Thiết kế điện từ động cơ servo đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Bài báo đưa ra mô hình giải tích của PMSM phục vụ cho việc thiết kế, nhằm đưa ra các thông số về cấu trúc hình dạng cơ bản điện từ của động cơ. Các tác giả sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng ansys maxwel để phân tích, đánh giá kết quả thiết kế đạt được từ mô hình giải tích. Từ đó bài toán thiết kế tối ưu một số thông số cơ bản với hàm mục tiêu giảm trọng lượng (giá thành) của động cơ được trình bày. Kết quả đạt được đóng góp vào lĩnh vực còn rất mới về nghiên cứu chế tạo sản xuất động cơ servo trong nước.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ ĐỘNG CƠ SERVO ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ELECTROMAGNETIC DESIGN FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS SERVOMOTOR Nguyen Đức Bắc1, Trần Tuấn Vũ1, Nguyễn Thế Công1 Nguyễn Huy Phương1, Nguyễn Văn Thiện2 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2Trường Đại học Xây dựng Ngày nhận bài: 22/5/2018, Ngày chấp nhận đăng: 2/7/2018, Phản biện: TS Nguyễn Đăng Toản Tóm tắt: Động servo đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM-Permanent Magnet Synchronuos Motor) với ưu điểm bật hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn, điều khiển xác, sử dụng nhiều hệ truyền động yêu cầu xác vị trí tốc độ Bài báo đưa mơ hình giải tích PMSM phục vụ cho việc thiết kế, nhằm đưa thông số cấu trúc hình dạng điện từ động Các tác giả sử dụng phần mềm mô Ansys Maxwel để phân tích, đánh giá kết thiết kế đạt từ mơ hình giải tích Từ tốn thiết kế tối ưu số thơng số với hàm mục tiêu giảm trọng lượng (giá thành) động trình bày Kết đạt đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sản xuất động servo nước Từ khóa: Động servo, động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM), mơ hình giải tích, thiết kế tối ưu Abstract: Permanent magnet synchronous servomotors (PMSM) with typical advantages are high performance, precise control, compact size, used in many drive systems that request pricise speed and position The paper presents an analytical sizing model of PMSM in order to provide the geometric structure design for the servomotor The AnsysMaxwel simulation software was used to evaluate and analyze the characteristics of the obtained motor Then the design optimization problem aiming to minimize the mass (cost) of the motor is presented The results of electromagnetic optimal design contribute to the nouvel field of research and development, design and manufacture of servomotors in the local market Key words: Servomotor, permanent magnet synchronous machine (PMSM), analytical model, optimal design MỞ ĐẦU Động servo thường yêu cầu thông số kỹ thuật phức tạp: hoạt động Số 16 dải mômen lớn - tốc độ rộng, thời gian độ nhỏ, trọng lượng nhỏ, điều khiển xác, thiết kế nhỏ gọn Thiết kế máy 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) điện nói chung động servo nói riêng thường dựa vào mơ hình nguyên mẫu ảo [1] Tuy nhiên để đạt yêu cầu kỹ thuật mong muốn, thiết kế tối ưu hình dáng kích thước cơng việc khó khăn phức tạp lựa chọn thông số tối ưu với hàm ràng buộc [1-3] Bài toán