào đường cong Modey của động cơ này để tìm ra gi trị điện p không tải ứng với cos xấp xỉ 1 làm điện

p định mức 140V cho động cơ LSPMSM Kết quả cho thấy hiệu suất cũng như cos đều cao hơn so với động cơ IM ở cấp điện p 200V

Nedelcu [61] sử dụng mô hình liên kết để mô phỏng động cơ LSPMSM với cấu tr c nam châm gắn hình tr n ở chế độ động và chế độ t nh Kết hợp giữa mô hình mạch và mô hình trường để giải phương trình vi phân đạo hàm riêng với hai biến là vecto từ thế A và mật độ d ng điện J Nam châm dầy qu trình khởi động chậm Chu vi nam châm lớn thời gian khởi động chậm, thậm ch không khởi động được Độ rộng miệng rãnh rotor có ảnh hưởng nhỏ đến qu trình khởi động Chiều cao miệng rãnh trung bình có qu trình khởi động tốt

İlhan Tarımer [36] sử dụng mô hình liên kết để mô phỏng động cơ LSPMSM với phần mềm Ansoft RMxprt Bài b o khảo s t rotor với c c cấu tr c gắn nam châm kh c nhau Với kiểu nam châm gắn hình vuông cho ta gi trị về hiệu suất và cos chấp nhận được, hơn nữa công nghệ chế tạo cũng đơn giản hơn nên được lựa chọn để chế tạo thành c c động cơ thương mại

Tongshan Diao [89] sử dụng mô hình liên kết với phần mềm Ansoft Maxwell để mô phỏng động cơ LSPMSM có nam châm cong gắn chìm trong rotor Kết quả cho thấy động

cơ 22kW vào đồng bộ sau khoảng 0,36s

Takahashi [82] sử dụng mô hình liên kết để mô hình hóa động cơ LSPMSM với phần mềm LUVENS-EX5, kết quả mô phỏng tốt được kiểm nghiệm thông qua đặc t nh của động cơ LSPMSM 5kW

1.3 Cấu trúc rotor động cơ LSPMSM

Với những ưu điểm thấy r của động cơ LSPMSM, việc thiết kế động cơ loại này đã thu

h t rất nhiều c c nhà nghiên cứu Nhiều bài b o thể hiện r những đồ thiết kế kh c nhau, tập trung vào nhiều kh a cạnh thiết kế Về cấu tr c rotor của loại động cơ này có rất nhiều dạng, mỗi dạng lại có một ưu nhược điểm riêng (hình 1.3)

Rong-Jie Wang thực hiện nghiên cứu trên động cơ LSPMSM 2,2kW với bốn loại cấu

tr c rotor kh c nhau [72] T c giả thực hiện bài to n tối ưu về hiệu suất trên bốn loại kết cấu hình 1.3 c , d , e , g về cơ bản thì 4 loại này đều cho ta hiệu suất gần như nhau và

hệ số cos của loại c cao nhất 0,97 loại d đứng tiếp theo 0,96 Về hiệu năng khởi động thì loại c cho ta kết quả tốt hơn hơn cả

Tianhu Ruan [83] thực hiện nghiên cứu trên hai loại rotor hình 1.3 b , d của động cơ LSPMSM 2,2kW Cấu tr c dạng d cho ta hiệu suất cao hơn 1,27 , hệ số cos cao hơn 0,103 so với cấu tr c b Ngoài ra hiệu suất và hệ số cos đều tăng tỉ lệ với bề rộng và

bề dầy của nam châm khi x t riêng từng biến

İlhan Tarımer [36] dựa trên công cụ FEM của Ansoft Maxwell để khảo s t so s nh về hiệu suất, hệ số cos, mật độ từ thông nam châm, đối với c c loại cấu tr c nam châm gắn chìm trong rotor kh c nhau hình 1.3 (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h)) Với kiểu rotor (d), (e), (f), (g), (h) cho ta hiệu suất cao, d ng điện pha thấp phù hợp với các ứng dụng thực tế Shehata [76] nghiên cứu so s nh 5 loại cấu hình rotor hình 1.3 c , d , e , f , g của động cơ LSPMSM Với đặc t nh mômen tải thế năng có gi trị định mức thì cấu tr c c cho đặc t nh khởi động và x c lập tốt nhất Ở chế độ x c lập, Bg của cấu tr c d cho gi trị lớn nhất, d ng điện x c lập cũng nhỏ nhất, dao động mômen cũng nhỏ nhất, điều đó cũng cho thấy hiệu suất và hệ số cos cũng tốt nhất Ngoài ra cấu tr c d cũng phù hợp với c c loại tải tỉ lệ bình phương với tốc độ Như vậy đối với phụ tải quạt gió, hoặc bơm nước thì cấu tr c (d) là phù hợp nhất, c n với tải thế năng thì cấu tr c (c) là phù hợp nhất

