Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu rô to đến đặc tính mô men của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ĐÀO THỊ THUỲ DUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đào Thị Thuỳ Dung KỸ THUẬT ĐIỆN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN KHOÁ 2011B Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đào Thị Thuỳ Dung NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành : Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS BÙI ĐỨC HÙNG Hà Nội – Năm 2014 Luận văn Thạc sĩ khoa học MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình thực tiễn chế tạo động đồng nam châm vĩnh cửu 1.1.1 Tình hình giới 1.1.2 Tình hình nước 1.2 Các loại động đồng nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Cấu tạo chung 1.2.2 Phân loại 1.3 Kết cấu rô to 1.3.1 Các kiểu kết cấu roto 1.3.2 Vật liệu chế tạo cực từ 10 1.4 Kết luận 16 CHƯƠNG 2- MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 17 2.1 Khái niệm chung .17 2.2 Gợn sóng mô men điện từ 17 2.3 Các phương pháp giảm momen gợn sóng nghiên cứu 18 2.3.1 Phương pháp tạo cực từ xiên 18 2.3.2 Phương pháp điều chỉnh độ rộng cực từ 19 2.3.3 Phương pháp sử dụng cực từ có độ rộng khác 20 2.3.4 Phương pháp tạo rãnh giả stator 20 2.3.5 Phương pháp dịch chuyển vị trí nam châm vĩnh cửu 22 2.4 Giới thiệu phương pháp tạo cực từ xiên 23 Luận văn Thạc sĩ khoa học 2.5 Kết luận 24 CHƯƠNG 3- XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN 25 3.1 Mô hình tổng quát động đồng nam châm vĩnh cửu .25 3.1.1 Các phép biến đổi hệ toạ độ máy điện pha 25 3.1.2 Mô hình tổng quát động đồng nam châm vĩnh cửu .29 3.2 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực từ xiên 32 3.3 Kết luận 34 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG MATLAB/SIMULINK 36 4.1 Mô hình Simulink động đồng nam châm vĩnh cửu 36 4.1.1 Các khối mô 36 4.1.2 Sơ đồ mô động 39 4.2 Mô hình Simulink động với cực từ xiên .40 4.2.1 Động có cực từ gồm mô đun .40 4.2.2 Động có cực từ gồm mô đun .40 4.3 Kết luận 41 CHƯƠNG 5- KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .42 5.1 Đặc tính mô men động cực từ thẳng .42 5.2 Đặc tính mô men động cực từ xiên .43 5.2.1 Động với cực từ gồm mô đun 43 5.2.2 Động với cực từ gồm mô đun 46 5.3 Đánh giá kết .48 5.4 Kết luận 49 KẾT LUẬN .50 Luận văn Thạc sĩ khoa học LỜI CẢM ƠN Đến với khoá học Cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, học tập nghiên cứu môn Thiết bị điện- điện tử, thấy vinh dự trước sinh viên học viên cao học môn Qua luận văn này, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, cô giáo môn trang bị kiến thức cần thiết để chúng tôi- kĩ sư sau thạc sĩ chuyên ngành Thiết bị điện- điện tử tự tin áp dụng vào công việc Để luận văn hoàn thành ngày hôm xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Tiến sĩ Bùi Đức Hùng- Bộ môn Thiết bị điện- điện tử- Trường đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ nhiều Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiên thời gian đóng góp nhiệt tình chuyên môn để hoàn thành luận văn Cuối muốn cám ơn gia đình, bạn bè quan tâm, ủng hộ, động viên suốt thời gian qua Mặc dù cố gắng mình, khả hạn chế than luận văn tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý từ thầy cô, đồng nghiệp quan tâm đến luận văn để vấn đề nghiên cứu luận văn sáng tỏ, hoàn thiện Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2014 Đào Thị Thuỳ Dung Luận văn Thạc sĩ khoa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung luận văn thực hướng dẫn thầy TS Bùi Đức Hùng- Bộ môn Thiết bị điện- điện tử- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng hợp