tối ưu góp phần giảm thiểu chi phí sản xuất cho doanh nghiệp [4] Động xoay chiều loại đồng không đồng sử dụng ngày nhiều có nhiều ưu điểm mật độ công suất, hiệu suất độ bền so với động chiều Hiện động đồng nam châm vĩnh cửu (permanent magnet synchronous machine-PMSM) sử dụng phổ biến các động chuyên dụng, đặc biệt động servo (sơ đồ phân loại theo hình 1) Các cơng trình nghiên cứu, thiết kế động servo PMSM [5-8] việc phân tích điện từ giải pháp thiết kế [9] chưa đưa mơ hình tổng quan thiết kế, đặc biệt toán tối ưu Động servo Động servo Động servo chiều xoay chiều Động servo xoay chiều đồng hiệu suất, linh hoạt điều khiển từ thông so với động đồng kích từ dây quấn Với loại nam châm vĩnh cửu có mật độ lượng cao sử dụng nam châm đất NdFeB, kích thước động nhỏ hơn, momen quán tính thấp, thuận lợi cho nhiều ứng dụng truyền động servo Trong vài năm trở lại đây, giá thành NdFeB có xu hướng giảm dẫn đến động PMSM kết hợp biến tần ngày ứng dụng rộng rãi cho ứng dụng cần thay đổi vận tốc Hình Động servo PMSM Dựa vào vị trí nam châm người ta phân thành loại: động nam châm bề mặt (Surface - SPMSM) động nam châm chìm (Interior - IPMSM) Động IPMSM có ưu điểm so với SPMSM như: Khả tạo mômen lớn hơn, cho phép tốc độ làm việc cao hơn, điều chỉnh từ thơng nhiều hơn, có nhiều ưu điểm điều khiển Nội dung nghiên cứu báo loại IPMSM Động bước Động servo xoay chiều không đồng Hình Phân loại động servo Ưu điểm động servo PMSM (hình 2) khơng có tổn thất đồng rotor, tăng 52 Hình Các kiểu rotor với nam châm gắn (a, b, c) gắn (d, e, f, g) PMSM Số 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Vật liệu nam châm đất có mật độ từ thơng lớn, kích thước rotor khơng cần q lớn mà đạt từ thông mong muốn, mật độ cơng suất IPMSM thường cao Hình đưa kiểu rotor sử dụng động nam châm vĩnh cửu Đặc tính từ hóa nam châm đất NdFeB - N39UH phụ thuộc nhiệt độ thể hình vòng/phút, tốc độ định mức 1500 vòng/phút tần số 50 Hz, làm mát tự nhiên Mơ hình giải tích tính tốn kích thước mạch từ động IPMSM tóm tắt đây: Đường kính ngồi (cm) lõi thép stator: 𝑃𝑠 𝐷𝑛 = 14,9 (cm) √𝐵𝛿 𝐴 𝜆 (1) Trong : 𝑃𝑠 công suất biểu kiến (VA) 𝑃𝑠 = 𝑃đ𝑚 η.Cos𝜑 (2) 𝑃đ𝑚 công suất định mức η hiệu suất động 𝜆= Hình Đặc tính từ hóa vật liệu nam châm NdFeB - N39UH Nội dung báo phần đưa mơ hình giải tích IPMSM với ứng dụng thiết kế cụ thể mô kết đặc tính yêu cầu động servo Phần áp dụng thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu giảm thiểu trọng lượng nam châm vĩnh cửu Các kết đưa bàn luận phần 𝑙  tỷ số chiều dài lõi thép với bước cực 𝜆= 0,451,0 2p=2 𝜆= 0,81,4 2p=4 A: tải đường stator (A/cm), A = 105–150 A/cm 2p = A = 120–200 A/cm 2p = 𝐵𝛿 : mật độ từ thông khe hở khơng khí (T), 𝐵𝛿 = 0,5-0,6 (T) MƠ HÌNH GIẢI TÍCH Đường kính lõi thép stator: 2.1 Xác định kích thước 𝐷 = 𝑘𝐷 𝐷𝑛 Yêu cầu đặc tính động servo pha cần thiết kế: mômen xoắn 14 N.m, công suất 2,2 kW, hiệu suất 87 %, điện áp điện mức tối đa 380 Vrms, tốc độ tối đa 4000 𝑘𝐷 : Hệ số kết cấu Số 16 (3) (4) 𝑘𝐷 = 0,485–0,615 2p = 𝑘𝐷 = 0,495-0,655 2p = 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bước cực: 𝑆𝑠 = 𝜋 𝐷  = 2𝑝 (5) p số cặp cực Chiều dài lõi thép: 𝑙 = 𝜆 Khe hở khơng khí (mm): 𝐷 ℎ𝑚 = (8) Số vòng dây pha: 𝑈đ𝑚 𝑘𝑒 108 𝑘𝑠 𝑓  𝑘𝑑𝑞 (9) Trong đó: 𝑘𝑠 hệ số sóng, 𝑘𝑠 = 1,07 ÷ 1,1 𝑈đ𝑚 𝑘𝑒 = 𝐸đ𝑚 (10) với 𝑈đ𝑚 , 𝐸đ𝑚 : điện áp định mức sức điện động, 𝑘𝑒 = 0,7 ÷ 1,05 Từ thơng khe hở khơng khí:  = ∝𝛿  𝑙 𝐵𝛿 (11) ∝𝛿 = 0,5 ÷ 0,73 Tiết diện dây quấn: 54 𝐵𝑔 𝛿 𝐵𝑔 − 𝐵𝑟 (15) Trong đó: 𝐵𝑔 mật độ từ thơng khe hở khơng khí, 𝐵𝑟 mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu Hoặc xác định theo [11], thể tích nam châm là: 𝑉𝑚 = 𝑐𝑣 𝑃đ𝑚 (16) 𝑓.