Tingting Ding [86] so s nh hiệu năng l c khởi động và x c lập của 3 kiểu rotor hình 1.3 (a), (i), (f)) của động cơ LSPMSM, với mục tiêu cos cao nhất ứng với d ng điện x c lập nhỏ nhất Về mômen đập mạch, kiểu f cho chất lượng tốt nhất Về khởi động, kiểu i hình thành nhiều dao động, về tốc độ hơn do tương t c giữa nam châm với d ng điện stator Về hiệu suất và cos, kiểu a và f đều cho gi trị cao khi cùng một gi trị điện p cấp vào

Takahashi [81] tiến hành nghiên cứu so s nh qu trình qu độ và x c lập của động cơ LSPMSM cực lồi và cực ẩn hình 1.3 p , b ng c ch thay đổi tỉ lệ giữa điện kh ng đồng

bộ ngang trục Xq và điện kh ng đồng bộ dọc trục Xd (Xq/Xd từ 1,06 cực ẩn đến 1,86 cực lồi Với cực lồi, nhận thấy mômen tải tới hạn lớn hơn, khả năng khởi động tốt hơn, đặc

t nh động học tốt hơn nhanh đạt chế độ x c lập hơn Hiệu suất và hệ số cos đều lớn hơn

Do trong thành phần mômen có thêm thành phần mômen phản kh ng bên cạnh mômen đồng bộ

Saikusa [73] nghiên cứu so s nh ba kiểu rotor mới với nam châm gắn bề mặt hình 1.3

k , m , n của động cơ LSPMSM T c giả để xuất nâng cao hiệu suất và hệ số cos

b ng c ch thêm c c cực từ phụ hỗ trợ Về đặc t nh mômen t nh kiểu k cho gi trị cao hơn

ở vùng không đồng bộ, nhưng lại thấp hơn ở vùng đồng bộ so với kiểu m và n Về hiệu suất thì kiểu n cho gi trị cao nhất

Jeong-Jong Lee [44] nghiên cứu so s nh giữa hai loại cấu tr c rotor hình 1.3 c , j của động cơ LSPMSM 7,5kW Cấu tr c kiểu c cho ta kết quả tốt hơn về hiệu năng trong

qu trình khởi động cũng như qu trình x c lập đồng bộ

Jedryczka [42] nghiên cứu kết cấu rãnh rotor đối xứng (hình 1.4 (a)) và không đối xứng (hình 1.4 (b)) đối với loại động cơ LSPMSM có nam châm hình chữ U Đối với tải có mômen qu n t nh lớn thì động cơ LSPMSM cần thiết kế sao cho mômen không đồng bộ lớn ở tốc độ b ng 80 tốc độ định mức, s nâng cao được khả năng đồng bộ của loại động

cơ này Với loại thanh dẫn không đối xứng cho ta khả năng vào đồng bộ tốt hơn so với loại thanh dẫn đối xứng

nh 1.4 không ( : [42])

1.4 Th n hi

Tine MARČIČ [84] giới thiệu thuật to n thiết kế động cơ LSPMSM dựa trên cơ sở phân

t ch FEM và sử dụng mô hình giải t ch để khảo s t hiệu năng của động cơ Tuy nhiên thuật

to n chỉ dừng ở mức kh i qu t về tưởng tổng qu t Số v ng dây quấn stator cần được thiết kế hợp l để phù hợp giữa qu trình khởi động và hiệu suất trong qu trình x c lập Solmaz Kahourzade [78] đưa ra trình tự thiết kế động cơ LSPMSM với c c bước lựa chọn k ch thước cơ bản tương tự như đối với động cơ IM, kết cấu rotor lồng sóc với nam châm gắn hình nan quạt Phần tối ưu gi trị điện trở rotor có nói đến nhưng không đưa ra

cụ thể Bài b o cũng thể hiện thuật to n thiết kế kết hợp giữa FEM và giải t ch, tuy nhiên phần thiết kế b ng FEM tác giả lại để ở bước trên, trong khi c c k ch thước về kết cấu chưa

x c định

A.J Sorgdrager [11] đề xuất phương n thiết kế động cơ LSPMSM theo sơ đồ khối cơ bản ở mức chi tiết hơn so với các tài liệu khác Kết quả được kiểm chứng thông qua phần mềm Maxwell RMxprt Bài b o cũng đưa ra công thức cơ bản để x c định số v ng dây trong thiết kế stator Động cơ LSPMSM được t c giả trình bầy chủ yếu ở c c đặc t nh t nh

và có thể p dụng b ng c c công thức giải t ch thông thường Chưa thấy đề cập đến hiệu suất và cos của động cơ được thiết kế