lệ Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Học viên, Đào Thị Thuỳ Dung Luận văn Thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT P - số đôi cực q- số rãnh stator cực pha N- số vòng dây I- dòng điện Be- từ trường khe hở không khí Lz- chiều dài cạnh tác dụng dây Ra- bán kính stato ud, uq- điện áp pha stato theo trục d trục q id, iq- dòng điện stato theo trục d trục q Rs- điện trở stato p – toán tử d/dt ua, ub, uc – điện áp pha A, B, C ia, ib, ic- dòng điện pha A, B, C u, u - điện áp theo trục ,  i, i - dòng điện theo trục ,  Ld, Lq- điện cảm toàn phần trục d q m- từ thông sinh cực từ Te – mô men điện từ TL- mô men tải B- hệ số ma sát J- mô men quán tính  m- vận tốc rô to Luận văn Thạc sĩ khoa học r- tốc độ đồng - góc quay (rad) t- thời gian H- cường độ từ trường ng- góc xiên cực từ - góc lệch mô đun cực từ cạnh M- số mô đun nam châm cực từ Luận văn Thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1- Kết cấu động đồng nam châm vĩnh cửu Hình 1.2- Hai kiểu động từ thông hướng tâm Hình 1.3- Hai kiểu động từ thông dọc trục Hình 1.4- Hai kiểu động từ thông ngang trục Hình 1.5- Các kiểu kết cấu roto Hình 1.6- ¼ mặt cắt ngang rotor cực từ động cực từ lồi Hình 1.7- ¼ mặt cắt ngang rotor cực từ ẩn Hình 1.8- ¼ mặt cắt ngang rotor cực từ chìm Hình 2.1- Tạo rãnh giả stator với Nn=1 Nn=2 Hình 2.1- Đồ thị gợn sóng mô men với Nn=0 Nn=2 Hình 2.3- Mô men gợn sóng động rãnh giả có rãnh giả Hình 2.4- Vị trí cực từ sau dịch chuyển động 4,6 cực Hình 2.5- Gợn sóng mô men động cực trước sau dịch chuyển Hình 2.6- Cực từ thẳng cực từ nghiêng góc ng Hình 3.1- Hệ toạ độ a, b, c d, q Hình 3.2- Hệ toạ độ a, b, c ,  Hình 3.3- Hệ trục toạ độ ,  d, q Hình 3.4- Mô hình động đồng nam châm vĩnh cửu Hình 3.5- Rô to với cực từ gồm khối ghép chéo Hình 3.6- Hệ trục ,  hệ trục di, qi Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 4.1- Khối nguồn pha Hình 4.2- Khối biến đổi abc sang dq0 Hình 4.3- Khối dòng điện Hình 4.4- Sơ đồ khối dòng điện Hình 4.5- Sơ đồ khối mô men điện từ Hình 4.6- Khối tốc độ Hình 4.7- Mô hình Simulink động đồng nam châm vĩnh cửu Hình 4.8- Mô Simulink động có cực từ gồm mô đun Hình 4.9- Mô Simulink động có cực từ gồm mô đun Hình 5.1- Mô men điện từ (Te), tốc độ động ( m), dòng điện dọc trục ngang trục Hình 5.2- Mô men gợn song mô men động đồng cực từ thẳng Hình 5.3- Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.4- Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.5- Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.6- Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.7- Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.8- Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.9- Mô men gợn sóng M =5,    72  60  40  36  30  40  72 Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 4.2- Khối biến đổi abc sang dq0 4.1.1.3 Khối dòng điện Khối dòng điện có đầu vào vd, vq,  r, đầu id, iq (hình 4.3) Hình 4.3- Khối dòng điện Để xây dựng khối ta vào hệ phương trình (3.13):  uq   Rs  pLq      L r q  ud   r Ld   iq   r m    Rs  pLd   id    d  i   vd  Rsid  Lqr piq  d  dt Ld  Suy hệ phương trình vi phân:  (4.1) d  iq   vq  Rs iq  Ld r pid  m pr   dt Lq Sơ đồ bên khối dòng điện: Hình 4.4- Sơ đồ khối dòng điện 37 Luận văn Thạc sĩ khoa học 4.1.1.4 Khối mô men điện từ Ta xây dựng khối mô men điện từ theo phương trình (3.14) Sơ đồ khối hình 4.5 Hình 4.5- Sơ đồ khối mô men điện từ 4.1.1.5 Khối tốc độ Từ biểu thức tính mô men điện từ Te  TL  Bm  J dm dt định tốc độ động cơ: dm  (Te  TL  Bm ) / J (4.2) dt Tốc độ đồng bộ: r  P m (4.3) với P số cực từ Góc  xác định bởi: d   m (4.4) dt Ta có sơ đồ khối hình 4.6 38 suy phương trình xác Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 