Cải thiện mật độ phân bố lực trong động cơ từ trở

Bài viết trình bày mối quan hệ giữa lực từ và mô men trong động cơ từ trở. Đồng thời, nhóm tác giả đề xuất một giải pháp mới - thay đổi cấu trúc rotor nhằm cải thiện mật độ phân bố lực trong động cơ từ trở. Kết quả bước đầu cho thấy, mật độ phân bố lực trong động cơ từ trở mới tăng, góp phần nâng cao mô men quay.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 1.1, 2019 63 CẢI THIỆN MẬT ĐỘ PHÂN BỐ LỰC TRONG ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ IMPROVING FORCE DISTRIBUTION DENSITY IN SWITCHED RELUCTANCE MOTOR Phí Hồng Nhã1,2, Đào Quang Thủy3, Phạm Hùng Phi1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phihoangnha@gmail.com Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; phihoangnha@haui.edu.vn Bộ Khoa học Cơng nghệ; hvgn.98@gmail.com Tóm tắt - Động từ trở có nhiều ưu điểm bật, dần trở thành lựa chọn hệ thống truyền động tốc độ cao Trong động từ trở, lực mật độ phân bố lực có ảnh hưởng khơng nhỏ đến đặc tính làm việc động Mật độ phân bố lực tác động trực tiếp đến trình hình thành mơ men quay động cơ, từ định đến hiệu suất làm việc động Bài báo trình bày quan hệ lực từ mô men động từ trở Đồng thời, nhóm tác giả đề xuất giải pháp - thay đổi cấu trúc rotor nhằm cải thiện mật độ phân bố lực động từ trở Kết bước đầu cho thấy, mật độ phân bố lực động từ trở tăng, góp phần nâng cao mô men quay Abstract - The switched reluctance motor has many advantages and gradually become a choice for high speed drive systems In a switched reluctance motor, the force and force distribution density have a significant influence on the characteristics of the motor The force distribution density directly impacts the process of torque formation in the motor, thereby determining the performance of the motor The article presents the relationship between the magnetic force and the torque in the switched reluctance motor At the same time, to improve the force distribution density in the switched reluctance motor, the authors propose a new solution: to change the rotor structure Initial results show an increase in the force distribution density in the new switched reluctance motor, which contributes to torque enhancement Từ khóa - Mật độ phân bố lực; mô men; động từ trở; SRM; động từ trở Key words - Force distribution density; torque; switched reluctance motor; SRM; new switched reluctance motor Giới thiệu Động từ trở (SRM) biết đến với nhiều ưu điểm cấu tạo đơn giản, mô men khởi động lớn, rotor nam châm vĩnh cửu nên cho phép nhiệt độ làm việc cao,… Tuy nhiên, SRM chưa quan tâm nhiều khó điều khiển mơ men đập mạch lớn Những năm gần đây, với phát triển công nghệ bán dẫn, điện tử công suất, … động từ trở dần ứng dụng phổ biến số lĩnh vực công nghiệp gia dụng Những ứng dụng cơng nghiệp đòi hỏi SRM đạt đặc tính làm việc khắt khe mơ men quay lớn, hiệu suất cao, … Nhiều cơng trình nghiên cứu [1], [2] tập trung thay đổi cấu trúc động cơ, hay tác động vào phần điều khiển [3], [4] nhằm nâng cao mô men, hiệu suất động từ trở Tuy nhiên, thay đổi làm tăng tính phức tạp chế tạo tăng chi phí Hơn nữa, phân bố mật độ khối lượng lực rotor stator định đến mô men quay động Lực từ động lớn sinh mô men quay lớn Lực từ hợp lực hai lực tiếp tuyến xuyên tâm, phụ thuộc vào cấu tạo vật liệu chế tạo động Chính vậy, tác giả tiến hành phân tích, đánh giá mối quan hệ lực từ mô men động từ trở, đồng thời đề xuất giải pháp thay đổi cấu trúc rotor động nhằm nâng cao mật độ khối lượng lực, cải thiện mô men quay động từ trở hỗ cảm pha Phương trình điện áp đưa ra: Mơ hình tốn động từ trở Mơ hình tốn động từ trở [5] gồm ba phương trình: phương trình điện áp, phương trình mơ men phương trình 2.1 Phương trình điện áp Giả thiết pha riêng biệt động gồm: điện trở cuộn dây R, điện cảm L(i, θ), điện áp u cung cấp cho pha tổng độ sụt áp tỉ lệ từ thông ψ(i, θ), bỏ qua d (i, ) d (i, ) = −iR + u  u = Ri + dt dt (1) Với  (i,  ) = L(i, )i (2) Có hai khái niệm cần phân biệt góc khí θ góc điện (nR.