F Libert [31] trình bầy lưu đồ thiết kế động cơ LSPMSM vắn tắt kết hợp giữa giải t ch

và phương ph p FEM để t nh to n Enc và Xd; Xq Rotor có cấu tr c hình chữ U, t c giả thực hiện thay đổi kết cấu rotor t c động đến độ dầy khe hở không kh , k ch thước thanh dẫn,

k ch thước nam châm để có được hiệu suất và cos cao

1.5 Các nghiên cứu hỗ trợ thi t k

İlhan Tarımer [36] đã đưa ra phương ph p phân t ch đồ thị vecto và sử dụng RMxprt mô phỏng động cơ LSPMSM Từ đó thấy được khả năng thiết kế động cơ LSPMSM đạt hiệu suất cao và hệ số công suất b ng một Thông thường hiệu suất cao là l do ch nh để lựa chọn động cơ LSPMSM thay cho động cơ IM Khi hiệu suất động cơ cao người sử dụng s được lợi khi giảm được chi ph điện năng, tuy nhiên nếu hệ số công suất cos thấp s bất lợi cho người thiết kế do k ch thước động cơ thiết kế s lớn hơn, ph a người cung cấp điện cũng không mong muốn, do phải truyền tải thêm công suất vô công đến phụ tải, ph a người

tiêu dùng s phải bỏ thêm chi phí, do phải bổ sung hệ thống bù cos Theo Mordey thì đường thay đổi của d ng điện phần ứng theo điện p đầu vào ở chế độ không tải có dạng hình V, xem hình 1.5

c c tham số động cơ LSPMSM sao cho hệ số công suất cos 1

X c định ch nh x c tham số điện kh ng Xd và Xq là một vấn đề quan trọng trong thiết kế

và mô hình hóa động cơ LSPMSM M Hadef đã đưa ra biểu thức x c định Xd và Xq trong nghiên cứu của mình [58] p dụng cho một cấu tr c rotor cụ thể của động cơ IPM dựa trên

mô hình mạch từ tương đương, sau đó sử dụng tối ưu hóa để x c định Xd và Xq. Arash Hassanpour Isfahani [18] nghiên cứu ảnh hưởng của điện kh ng Xq và điện kh ng Xd đến momen và tốc độ động cơ LSPMSM với cấu tr c rotor có nam châm gắn hình vuông Điện

kh ng này lớn có lợi cho qu trình khởi động, ngược lại điện kh ng nhỏ có lợi cho qu trình vào đồng bộ Do đó việc lựa chọn điện kh ng phù hợp s phụ thuộc vào đặc t nh tải Đối với tải h ng số nên chọn cực nam châm mỏng, trong khi đó tải m y bơm nên chọn nam châm dầy Trong khi đó Jabbar, M.A.; Dong, J.; lại tóm tắt lại c c phương ph p l thuyết và thực nghiệm để x c định Xd và Xq đối với động cơ LSPMSM [40] Từ đó t c giả đưa ra hai phương ph p mới đó là thử nghiệm tải kết hợp hồi quy tuyến t nh, phương ph p thử nghiệm tải và mạng nơron Hopfield để x c định ch nh x c Xd và Xq

Thomas A Lipo đã xây dựng công thức t nh từ thông r của khe hở không kh động cơ SPM b ng phương ph p giải t ch [71], kết quả được kiểm chứng thông qua t nh to n FEM Mật độ từ thông khe hở không kh được x c định thông qua mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm v nh cửu thường dựa trên mô hình mạch từ tương đương và hệ số từ thẩm (PC) [22][24][28][29][41][48][49][60][70] Tuy nhiên, có một số bài b o không x t đến ảnh hưởng của đường cong từ hóa B-H th p k thuật điện [24][60][70] Để cho đơn giản c c tài liệu này xem độ từ thẩm của th p k thuật điện là vô cùng lớn và chỉ x t đến quan hệ giữa nam châm v nh cửu và khe hở không kh Dan STOIA [24] dựa trên mô hình mạch từ tương đương để x c định Bg khi không tải và khi có tải của động cơ LSPMSM bỏ qua ảnh hưởng của đường cong từ hóa B-H của th p k thuật điện và kết cấu răng rãnh stator và rotor Một số tài liệu kh c lại x c định mật độ từ thông khe hở không kh thông

