Thiết kế động cơ DC đồng trục Design for Coaxial DC Motor

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐỨC THỊNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ DC ĐỒNG TRỤC DESIGN FOR COAXIAL DC MOTOR Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số: 60520114 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận vãn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận vãn thạc sĩ) " Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỒC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: MSHV: Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: .Mã số : I TÊN ĐỀ TÀI: II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cám ơn tới thầy hướng dẫn trực tiếp PGD.TS Nguyễn lan Tiến với định hướng nghiên cửu, phương pháp tiếp cân tài liệu bổ ích Thầy Em xin gửi lời cám ơn tới tất Thầy hội đồng đánh giá đề cương với câu hỏi lời góp ý bổ ích cho đề tài Em xin gửi lời cám ơn tới tất anh em High tech lab hỗ trợ tạo điều kiện giúp đỡ làm việc thời gian thực luận vãn Em xin gửi lời cám ơn tới anh em làm việc ngành EEIT Trường Đại học Việt Đức hỗ trợ tư vấn trang thiết bị để làm thực nghiệm thời gian dự án Và sau cùng, em xin gửi lời cám ơn đến vợ gia đĩnh em động viên, hỗ trợ động lực để em hồn thiện dự án iii TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Nội dung tình bày luận vãn thiết kế động DC đồng trục bao gồm: Phần tổng quan trĩnh bày sơ lược nghiên cửu động đồng trục vài ứng dụng thực tế Từ giải pháp đưa mơ hình động chọn loại động DC có trục quay ngược chiều (một trục phần cảm trục phần ứng) Phần lý thuyết động chiều đặc tính tóm tắt lại Phần trọng tâm luận vãn tình bày Chương với nội dung thực sau: - Xây dựng mơ hĩnh tốn cho động DC đồng trục dựa mơ hình tốn động DC mơ hình tốn động pha đồng trục - lĩnh toán thiết kế cho động DC đồng trục với số yêu cầu cho trước ; xây dưng mơ hĩnh tính chung áp dụng việc thiết kế động DC (thiết kế GUI matlab) - Thiết kế chế tạo mô hĩnh động DC đồng trục nhỏ từ động DC có sẵn hệ thống kiểm tra mô men xoắn tốc độ động thu lại liệu máy tính cho mơ hình thực nghiệm nhỏ - Kết luận vãn có từ kết mơ matlab, kết mô thiết kể động ANSYS Maxwel thông số điện trở, cảm kháng, hàng số thời gian, mơ men qn tính động phương pháp thực nghiệm IV ABSTRACT Base on the result from current researches and applications of many kind of coaxial motor, a DC motor with rotor and Stator can rotate in opposed directions is conducted The first part of this thesis represents the princinple of DC machine Functions and characteristics of rotor, Stator, commulator, winding are determined The main content of this thesis is represented in chapter and the result in the chapter as following: - A mathematic model of this design is developed basing on the combination of mathematic model of DC motor and mathematic model of 3-phase coaxial motor - The foundation of mathematic model then the calculation of DC motor 35kW, 90V, 1760 rpm are shown And the a calculation model for designing a general DC motor is built in Matlab GUI - The real model is designed base on improving of DC motor