θ) Góc khí biểu thị góc quay vị trí rotor, góc điện hiển thị góc tính tốn dòng điện điện áp pha Phương trình điện áp theo dạng góc điện sau: u = Ri + d (nR , i) dt (3) Xét động từ trở ba pha 6/4, pha lệch góc điện s = 2 Hệ phương trình điện áp cho pha 3nR sau: d  ua = Ria + dt  (nR , ia )  d  ub = Rib +  (nR ( −  s ), ib ) dt  d  uc = Ric + dt  (nR ( − 2 s ), ic )  (4) 2.2 Phương trình mơ men Phương trình mơ men xây dựng theo nguyên tắc tổng lượng từ trường, cơng thức tính mơ men động từ trở vị trí rotor cuộn dây pha sau: T (i, ) = W ' (i,  )  (5) đó: θ góc rotor; i dòng điện pha; W’(θ, i) tổng lượng từ trường Tổng từ trường xác định vùng diện tích phía đường cong từ hố Hình 1: i W' ( , i) =  ( , i)di (6) Phí Hồng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi 64 lực tiếp tuyến fT sinh mép cực stator rotor Hình Lực từ sinh cực stator rotor Hình Biểu đồ phác họa lượng từ trường tổng Trong trường hợp, động từ trở không bị ảnh hưởng bão hòa từ điện cảm khơng phụ thuộc dòng điện, phụ thuộc vị trí rotor (2), mô men sinh ra: T ( , i ) = i2  L( , i ) di 2  0 (7) Nếu L thay đổi tuyến tính theo vị trí rotor cơng thức tính mô men sau: dL( , i) T = i2 dt (8) Mô men động ba pha tổng mô men pha Te = Ta + Tb + Tc 2.3 Phương trình Theo định lý cân mô men động cơ: Te − Tl = J d + Cms dt (9) đó: Te mô men tổng động cơ; Tl mô men tải; ω tốc độ động cơ; J mơ men qn tính; Cms số ma sát Mối quan hệ lực từ mô men động từ trở 3.1 Lực từ động từ trở 3.1.1 Vai trò lực Khi cuộn dây stator động từ trở kích thích làm quay rotor xuất lực từ sinh cực stator bị kích thích cực rotor đối diện, thể Hình Trong vùng gối chồng cực stator rotor, đường từ thơng vng góc với mặt cực lực điện từ hoạt động lực hút theo hướng xuyên tâm Mặt khác, đường từ trường nghiêng tìm thấy gần mép cực stator rotor, phân tích thành thành phần tiếp tuyến xuyên tâm thể Hình [6] Các lực từ tương ứng lực xuyên tâm fR lực tiếp tuyến fT Hai lực hình thành nên hợp lực fN (theo nguyên tắc tổng hợp lực hình bình hành) hoạt động mơ men quay, làm quay rotor Như vậy, lực tiếp tuyến có vai trò sinh mô men làm quay rotor lực xuyên tâm lực hút cực rotor, stator Hình cho thấy phân tích phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phân bổ lực tiếp tuyến xuyên tâm dọc theo khe hở khơng khí sức từ động (mmf) 600 A, cực tính lực tiếp tuyến bị đảo ngược Lực xuyên tâm fR sinh toàn vùng gối chồng cực stator rotor, Hình Phân bổ lực xuyên tâm tiếp tuyến [6] Xét vai trò lực tiếp tuyến lực xuyên tâm, lực tiếp tuyến lực hữu ích, lực xun tâm lực có hại Trong trình hình thành hợp lực fN, lực tiếp tuyến lớn tốt, có tác dụng quay rotor, tăng mô men Trong trường hợp lý tưởng fN = fT Trái ngược với fT, lực xuyên tâm fR hút giữ cặp cực rotor, stator Trong trường hợp lực xuyên tâm sinh cực đối diện không nhau, lực làm biến dạng stator, làm lệch khe hở khơng khí, gây cân bằng, tạo tiếng ồn Đây điều không mong muốn hoạt động SRM 3.1.2 Công thức tính lực từ Việc tính tốn lực xun tâm dựa phương trình Maxwell Stress Tensor [7] Bỏ qua bão hòa từ trường, giả sử đường từ thông xác định phù hợp cho việc áp dụng Maxwell Stress Tensor Cùng với lựa chọn thích hợp tích phân phần xung quanh bề mặt cực riêng lẻ, Maxwell Stress Tensor cung cấp tính tốn trực tiếp cho lực xun tâm Theo phương trình Maxwell Stress Tensor (10) (11), lực tổng hợp FN lực tiếp tuyến FT cặp cực stator rotor sau: FN = 20  (B s N − BT2 )dA (10) FT = 20  B s N BT dA (11) đó: BN, BT thành phần pháp tuyến tiếp tuyến mật độ từ thông, tương ứng, μ0 độ từ thẩm khơng khí lấy độ từ thẩm chân khơng Hình Ứng dụng Maxwell Stress Tensor tính tốn lực xun tâm lực tiếp tuyến ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 1.1, 2019 Để minh họa, xem xét phân bố hai cực sơ đồ biểu diễn đơn giản Hình Giả thiết đường sức từ trường có phân bố Hình Biên dạng bao quanh lựa chọn cho đường từ thơng vng góc song song với biên dạng Dưới điều kiện này, phương trình Maxwell Stress (10) đơn giản hóa sau: Với đường từ thơng vng góc, thành phần BT 0, lực FN là: FN = 20  B s N (12) dA Với đường từ thông song song, BN 0, lực FN trở thành: FN = 0  −B dA s T (13) Áp dụng phương trình cho biên dạng xác định Hình Kết theo lực lượng xuyên tâm tiếp tuyến tiếp hoạt động cực rotor: Fradial = = Ftangential = −  L 2 2 B dl + B dl + B dl + B 2f dl    f1 m m    0   L ( B 2f 1l12 + Bm2 (l23 + l45 ) + B 2f 2l56 ) 0 L L Bm dl = − Bm2 l34  0 0 (14) (15) đó, Bf1, Bf2 Bm từ trường bao quanh khe hở khơng khí 1, từ trường khe hở chính, L chiều dài động 3.2 Mối quan hệ mơ men lực từ Theo cơng thức tính cơng suất cho động điện: P=mUIcosφ (16) đó: m số pha; U điện áp cấp cho động cơ; I dòng điện; cosφ hệ số cơng suất Cơng suất P cơng có ích phụ thuộc vào dòng điện điện áp Theo [8], cơng suất tức thời pha động biểu diễn: pi = ui = Rs i + i dL ( , i ) dt + L ( , i ) i di dt (17) Công suất P cấp từ nguồn sinh sức điện động e, sức điện động e thành phần có ích động cơ, tạo mô men quay, đồng thời, tổn hao công suất điện trở Rs điện cảm làm giảm hiệu suất động Vấn đề đặt biến cơng suất từ lưới chuyển hóa thành sức điện động động đạt giá trị lớn nhất, tổn hao điện trở cuộn cảm nhỏ tốt Khi đó, mơ men trục động tính cơng thức sau: M= P  đó: M mơ men điện từ; (18) 65 P công suất; ω tốc độ quay Theo (18) công suất P lớn, sinh mô men lớn Mặt khác, phương trình chung mạch từ động cơ: F = Ф.Rm = Ф.(RmAir + RmFe) (19) đó: F sức từ động; RmAir từ trở khe hở khơng khí; RmFe từ trở lõi thép Lực từ F tỉ lệ thuận với từ thông lõi thép từ trở Trong SRM, lực từ F sinh không đổi, từ trở nhỏ dẫn đến từ thơng lõi thép tăng Mặt khác, từ thơng Ф sức điện động e có mối liên hệ: e=CeФn (20) đó: e sức điện động; Ce hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy dây quấn; Ф từ thông; ω tốc độ quay; Như vậy, theo (18) (20), từ thông Ф (Ф=B.A) tăng dẫn đến mô men M động tăng Từ (18) (19), lực từ mô men tỉ lệ thuận với Mật độ phân bố lực động từ trở Mật độ phân bố lực động kết sơ đánh giá độ lớn lực từ mơ men Từ định hiệu suất làm việc động Qua nghiên cứu cho thấy mối quan hệ ràng buộc độ từ cảm B lực điện từ Độ từ cảm lớn dẫn tới lực từ lớn Hơn nữa, độ tự cảm B cấu trúc vật liệu chế tạo động định Vì vậy, tác giả đề xuất thay đổi cấu trúc động nhằm nâng cao giá trị độ tự cảm làm việc 4.1 Cấu trúc động từ trở Động từ trở đề xuất có cấu trúc Hình 5a Stator động có cấu tạo SRM truyền thống Cấu trúc rotor thay đổi: vật liệu chế tạo rotor thép Silic thông thường sử dụng nhôm nguyên khối phân chia rotor thành hai phần Với cấu trúc này, mạch vòng từ thơng động thay đổi Đường từ trường thay đổi, tập trung vùng cực stator rotor nhiều hơn, thể đầy đủ Hình 5b Thơng số cấu trúc động từ trở cho Bảng Bảng Thơng số kích thước động từ trở Ns/Nr (Số cực stator/rotor) 6/4 βs/βr 20/24 độ (Góc cực stator/rotor) D0 D 190 mm (Đường kính ngồi (Đường kính stator) Stator) Dsh (Đường kính trục) 89,7 mm ys, yr 28 mm (Độ dày gông stator, 12,5 mm rotor) hs hr 77,2 mm 59,5 mm (Chiều cao cực stator) (Chiều cao cực rotor) g l 0,3 mm 114 mm (Chiều dài khe khí) (Chiều dài động cơ) Dr (Đường kính ngồi 100 mm rotor) Vật liệu Silic Phí