qua hệ số từ thẩm PC [48][60] nhưng cũng không đề cập đến k ch thước răng và gông stator và rotor Mariano Filippa [22] đưa ra thuật to n t nh to n mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm, x c định Bg của động cơ LSPMSM có cấu tr c nam châm hình nan quạt dựa trên mạch từ tương đương Norton Mô hình có x t đến đường cong từ hóa B-H của th p k thuật điện Tuy nhiên độ rộng răng stato và rotor không được đề cập cụ thể trong công thức x c định Bg và Bm Mihai Comanescu [60] x c định mật độ từ thông Bgtheo hệ số từ thẩm PC của nam châm v nh cửu cho m y ph t điện đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu

Đối với điều kiện vào đồng bộ của động cơ LSPMSM, cũng được một số t c giả nghiên cứu sâu, Hassanpour Isfahani [13] đưa ra biểu thức và thuật to n để x c định hệ số trượt tới hạn trên đường đặc t nh mômen – hệ số trượt của động cơ LSPMSM Từ đó cho thấy ở hệ

số trượt nào thì động cơ có thể k o vào đồng bộ được, nếu thỏa mãn điều kiện Kết quả được kiểm chứng thông qua mô hình hóa b ng phần mềm Matlab với c c thông số thực tế

đo được từ động cơ Juliette Soulard [50] lại đưa ra tiêu chuẩn cho mômen k o vào đồng

bộ b ng c ch dùng hàm Lyapunov Đối tượng nghiên cứu là 2 động cơ LSPMSM có nam châm gắn chìm Một động cơ có thể t ch nam châm lớn hơn động cơ lớn , thể t ch nam châm lớn dẫn đến mômen đồng bộ lớn và thêm nhiều năng lượng cho việc đồng bộ hóa Ở trạng th i đồng bộ động cơ lớn có hiệu suất và cos cao hơn, điện trở rotor lớn hơn Do đó mômen khởi động lớn thắng được mômen cản do nam châm tạo ra Mômen đồng bộ tăng tỉ

lệ với điện p không tải Thể t ch nam châm tăng cũng s làm tăng thêm điện p không tải dẫn đến giảm điện kh ng trục d Việc tăng điện trở rotor ở động cơ lớn dẫn đến ảnh hưởng

có lợi khi khởi động Tuy nhiên gi trị điện trở rotor khi thiết kế cần có một sự thỏa hiệp giữa qu trình khởi động và qu trình vào đồng bộ Việc tăng lớn điện trở dẫn đến hệ số trượt tăng lên tại thời điểm vào đồng bộ, do đó việc vào đồng bộ s cần thêm nhiều năng lượng hơn nữa Rahman [67][75] đưa ra điều kiện để động cơ LSPMSM có thể vào đồng

bộ thành công, ứng với góc mômen trước và sau điểm mômen mất đồng bộ Từ đó đưa ra biểu thức x c định mômen qu n t nh tới hạn để động cơ có thể k o vào đồng bộ thành công

Về vấn đề khởi động động cơ LSPMSM, Aliabad trong bài b o của mình [14] đã nghiên cứu cải thiện sự thỏa hiệp về hiệu năng l c khởi động và l c vào đồng bộ của động cơ LSPMSM với rotor cấu tr c nam châm hình nan quạt Giảm ảnh hưởng của nam châm l c khởi động b ng c ch thay đổi cực của dây quấn stator Từ đó giảm được mômen cản, tăng mômen khởi động, giảm được k ch thước nam châm Ferreira [30] và c c t c giả kh c lại nghiên cứu tổng thể c c kiểu nối dây stator của động cơ LSPMSM nh m nâng cao hiệu suất và hệ số cos Có 6 kiểu nối dây có khả năng tạo ra 6 kiểu từ thông từ hóa kh c nhau trong động cơ Tam gi c song song DP , sao song song YP , tam gi c nối tiếp kiểu 1 DS1 , sao tam gi c YD , sao nối tiếp kiểu 2 YS2 , sao nối tiếp kiểu 1 YS1 So với IM thì động cơ LSPMSM sử dụng nhiều hơn hai kiểu nối dây quấn stator để đạt được hiệu suất