and Torque testing system is designed with coincident separated axes for experimental part The torque system has two axes a joined by a spiral spring The motor torque is calculated by the difference angle of axes - Experimental method is approached to determin motor parameters such as resistance, inductance, electrical time constant, and moment of ineria - The result of this thesis comes from the Matlab, desing of motor in ANSYS Maxwell, and the result of the experimental part V Lời cam đoan tác giả luận văn Đề tài luận vãn thiết kế động DC đồng trục dựa theo yêu cầu đơn vị đặt hàng với thông số cho trước Phần sở lý thuyết trĩnh bày dựa tài liệu nghiên cửu trước có trích dẫn Phần xây dựng mơ hĩnh tốn cho động tác giả xây dựng lên Phần tính tốn thiết kế cho động tác giả tính tốn lựa chọn thông số, mô Matlab, thiết kế ANSYS Maxwel Phân thực nghiệm tác giả tự thiết kế, xây dựng lên VI MỤC LỤC CHƯƠNG TÔNG QUAN Giới thiệu động DC 1.1 Tổng quan động đồng trục 1.2 Đặt vấn đề 1.3 Một số giải pháp đề xuất Giải pháp Giải pháp Giải pháp Giải pháp CHƯƠNG NGUYÊN LÝ, ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG Cơ MỘT CHIỀU 2.1 Nguyên lý động chiều 2.2 Cấu tạo máy điện chiều 2.2.1 Stator máy điện chiều 2.2.2 Cực từ 2.2.3 Cực từ phụ 2.2.4 Gông từ 2.2.5 Lõi thép 10 2.2.6 Dây quấn phần ứng 10 2.2.7 Cổ góp 10 2.2.8 Thiết bị chổi 10 2.3 Phân loại động điện chiều 11 2.4 Ket cấu máy điện 12 2.4.1 Phân loại theo phương pháp bảo vệmáy môi trường 12 2.4.2 Phân loại theo cách lắp đặt 13 2.5 Tổng quan đặc tính động điện chiều kích từ nối tiếp 13 2.5.1 Phương trình đặc tính 13 2.5.2 Ảnh hưởng thông số điện đặc tính 14 2.5.3 Mở máy (khởi động) động điện chiều kích từ nối tiếp 15 CHƯƠNG THIẾT KẾ 17 vii 3.1 Mơ hĩnh hóa hệ thống 17 Phương trĩnh mơ hình động single phase double rotor biểu diễn : ! „ 17 Với đông DC đồng trục double-rotor kết họp trường họp „ „ ! .21 3.2 Thiết kế hệ thống cho động 23 3.2.1 Chọn kích thước chủ yếu 23 3.2.2 Kích thước rãnh phần ứng 24 3.2.3 Khe hở khơng khí, cực từ gơng từ 27 3.2.4 Cổ góp, chổi than 29 3.3 Xây dựng Graphic User Interface (GUI Matlab) cho thiêt kế chung cho động DC 30 3.4 Thực nghiệm 31 Đo thông số động 32 Kiểm nghiệm vận tốc, torque động thiết kế 36 CHUƠNG KÉT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THựC NGHỆM 46 4.1 Kết mô Matlab simulink 46 4.2 Kết thiết kế động chiều 35 kw, 90V, 1760 vg/ph 47 4.3 Kết thực nghiệm 53 CHUƠNG KẾT LUẬN 55 Phục lục 1: Thiết kế cho phần thực nghiệm 56 Thiết kế động đồng trục 57 Phần bánh đà có mơ men qn tính thay đổi 58 Phần hệ thống kiểm tra tốc độ mô men xoắn trục 58 Thiết kể phần điện cho động đồng trục 59 Thiết kể cho hệ thống đo mô men xoắn động 59 Thiết kể phần điều khiển cho đối trọng có mơ men qn tính thay đổi 60 Phụ lục 2: Motor data sheet 64 Phụ lục 3: Matlab code 70 viii CHƯƠNG TỎNG QUAN Giỗi thiệu động co’ Nãm 1831, Michael Fraday phát minh khảo sát tượng cảm ứng đỉện từ Năm 1832, Thiết bị điện quay công bố người chưa rõ tên P.M Năm 1834 động DC Moritz Jacobi chế tạo Năm 1875 Hefner-Alteneck Werner Siemens bắt đầu phát triển motor hình