4.6 Khối tốc độ Đầu  lấy làm đầu vào khối biến đổi dq Đầu r lấy làm đầu vào khối dòng điện 4.1.2 Sơ đồ mô động Từ khối ta có mô hình Simulink động đồng nam châm vĩnh cửu ( hình 4.7) Hình 4.7 Mô hình Simulink động đồng nam châm vĩnh cửu 39 Luận văn Thạc sĩ khoa học 4.2 Mô hình Simulink động với cực từ xiên 4.2.1 Động có cực từ gồm mô đun Như phân tích chương 2, mô men động có cực từ gồm mô đun tương đương với 1/3 mô men tổng động đồng có hệ trục ,  có hệ trục toạ độ d1-q1 d’1-q’1 , đối xứng qua hệ trục d0-q0 lệch với hệ trục ,  góc là:    , ,   Hình 4.8 Mô Simulink động có cực từ gồm mô đun 4.2.2 Động có cực từ gồm mô đun Tương tự phần 3.2.1 mô men động có cực từ gồm mô đun tương đương với 1/5 mô men tổng động đồng có hệ trục ,  có hệ trục toạ độ d2-q2, d1-q1 d’1-q’1, d’2, q’2 đối xứng qua hệ trục d0-q0 lệch với hệ trục ,  góc là:   2 ,   ,   ,  2 40 Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 4.9 Mô Simulink động có cực từ gồm mô đun 4.3 Kết luận Từ mô hình Simulink động đồng nam châm vĩnh cửu (hình 4.7), kết hợp với phép biến đổi toán học quy đổi hệ trục toạ độ, ta xây dựng mô hình Simulink cho động nam châm vĩnh cửu cực từ xiên Trên mô hình xây dựng cho động có cực từ gồm mô đun Tương tự vậy, ta xây dựng mô hình cho động có cực từ gồm 7, 9, 11…mô đun 41 Luận văn Thạc sĩ khoa học CHƯƠNG 5- KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 5.1 Đặc tính mô men động cực từ thẳng Xét động đồng nam châm vĩnh cửu pha 220V/50Hz có thông số sau: Rs= 1.2, B= 4.675e-5 kg/m2, J = 2.0095e-5 Nms, Ld = Lq= 7.8e-3 H, m = 0.154 Vs, P=4 Hình5.1- Mô men điện từ (Te), tốc độ động ( m), dòng điện dọc trục ngang trục Hình 5.2 Hình ảnh gợn sóng mô men động đồng cực từ thẳng 42 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nhập thông số động vào mô hình mô ta thu kết hình 5.1 5.2 5.2 Đặc tính mô men động cực từ xiên 5.2.1 Động với cực từ gồm mô đun Mô Matlab/Simulink với mô hình 4.8, với góc       nghiêng   ; ; ; ; ; rad ta hình ảnh gợn sóng mô men sau: 72 60 40 36 30 20 Chú thích: - đường màu vàng mô men động cực từ thẳng - Đường màu tím: mô men động cực từ nghiêng góc ng =2 Hình 5.3 Mô men gợn sóng M =3,   43  72 Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 5.4 Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.5 Mô men gợn sóng M =3,   44  60  40 Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 5.6 Mô men gợn sóng M =3,   Hình 5.7 Mô men gợn sóng M =3,   45  36  30 Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 5.8 Mô men gợn sóng M =3,    40 5.2.2 Động với cực từ gồm mô đun Mô Matlab/Simulink với mô hình 4.9, với góc      nghiêng   ; ; ; ; rad ta hình ảnh gợn sóng mô men sau: 72 60 40 36 30 Hình 5.9 Mô men gợn sóng M =5,   46  72 Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 5.10 Mô men gợn sóng M =5,   Hình 5.11 Mô men gợn sóng M =5,   47  60  40 Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 5.12 Mô men gợn sóng M =5,   Hình 5.13 Mô men gợn sóng M =5,    36  30 5.3 Đánh giá kết Từ kết mô hình 3.12 3.13 ta thấy biên độ gợn sóng mô men giảm nhiều khi:  = /30, cực từ gồm mô đun  = /40, cực từ gồm mô đun Như góc nghiêng ng chế tạo cực từ tốt khoảng  = /20 đến  = /15 48 Luận văn Thạc sĩ khoa học 5.4 Kết luận Từ mô hình Simulink động đồng nam châm vĩnh cửu (hình 3.7), kết hợp với phép biến đổi toán học quy đổi hệ trục toạ độ, ta xây dựng mô hình Simulink cho động nam châm vĩnh cửu cực từ xiên Trên mô hình xây dựng cho động có cực từ gồm mô đun Tương tự vậy, ta xây dựng mô hình cho động có cực từ gồm 7, 9, 11, …mô đun Bằng kết mô thu được, ta tính toán góc nghiêng tối ưu cho cực từ rô to để khử gợn sóng mô men