đ ng kể trong toàn dải công suất Với tải nh chế độ nối Y hoặc YD cải thiện đ ng kể hiệu suất và hệ số cos So s nh c c phương ph p kết hợp D và Y, YP và YD thì c c phương

ph p sau nâng cao được hệ số cos và hiệu suất với tải nh Tuy nhiên phương ph p kết hợp truyền thống D và Y đơn giản hơn cho hệ thống kết nối Đối với c c tổn thất, Pyrhonen [25] nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ động cơ đến c c thành phần tổn thất

trong động cơ LSPMSM Với động cơ 4kW, tổn thất quạt gió giảm 4 -5 khi nhiệt độ tăng 10K Tổn thất cơ không bị ảnh hưởng nhiều do tốc độ chạy không đổi Tổn thất đồng tăng, tổn thất sắt giảm do mật độ từ thông dư của nam châm giảm Tuy nhiên tổng tổn thất

s tăng, hiệu suất giảm

Yan Hu [98] đưa ra phương ph p lớp cải tiến để tìm điện kh ng tản rãnh rotor trong động cơ LSPMSM b ng công thức giải t ch, đồng thời sử dụng phương ph p FEM để kiểm tra lại

Ionel và c c t c giả [39] giới thiệu mô hình t nh to n tổn thất l i sắt trong m y điện dựa trên mô hình đề xuất mới C c thành phần trong tổn thất l i sắt bao gồm: tổn thất do d ng

xo y, tổn thất do mắt từ trễ, và tổn thất dị thường anomalous loss gây ra từ những hiện tượng như: phản ứng của vi cấu tr c, t nh dị hướng từ Mặc dù phức tạp như vậy nhưng thành phần tổn thất này được Bertotti đưa ra tương tự như tổn thất d ng xo y với số

mũ là 1,5

Zhang Bingyi [99] đưa ra c c lưu khi thiết kế động cơ LSPMSM tốc độ thấp mômen cao dùng cho những ứng dụng truyền động trực tiếp không hộp số Kết quả của bài to n cho thấy t nh ưu việt của động cơ LSPMSM so với động cơ IM cùng công suất Hiệu suất

có thể nâng đến 30 Zhang Aijun [56] giới thiệu về động cơ LSPMSM nhiều cực dùng cho những ứng dụng cần tốc độ thấp và momen cao Bài b o đưa ra c c công thức thiết kế

cơ bản về chiều cao gông stator, số rãnh cực pha, chiều dài khe hở không kh , chiều cao và chiều dầy nam châm Bài to n được mô phỏng trên nền phần mềm Ansoft Maxwell 2D Claudia A da Silva [23] đưa ra phương ph p x c định góc tải giữa Enc và U1 b ng phương ph p mô hình liên kết mạch điện – từ trường tưởng dựa trên cơ sở xếp chồng hai t n hiệu Enc mô phỏng hở mạch và Un mô phỏng FEM , ứng với góc quay cụ thể của rotor

Stoia [79] cho thấy động cơ LSPMSM được thiết kế tốt là tạo ra mômen không đồng bộ

đủ trong suốt qu trình tăng tốc và khởi động, ngoài ra sử dụng t vật liệu chế tạo nam châm v nh cửu, nhưng vẫn cung cấp đủ năng lượng k ch th ch để cho ph p động cơ hoạt động với cos 1 khi đầy tải Tăng sức điện động cảm ứng của nam châm Enc Tăng k ch thước nam châm s làm tăng cos, tuy nhiên làm giảm mômen động cơ, giảm Xd Do đó

Enc cần tăng ở một gi trị hợp l để có được đặc t nh động và t nh tốt

Tine MARČIČ [85] nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu chế tạo lồng sóc đến động cơ LSPMSM Ảnh hưởng này ở mức độ lớn hơn so với động cơ IM Do việc k o vào đồng bộ của loại động cơ này phụ thuộc vào độ dốc của đường đặc t nh t nh mômen-hệ số trượt tại điểm k o vào đồng bộ Bài b o sử dụng c c dữ liệu thực nghiệm đối với hai loại vật liệu là nhôm và hợp kim nhôm-silic silumin để minh chứng Nhôm có điện trở suất thấp hơn so với silumin Với vật liệu nhôm gi trị mômen tại điểm k o vào đồng bộ lớn hơn, việc vào đồng bộ s dễ dàng hơn, mặc dù thời gian tăng tốc của vật liệu silumin tốt hơn Về hiệu suất và cos vật liệu nhôm cũng cho thấy gi trị cao hơn