𝐵𝑟 𝐻𝑐 𝐻𝑐 lực kháng từ (A/m); 𝑓 tần số dòng điện stator; 𝑐𝑣 hệ số thể tích nam châm 𝑐𝑣 = 𝑘𝑜𝑐𝑓 𝑘𝑓𝑑 (1+∋) 𝜋 𝜉 (17) 𝑘𝑜𝑐𝑓 hệ số tải động cơ; 𝑘𝑓𝑑 : hệ số hình dáng từ hóa dọc trục ∋ = 0,6  0,95 Chiều cao nam châm: Số dẫn rãnh: a số mạch nhánh song song (14) 𝜉: hệ số tận dụng hóa; Với ∝𝛿 : hệ số cung cực từ tính tốn, 𝑤𝑠 𝑎 𝑈𝑠 = 𝑞 𝑝 𝐷𝑟 = 𝐷 − × 𝛿 Chiều cao nam châm xác định [10]: Với m số pha; q số rãnh cho pha cực từ 𝑊𝑓 = Trong đó: 𝐼đ𝑚 dòng điện định mức; J mật độ dòng điện, J = 5-8 (A/mm2); 𝑛′′ số sợi chập (7) Số rãnh stator: 𝑍𝑠 = 𝑚 𝑝 𝑞 (13) Đường kính ngồi rotor: (6) 𝛿 = 0,2 + 200 (mm) 𝐼đ𝑚 𝑎 𝐽 𝑛′′ (12) ℎ𝑚 = 𝑉𝑚 𝑤𝑚 𝑙𝑚 (18) Kết thông số điện tự định dạng động servo theo yêu cầu, áp dụng mơ hình giải tích trình bày bảng Số 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Kích thước động IPMSM Tên thông số Giá trị Đơn vị Đường kính ngồi stator 200 mm Đường kính stator 131 mm Khe hở khơng khí 0,5 mm Chiều dài mạch từ stator 100 mm Số rãnh stator 48 - 14,7 mm mm 2,2 mm mm Số vòng dây 192 - Số sợi chập - Đường kính dây 0,75 mm Đường kính ngồi rotor 130 mm Đường kính rotor 50 mm Chiều rộng nam châm 60 mm Chiều cao nam châm 4,6 mm Chiều cao rãnh stator Khoảng cách rãnh stator Độ rộng miệng rãnh stator Chiều cao chân rãnh mức 1500 vòng/phút Động đạt cơng suất 2,2 kW tương ứng với góc quay 25° Cơng suất tối đa động sản sinh 10,6 kW Tuy nhiên điểm hoạt động không thỏa mãn điều kiện làm mát tự nhiên động Nói cách khác thời gian công suất hoạt động lớn 2,2 kW bị giới hạn Hình Đặc tính quan hệ cơng suất góc mơmen quay 2.2 Kết mơ đặc tính Sử dụng phần mềm Ansys Maxwell để mơ động servo PMSM với kích thước bảng thể hình Hình Đường cong mối quan hệ hiệu suất động góc momen Hình Mơ hình động IPMSM đạt được, chiều dài mạch từ 100 mm Hình biểu diễn đặc tính cơng suất theo góc quay mơmen điểm hoạt động định Số 16 Đặc tính hiệu suất động 1500 vòng/phút biểu diễn hình Tại thời điểm góc quay 25° tương ứng với công suất 2,2 kW, động đạt hiệu suất 90,6 % thỏa mãn với yêu cầu thiết kế Mặt khác, với góc quay khoảng 15,6° ÷ 90° động đạt hiệu suất hoạt động 87 % 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) biến liên tục Thuật toán cần biết giá trị điểm bắt đầu để thuật tốn tính tốn Các giá trị kết thiết kế phần trước M(lN39UH,wN39UH,hN39UH) (kg) lN39UH ∈ [60 120] (mm) Hình Đặc tính mơmen vận tốc cho dải cơng suất 2,2 kW Hình biểu diễn đặc tính mômen (công suất) theo tốc độ Động thiết kế đáp ứng yêu cầu động servo dải hoạt động mômen 14 N.m công suất 2,2 kW đến 4000 vòng/phút THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ IPMSM Giá thành động phụ thuộc vào nhiều thành phần, giá thành nam châm đất NdFeB động PMSM chiếm tỷ trọng cao Vì cần tối ưu hóa kích thước nam châm NdFeBN39UH