theo công thức:  ngtoiuu  M 1  toiuu (*) Trong đó: toiuu góc lệch tối ưu theo mô phỏng, M số mô đun cực từ xiên, ngtoiuu góc nghiêng tối ưu chế tạo cực từ 49 Luận văn Thạc sĩ khoa học KẾT LUẬN Ngày nay, động điện đồng nam châm vĩnh cửu sử dụng phổ biến thay cho động không đồng tính ưu việt hiệu suất cosφ cao Tuy nhiên nhược điểm lớn tránh khỏi gợn sóng mô men Trong số điều kiện hoạt động, gợn sóng truyền qua rotor tới tải, gây khó khăn cho việc điều khiển vị trí, tốc độ truyền qua khung sắt stator gây rung, ồn Đặc biệt, hệ thống yêu cầu độ xác cao, ta cần triệt tiêu giá Trong luận văn này, phương pháp làm giảm gợn sóng mô men đưa chế tạo động với cực từ rô to xiên thay cho cực từ thẳng với độ rộng cực từ không đổi Căn vào kết mô mô hình toán động đồng cực từ xiên Matlab/Simulink ta kết luận phương pháp hữu hiệu để triệt tiêu mô men gợn sóng, đồng thời ta xác định giá trị góc nghiêng tối ưu cho phương trình (*) Kết nghiên cứu luận văn dựa mô hình toán động xấp xỉ cực từ xiên mô đun cực từ thẳng xếp lệch nhau, cách hữu hiệu chế tạo động để giảm chi phí chế tạo cực từ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO A B Dehkordi, A M Gole, “Permanent Magnet Synchronous Machine Model for Real-Time Simulation”, IEEE Alexander Stening, Design and Otimization of a Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor for a High Cycle Industrial Cutter, Royal Institude of Technology AmuliuBogdanProca, Ali Keyhani, Ahmed EL-Antably, Wenzhe Lu, Min Dai, “Analytical Model for Permanent Magnet Motors with Surface Mounted Magnets”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.18, No.3, September 2003 PhạmVănBình, Máy điện tổng quát NXB Giáo dục Việt Nam, 2011 Dal Y Ohm, Dynamic Model of PM Synchronous Motors, Drivetech, Inc., Blacksburg, Virginia Enrique L Carrillo Arroyo, Modelling and Simulation of Permanent Magnet Synchronous Motor Drive System, University of Puerto Rico Mayaguez Campus 2006 Hamdy Mohamed Soliman, S M Hakim, “Torque Ripple Minization, Suppress Harmonics and Noise of Brushless PM Synchronous Motors Derived by Field Oriented Control”, IJRRAS, 12(3), September 2012 Ing.JanMoravec, Torque Ripple of Permagnent Magnet Synchronous Torque Motor JacekF.Gieras, Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology, pp 43-52, 169-178 10 Luke Dosiek, PragasenPillay, “Cogging Torque Reduction in Permanent Magnet Machines”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.43, No.6, November/December 2007 11 PanuKurronen, Torque Vibration Model of Axial-Flux Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Machine, Lappeenranta University of Technology 12 SisudaThaithongsuk, Design and Construction of a Permanent Magnet Synchronous Motor, King Mongkut’s Institute of Technology NorthBangkok 13 Siva Gangadhara Rao Venna, SnehaVattikonda, SravaniMandarapu, “Mathematical Modeling and Simulation of Permanent Magnet Synchronous Motor”, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, Vol.2, Issue 8, August 2013 14 http://hiendaihoa.com/dien/san-pham-moi/dong-co-nam-cham-vinh-cuu-ben-trongnho-gon-nhung-tiet-kiem-nang-luong-lon.html ... loại : rô to nam châm nổi, rô to nam châm ẩn, rô to nam châm chìm [9],[12] 1.3.1.1 Rô to nam châm Là dạng kết cấu rotor phổ biến động đồng nam châm vĩnh cửu ( hình 1.5 a c) Các nam châm vĩnh cửu. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đào Thị Thuỳ Dung NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH... ngang cấu trúc động đồng nam châm vĩnh cửu Hình 1.1 Kết cấu động đồng nam châm vĩnh cửu Stato mang dây quấn pha tạo phân bố lực từ động có dạng gần hình sin dựa giá trị dòng điện stato Các nam châm