1.6 Tối ƣ động cơ

Bài to n tối ưu động cơ LSPMSM cũng được nhiều t c giả quan tâm nghiên cứu Mỗi

t c giả lại ch trọng tối ưu một số yếu tố thiết kế Guang Yang [34] đã thiết kế chuyển đổi

từ động cơ IM 1,1kW sang động cơ LSPMSM cùng công suất, sau đó t c giả đã thực hiện bài to n tối ưu cho động cơ này kết quả thu được về hiệu năng ở chế độ x c lập rất tốt, c c chỉ tiêu về hiệu suất và hệ số cos đều cao Tuy nhiên không thấy t c giả nói đến tối ưu c i

gì và hàm mục tiêu cần đạt được là gì

Adel El Shahat [8] thực hiện mô hình hóa động cơ PMSM nam châm gắn bề mặt b ng phương ph p giải t ch truyền thống dùng Matlab trên hệ trục qd0 Sau đó t c giả sử dụng công cụ tối ưu b ng thuật to n di truyền trong Matlab để thực hiện tối ưu hóa toàn cục cho động cơ này Mục đ ch tối ưu nh m nâng cao hiệu năng của động cơ Tuy nhiên do động

cơ được mô hình b ng phương ph p giải t ch truyền thống nên có một số hạn chế như: Không x t đến hiện tượng bão h a, sức điện động cảm ứng là hình sin, bỏ qua tổn hao mắt

từ trễ, từ cảm r b ng không

Jeong-Tae Song [43] thực hiện tối ưu hóa k ch thước nam châm, từ đó giảm được chi

ph sản xuất Mục tiêu tối ưu là từ thông nam châm thông qua dạng rãnh lắp nam châm Kết quả cho thấy mật độ từ thông nam châm được cải thiện r rệt, độ gợn sóng của momen

và tốc độ giảm đi đ ng kể Tuy nhiên hiệu năng x c lập như hiệu suất, hệ số công suất cos không thấy đề cập đến

Kwang Hee Kim [52] thực hiện tối ưu hóa vị tr đặt rãnh nam châm và khoảng cách cầu nối để nâng cao hiệu năng x c lập cho động cơ, sử dụng phương ph p đ p ứng bề mặt để nâng cao quá trình tối ưu Tuy nhiên trong bài b o không thấy tác giả đề cập đến hàm mục tiêu nào cả

V Elistratova [90 thực hiện tối ưu đa mục tiêu cho động cơ LSPMSM 7,5kW cấu hình nam châm vuông gắn chìm với 3 biến, độ rộng khe hở không kh g, chiều dầy nam châm

Lm, chiều rộng nam châm Wm, 2 ràng buộc về cos và bội số momen km, 2 mục tiêu tối đa hiệu suất và tối thiểu mômen cản Phương ph p tối ưu sử dụng là EE Exhaustive Enumeration Kết quả tối ưu được so s nh với động cơ PEIM ở mức IE3 theo tiêu chuẩn IEC 60034-30, với  = 0,912, cos = 0,977 Gi trị hiệu suất cao hơn 0,8

1.7 Công cụ ô h ng

Phương ph p phân t ch truyền thống với mô hình giải t ch thông số tập trung gặp phải nhiều hạn chế như: không x t được đầy đủ hiện tượng bão h a, cấu tr c thực tế của răng và rãnh, không x t đến sự phân bố không liên tục của thanh dẫn, bỏ qua tổn hao mắt từ trễ, từ cảm r phải giả thiết b ng không Ngoài ra cần đo được ch nh x c tham số động cơ như điện trở và điện kh ng dọc trục, ngang trục, h ng số thời gian qu độ và siêu qu độ

Để giải quyết những hạn chế nêu trên, động cơ LSPMSM được mô phỏng theo mô hình liên kết mạch điện – từ trường Bên cạnh đó với sự ph t triển của k thuật m y t nh đã nâng cao được đ ng kể tốc độ t nh to n của c c bài to n p dụng phương ph p FEA Từ đó đã hình thành nên kh nhiều công cụ đã và đang được ph t triển cho ph p giải quyết trực tiếp

bài to n mô hình liên kết mạch điện – từ trường liên quan đến m y điện nói chung và động

cơ LSPMSM nói riêng như:

- Finite Element Method Magnetics (FEMM)

- Cobham Opera-2D

- ANSYS Electromagnetics Solutions (Ansoft Maxwell 2D)

- Infolytica MagNet

C c công cụ trên đều có khả năng mô phỏng mô hình mạch điện – từ trường dùng cho

m y điện dựa trên bước thời gian, và phân t ch FEA Theo [27] Ansoft Maxwell 2D là lựa chọn hợp l nhất do chương trình có khả năng đ nh gi kh ch nh x c mô hình thiết kế dựa trên từ thông móc v ng, momen đập mạch, sức phản điện động bảng 1.1 , momen động

cơ, d ng điện và tốc độ động cơ Ngoài ra cũng có nhiều bài b o [36][45][56][83][89][95][99] sử dụng chương trình Ansoft Maxwell 2D để mô phỏng và