mỏ neo tang trống Năm 1889 Dolivo-Dobrowolsky thiết kế động pha Thiết kế sử đụng rộng rãi cho tớỉ ngày Nửa đầu kỷ 19, hầu hết động chạy lượng Pin động DC tập trung phát triển Và sau động đồng bộ, động AC phát triển ngày Phân loại động điện Hình 1.1 Sơ đồ phân loại động điện Động điện chiều (động DC) thiết bị chuyển từ lượng điện chiều thành lượng đướỉ tác dụng lực điện từ Động DC cỗ phần là: rotor (phần chuyển động) Stator (phần đứng yên) Động điện chiều gầm loại sau: Động chiều kích từ độc lập Động chiều kích từ nối tiếp Động chiều kích từ song song Động chiều kích từ hỗn hợp hai trục bị xoắn lại tạo góc lệch Góc lệch encoder ghi lại chuyển thành tín hiệu điện (hiệu điện thế, dòng điện, xung sơ, ) Phân tích Torque Sensors Hình p7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo moment xoắn Dựa vào độ lệch xung xác định máy sóng (Osciloscope) lưu lại thu thập liệu DAQ giá trị momen xoắn vận tốc quay trục tính Thiết kế phần điều khiển cho đối trọng có mơ men qn tính thay đỗi Để thay đổi momen quán tính rotor bánh đà có tích họp đối trọng nằm ray trượt điều khiển vị trí động DC12V nhỏ nằm tích họp bánh đà Như toán điều khiển tốc độ quay inner Stator chuyển thành toán điều khiển vị trí đối trọng động DC Mơ hĩnh tốn động DC nhỏ điều khiển vị trí đối trọng giống mơ hình tốn động mơ tả phần phương trình (3.17), (3.18) [9] dig (0 dt (3.29) d(ở{t) = -j.cữ(t) + ^ia(t)-jm (í) dt Đặt (3.30) e = Kmco(t) trường điện từ Ka = — hệ số rotor (rotor gain) 60 r = ^ số thời gian rotor (rotor time constant) R Đặt KJa (t)=TM momen xoắn động (motor torque) m(t)=rLmomen xoắn tải (load torque) Tm — — hãng sô thời gian hoc (mechanical time constant) F = — hệ số học (mechanical gain) F Biến đổi Laplace cho phương trình (3.29) (3.30) v,(s)-e(s) [10] =-^-(3.31) +sra — (3.32) Tu(s)-TL(s) 1+V Với từ động DC nam châm vinh cửu hệ tuyến tírih hóa với input điện áp , output vị trí góc quay Sơ đồ khối động DC TL Hình p8 Sơ đồ khối động DC tuyến tính hóa Để xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái, vector input, vector output, vector trạng thái biểu diến sau: 61 Vector trạng thái x{t) gồm thành phần X1 = i (t) vận tốc góc x2 = ũAt) độ lệch góc x3 = 0ự): Phưcmg trĩnh trạng thái trở thành \ R Km tị —— X, -—^Xj ^’ L 1L 2+ K 1fx J X l j (3.33) (3.34) m (3.35) Phương trĩnh Output Theo y(t) = x3(t) dạng ma trận ta có: (3.36) t) + gu(t) + hd (3.37) y ( t ) = cx(t) Với co(t) x(t) = e ( t ) (3.38) V (í)l w(r) = TL ~ 11 ;; , d nhiêu có giới han \d < & (Í)J c = [o 1] -R/ L - K m / L / = KJJ 0' -F/J = Ì/L 0 -IU T ,h = 0 Mặt phẳng trượt xác định a ị ^ x ) = c1x1+c2x2+cĩxĩ (3.39) CpCj làhằngsố Cần thiết kể điều khiển có cấu trúc thay đổi thỏa mãn X - nghiệm tiệm cận ổn định [11] Thiẽt kẽ điêu khiên Mặt phang trượt xác định cr(x) =C1X1 +C2X2 + C X = pTx Với PT = [ c x c (3.40) C 3] 62 Để xác định luật điều khiển giữ cho hệ cr(x) = , hàm Lyapulov giới thiệu v(x) = (3.41) Luật điều khiển thiết kế thỏa mãn cr(;c)^0 Luật điều khiển Từ phưcmg trĩnh (3.40) (3.41) ta có V = ơpT: (3.42) = cr(pT f + p T g u + p T h d ) Chọn luật điều khiển -r+f‘Sìgn(