Hồng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi 66 (a) (b) Hình Cấu trúc động từ trở 4.2 Kết thảo luận Động từ trở mô để đánh giá mật độ khối lượng lực phân bố động loại 6/4 cực pha Kết mô mật độ phân bố lực SRM truyền thống với SRM - cấu trúc rotor thay đổi, thể Hình 6, Hình Trường hợp SRM có cực stator rotor vị trí gối chồng, vị trí thẳng hàng hồn tồn vị trí khơng thẳng hàng, mật độ phân bố khối lượng lực SRM SRM truyền thống cho Bảng Bảng Giá trị lực thể tích lớn động từ trở vị trí cực từ Cực roto, stato thẳng hàng Cực roto, stato không thẳng hàng Cực stato, roto gối chồng Hình Lực thể tích SRM cực stator rotor thẳng hàng SRM truyền thống SRM SRM truyền thống SRM SRM truyền thống SRM 1,9x10 N/m3 3,2x10 N/m3 4,55x10 N/m3 5,5x10 N/m3 7,28x10 N/m3 7,49x10 N/m3 Hình Lực thể tích SRM cực stator rotor khơng thẳng hàng Hình Lực thể tích SRM cực stator rotor gối chồng Kết mô cho thấy, SRM cấu trúc cho giá trị mật độ khối lượng lực cao hơn so với SRM truyền ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 1.1, 2019 thống Với mật độ phân bố khối lượng lực lớn, SRM dự báo đạt hiệu suất cao Kết nhóm tác giả cơng bố kết phân tích, đánh giá bước đầu, để có kết đánh giá đầy đủ lực từ mô men SRM cần xây dựng mơ hình tốn cho động công bố nghiên cứu Kết luận Bài báo trình bày phân tích, đánh giá mối quan hệ mô men lực từ Lực từ mô men tỉ lệ thuận với nhau, qua định đến hiệu suất động từ trở Lực từ phân bố SRM cấu trúc so sánh với SRM cấu trúc truyền thống Kết bước đầu khẳng định ưu điểm vượt trội SRM nâng cao mật độ lực từ so với SRM cũ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Mir, M E Elbuluk and I Husain, “Torque-rippleMinimization in Switched Reluctance Motors Using Adaptive Fuzzy Control”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol 35, no 2, pp 461-468, 1999 67 [2] D S Reay, T C Green and B W Williams, “Application of Associative Memory Neural Networks to the Control of a Switched Reluctance Motor”, IECON, vol 1, pp 200-206, 1993 [3] Wadah Abass Aljaism, Switched reluctance motor: Design, simulation and control, Dortor of philosophy in electrical engineer, University of Western Sydney, 2007 [4] Lingquan Zeng, Haiwei Yu, “Research on a novel Rotor Structure Switched Reluctance Motor”, International Conference on Applied Physics and Industrial Engineering, Physics Procedia, vol 24, pp 320 – 327, 2012 [5] P H Nha, D Q Thuy, “Improving the Characteristics of Switched Reluctance Motor”, Automatic Control and System Engineering Journal, vol 18, pp 59 - 66, 2016 [6] Masayuki Sanada, Shigeo Morimoto, Yoji Takeda, “Novel Rotor Pole Design of Switched Reluctance Motors to Reduce the Acoustic Noise”, IEEE, pp 107 – 113, 2000 [7] Neil R Garrigan, Wen L Soong, Charles M Stephens, Albert Storace, Thomas A Lipo, “Radial Force Characteristics of a Switched Reluctance Machine”, IEEE, pp 2250 – 2258, 1999 [8] R Krishnan, Switched Reluctance Motor Drives – modeling, Simulation, Analysis, Design, and Application, Industrial Electronics Series, 2001 (BBT nhận bài: 12/10/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 05/12/2018) ... với Mật độ phân bố lực động từ trở Mật độ phân bố lực động kết sơ đánh giá độ lớn lực từ mơ men Từ định hiệu suất làm việc động Qua nghiên cứu cho thấy mối quan hệ ràng buộc độ từ cảm B lực điện... tổng động cơ; Tl mô men tải; ω tốc độ động cơ; J mơ men qn tính; Cms số ma sát Mối quan hệ lực từ mô men động từ trở 3.1 Lực từ động từ trở 3.1.1 Vai trò lực Khi cuộn dây stator động từ trở kích... tốn cho động công bố nghiên cứu Kết luận Bài báo trình bày phân tích, đánh giá mối quan hệ mô men lực từ Lực từ mô men tỉ lệ thuận với nhau, qua định đến hiệu suất động từ trở Lực từ phân bố SRM