đ nh gi , kết quả cho thấy t nh ch nh x c của phần mềm mô phỏng Ngoài ra, Viện nghiên cứu quốc tế về khoa học và k thuật t nh to n DASI thuộc trường Đại học B ch khoa Hà Nội cũng được đầu tư trang bị phần mềm Ansoft Maxwell 2D làm công cụ nghiên cứu mô phỏng Với những thuận lợi trên t c giả lựa chọn chương trình Ansoft Maxwell 2D để nghiên cứu động cơ LSPMSM

 Là một trong số các loại cấu trúc có khả năng ứng dụng trong thực tế [36][74]

 Cấu trúc này phù hợp nhất đối với các loại phụ tải có mômen tỉ lệ với bình phương của tốc độ [76]

 Ở chế độ x c lập, Bg của cấu tr c d cho gi trị lớn nhất, d ng điện x c lập cũng nhỏ nhất, dao động mômen cũng nhỏ nhất, điều đó cũng cho thấy hiệu suất và hệ

stator và rotor với thành phần từ thông Bm Do đó cần tìm ra phương ph p nghiên cứu

t nh to n và tìm thuật to n x c định mật độ từ thông Bm, tìm ra mối quan hệ giải t ch giữa mật độ từ thông Bm và mật độ từ thông răng, gông của stator và rotor

 Trong phần hỗ trợ thiết kế, đã có nhiều bài b o đề cập đến tính toán các thông số và các khía cạnh thiết kế khác nhau D Stoia [79] cho thấy khả năng thiết kế động cơ LSPMSM với hệ số cos 1 Tuy nhiên, chưa thấy bài b o nào x c định mối quan hệ giải tích giữa các tham số của động cơ LSPMSM, sao cho hệ số công suất cos 1 Trong khi đó cos cũng là một trong nhưng tiêu ch đ nh gi hiệu năng x c lập của động cơ LSPMSM Do đó t c giả nghiên cứu đề xuất quan hệ giải tích này, xem đây như một bước kiểm tra trong quá trình thiết kế động cơ LSPMSM

 Mặc dù đã có nhiều tài liệu công bố có liên quan đến thuật to n thiết kế cho động cơ LSPMSM [11][31][78][84], nhưng những tài liệu này vẫn chưa công bố đầy đủ để có thể thiết kế hoàn chỉnh phần điện từ cho loại động cơ này Trong khuân khổ của luận

n t c giả s đi sâu nghiên cứu và đưa ra thuật to n thiết kế chi tiết cho động cơ đồng

bộ ba pha nam châm v nh cửu

 Trong khoảng 10 đến 12 năm gần đây, vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm năng lượng cao đã ph t triển rất tốt gi thành giảm gi trung bình của nam châm đất hiếm NdFeB giảm hơn 40 từ năm 1998 đến năm 2003 [19]) Tuy nhiên gi của động cơ LSPMSM vẫn c n tương đối cao so với động cơ IM (hình 1.6) do có thêm nam châm v nh cửu

Do đó đặt ra bài to n tối ưu sao cho giảm thiểu k ch thước nam châm v nh cửu, nhưng vẫn nâng cao được hiệu suất và hệ số công suất cos Từ đó giảm được gi thành những vẫn nâng cao được c c chỉ tiêu k thuật

 Ngoài ra để khắc phục được những hạn chế của bài b o [8] như: Không x t đến hiện tượng bão h a, sức điện động cảm ứng giả thiết hình sin, không x t đến tổn hao mắt từ trễ, từ cảm r b ng không T c giả sử dụng mô hình liên kết mạch điện – từ trường với công cụ Ansoft Maxwell 2D để khảo s t nghiên cứu Với bài b o [90 mặc dù động cơ LSPMSM t c giả thiết kế đã đạt được mức hiệu suất cao hơn so với động cơ PEIM, tuy nhiên hiệu năng x c lập này vẫn chưa đạt được mức hiệu suất IE4 Trong luận n này t c giả s thực hiện tối ưu động cơ LSPMSM 7,5kW đạt trên mức hiệu suất IE4

nh 6 ( [10])

ch nh x c trường điện từ bên trong động cơ Tuy nhiên, động cơ lại lấy năng lượng từ bên ngoài nguồn điện p thông qua mạch điện ngoài Do đó cần xây dựng mô hình liên kết giữa mạch điện – từ trường, nh m giải quyết toàn diện trường điện từ, l thuyết mạch điện

và chuyển động cơ của động cơ LSPMSM

2.1 Mô hình na ch v nh cử

Hiệu năng của động cơ LSPMSM phụ thuộc nhiều vào nam châm v nh cửu Do đó việc

mô hình hóa đ ng nam châm đóng vai tr quan trọng trong thiết kế và phân t ch trường cho động cơ LSPMSM Nam châm v nh cửu thường được mô hình dưới hai dạng [69]