với mục tiêu giảm giá thành đảm bảo đặc tính cơng suất hiệu suất u cầu Trong trường hợp này, toán tối ưu động miêu tả sau: Hàm mục tiêu khối lượng nam châm M(lN39UH,wN39UH,hN39UH) với biến liên tục cần tối ưu lN39UH chiều dài nam châm, wN39UH chiều rộng nam châm, hN39UH chiều cao nam châm; công suất hiệu suất ràng buộc Vùng giá trị biến đưa PT(19) Thuật toán tối ưu SQP (Sequential Nonlinear Programming) [12] sử dụng để giải toán thiết kế tối ưu với 56 wN39UH ∈ [40 80] (mm) hN39UH ∈ [ 7] (mm) (19) ràng buộc Pcơ = 2,2 kW effđc ≥ 87,0 % Kết hội tụ sau 29 lần tính tốn tối ưu hóa hàm mục tiêu biến thiết kế thể hình Kích thước nam châm tối ưu thay đổi so với kích thước ban đầu Chiều dài mạch từ stator/rotor giảm từ 100 mm 63 mm Hình Kết hội tụ hàm mục tiêu biến thiết kế Hình 10 cho kết hội tụ thể hiệu suất (eff), dòng điện pha (I) tổng khối lượng phần điện từ gồm mạch từ, dây quấn nam châm động servo (Total Mass) Hiệu suất Total Mass Số 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) động tương ứng với kết tối ưu vòng lặp thứ 29 đạt 90,1% 15,2 kg Hình 10 Hiệu suất, dòng điện stator, tổng khối lượng phần điện từ Hình 11 Kết thiết kế tối ưu động IPMSM, với chiều dài mạch từ 63 mm Hình 11 thể thay đổi kích thước nam châm động sau thiết kế tối ưu so với trước tối ưu (hình 5) Kết giảm 62,6% khối lượng nam châm 34,4% tổng khối lượng điện từ so với thiết kế ban đầu, nhiên giữ nguyên hiệu suất thỏa mãn yêu cầu toán thiết kế đặt ban đầu KẾT LUẬN Bài báo nêu bước thiết kế phần điện từ động servo đồng nam châm vĩnh cửu gắn rotor IPMSM Kết đạt dựa mô Ansys Maxwell phù hợp với yêu cầu đặt cho động servo 2,2 kW Kết thiết kế tối ưu mạch từ nam châm NdFeB để giảm giá thành động cơ, giảm quán tính rotor giảm khối lượng giúp tăng thời gian đáp ứng mà đảm bảo hiệu suất công suất động Kết báo tiền đề cho việc tiến tới tính tốn nhiệt, tối ưu tồn kích thước dải hoạt động động cơ, nghiên cứu tính tốn cơng nghệ khác PMSM, kết hợp sản xuất thử nghiệm mẫu thử, hỗ trợ doanh nghiệp nước thương mại sản phẩm có lĩnh vực áp dụng rộng rãi LỜI CẢM ƠN Cảm ơn Trung tâm Phát triển Ứng dụng phần mềm cho ngành công nghiệp (DASI) Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cung cấp phần mềm Ansys Maxwell Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST), đề tài T2017TT-003 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] CIGRE Тask Force D1.01.10: Ageing of cellulose in mineral-oil insulated transformers”, Brochure N° 323, 2007 [2] M Centner, “Basics and application of motor design optimization in an industrial environment”, 21th International Conference on, Electrical Machines (ICEM), in Berlin, Germany, September 2014 [3] S Stipetic, W Miebach, D Zarko, “Optimization in design of electricmachines: Methodology and workflow”, 2015 Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics Số 16 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) and Advanced Electromechanical Motion Systems (ACEMP-OPTIMELECTROMOTION), Side, Turkey, 2015 [4] Damir Zarko; Drago Ban; Davor Gooricki, “Improvement of a ServoMotor Design Including Optimization and Cost Analysis”, 12th International conference on Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEMC), in Portoroz, Slovenia, 2006 [5] J.R Hendershot and T J E Miller, “Design of Brushless PermanentMagnet Motors” Oxford, U.K.: Clarendon, 1994 [6] J.F Gieras and M Wing, “Permanent Magnet Motor Technology” New York: Marcel Dekker, 2002 [7] D.C Hanselman, “Brushless Permanent Magnet Motor Design” Lebanon, OH: Magna Physics, 2006 [8] David G Dorrell, Min-Fu Hsieh, Mircea Popescu, Lyndon Evans, David A Staton, and Vic Grout,“A Radial-Flux Brushless Surface and Internal Rare-Earth Permanent-Magnet Motors” IEEE transactions on industrial electronics, Vol 58, No 9, 2011 [9] Martin Hafner, Marc Schoning and Kay Hameyer “Automated sizing of permanent magnet synchronous machines with respect to electromagnetic and thermal aspects” The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering Vol 29, No 5, 2010 [10] A El Shahat, A Keyhani, H El Shewy,“Sizing a high speed PM gennerator for green energy applications” J Electrical Systems 6-4 (2010): 501-516 [11] Jacek F.Gieras, Mitchell Wing “Permanent magnet motor technology – design and applications” Marcel Dekker, Inc, New York (2002) [12] P Venkataraman, “Applied Optimization with Matlab Programming”, A Wiley-Interscience publication, John Wiley & Sons, New York, 2002 Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Thế Công nhận Tiến sĩ Kỹ thuật điện năm 1994 Viện Bách khoa Grenoble - Cộng hòa Pháp Lĩnh vực nghiên cứu: động truyền động thẳng, nguồn đóng cắt, phong điện, lượng mặt trời Tác giả Nguyễn Huy Phương nhận Thạc sĩ năm 1997 Tiến sĩ năm 2000 cơng nghệp tự động hóa Viện Kỹ thuật điện Moscow - Liên bang Nga Lĩnh vực nghiên cứu: kiểm sốt q trình, kiểm sốt hệ thống điện tử, ổ bi từ tích cực (AMB), điều khiển động servo điều khiển máy CNC 58 Số 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tác giả Trần Tuấn Vũ tốt nghiệp đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004, nhận Thạc sĩ năm 2005 Viện Bách khoa Grenoble, Tiến sĩ năm 2009 Trường Ecole Centrale de Lille Cộng hòa Pháp Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế tối ưu thiết bị điện, nghiên cứu xe điện, lượng tái tạo, phương pháp thuật toán tối ưu Tác giả Nguyễn Đức Bắc tốt nghiệp đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2005 Hiện nghiên cứu sinh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế động cơ, thiết kế tối ưu Tác giả Nguyễn Văn Thiện nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chuyên ngành kỹ thuật điện năm 2016 Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế thiết bị điện Số 16 59 ... servo đồng nam châm vĩnh cửu gắn rotor IPMSM Kết đạt dựa mô Ansys Maxwell phù hợp với yêu cầu đặt cho động servo 2,2 kW Kết thiết kế tối ưu mạch từ nam châm NdFeB để giảm giá thành động cơ, giảm... lượng nam châm 34,4% tổng khối lượng điện từ so với thiết kế ban đầu, nhiên giữ nguyên hiệu suất thỏa mãn yêu cầu toán thiết kế đặt ban đầu KẾT LUẬN Bài báo nêu bước thiết kế phần điện từ động servo. .. tổng quan thiết kế, đặc biệt toán tối ưu Động servo Động servo Động servo chiều xoay chiều Động servo xoay chiều đồng hiệu suất, linh hoạt điều khiển từ thông so với động đồng kích từ dây quấn