- Mô hình vecto từ hóa

- Mô hình d ng bề mặt tương đương

Mặc dù hai mô hình này có điểm xuất ph t kh c nhau nhưng ch ng đều dẫn đến cùng một hệ phương trình mô tả Mô hình vecto từ hóa được lựa chọn để trình bầy trong nội dung luận n này

Do nam châm v nh cửu thường làm việc ở góc phần tư thứ 2, và được mô tả như một đường thẳng hình 2.1)

nh 2.1

Br mật độ từ thông dư (T)

Hci độ kh ng từ nội (A/m)

Bm mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm (T)

Hm cường độ từ trường của điểm làm việc nam châm (A/m)

Phương trình đường khử từ được định ngh a như sau

Điểm làm việc của nam châm Bm, Hm)

Đường không tải Đường khử từ

Trong đó  là gradient của đại lượng vô hướng  điện thế vô hướng

Thay (2.13) vào (2.5) ta được phương trình x c định mật độ d ng điện theo hai thành phần

 . ( ) / (2.14)

 Thành phần do cảm ứng từ ( )

gây ra

 Thành phần do sự chênh lệch thế  ở hai đầu dây dẫn gây ra

X t một dây dẫn có chiều dài l, với thế hai đầu dây là Vx và Vy, khi đó điện thế trên dây dẫn như sau:

∫ ∫  (2.15)



(2.17) Thay vào biểu thức (2.14) ta được

O x, y, z, t và một hệ tọa độ di chuyển với tốc độ v không đổi O x , y , z , t

Khi quan s t trong hệ tọa độ động [29][47]

Thay vào biểu thức Maxwell về từ t nh và biến đổi ta được

  ( ( ))  /  / (2.31) Cân b ng 2 biểu thức (2.31) vào biểu thức (2.27) ta được phương trình t nh to n trường dùng cho nam châm v nh cửu

 ( )    /  / (2.32)

 /  ( )    / (2.33) hoặc

  /  ( )

   / (2.34) Trong trường hợp lấy hệ tọa độ di chuyển làm hệ tham chiếu thì tốc độ tương đối v = 0

và phương trình (2.33) và (2.34) trở thành

 /  ( )   / (2.35)

  /  ( )

  / (2.36) Trong hệ tọa độ hai chiều với mặt phẳng x – y, phương trình (2.36) trở thành

( ) / ( ) / (  /)

( ) / ( ) /  ( )   / (2.37)

2.3 Phương ình ch đi n

2.3.1 X ư ng hợ hanh n [47]

Thanh dẫn trong stator và rotor của động cơ LSPMSM khi có d ng điện chạy qua s tạo

ra từ trường C c cuộn dây stator hoặc thanh dẫn rotor có thể mô hình từ nhiều thanh dẫn nối với nhau X t trường hợp một thanh dẫn thứ j có chiều dài Lj và tiết diện ngang sj Điện

p đặt lên hai đầu thanh dẫn là Vdd, khi đó s có d ng điện Ij chạy qua ứng với mật độ d ng

Để thể hiện phương trình điện p trên thanh dẫn ta biến đổi biểu thức trên thành

Dây quấn stator hình thành từ nhiều dây dẫn, quấn thành nhiều v ng dây Mỗi v ng dây

s được mô hình từ hai thanh dẫn được nối với nguồn điện p đầu vào U1 có kể đến điện trở và điện cảm v ng dây

Mô hình một v ng dây stator như sau Hình 2.3 :

nh 2.3

Phương trình cân b ng điện p trên một v ng dây stator theo định luật Kirchoff 2, ta được

(2.47) Thay phương trình 2.44 vào phương trình (2.47), với lưu chiều d ng điện, ta được ∬ ( ) ∬ ( ) (2.57) ∬ ( ) ∬ ( ) (2.58) Giả thiết cuộn dây stator có W v ng nối nối tiếp với nhau Hình 2.4 ,