Bài viết này có mục đích trình bày thiết kế và mô phỏng động cơ một chiều không chổi than (BLDC) rotor ngoài. Đầu tiên, các thông số vật liệu, kích thước của stator, rotor được chọn và tính toán theo phương pháp truyền thống.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHƠNG CHỔI THAN ROTOR NGỒI CHO XE ĐẠP ĐIỆN SỬ DỤNG ANSYS DESIGNING OUTER-ROTOR TYPE BRUSHLESS DIRECT-CURRENT MOTOR FOR ELECTRICAL BICYCLE USING ANSYS Nguyễn Việt Anh TĨM TẮT Cơng nghệ gắn động truyền động điện trực tiếp vào bánh xe trở thành xu hướng hệ thống truyền động xe điện Bài báo có mục đích trình bày thiết kế mô động chiều không chổi than (BLDC) rotor ngồi Đầu tiên, thơng số vật liệu, kích thước stator, rotor chọn tính tốn theo phương pháp truyền thống Công cụ phần mềm RMxprt ANSYS sử dụng để xây dựng hình học động để tính tốn tham số thiết kế Sau đó, thiết lập mơ hình phần tử hai chiều ANSYS Maxwell Các đặc tính từ trường mơ-men xoắn mơ hình phân tích Kết cho thấy thiết kế động hợp lý Từ khóa: Rotor ngồi; động DC không chổi than truyền động trực tiếp; thiết kế cấu trúc; phân tích điện từ; gợn mơ-men xoắn ABSTRACT Technology of attaching electric drive motors directly to wheels has become one of the trends in electric vehicle drive systems This article presents the design and simulation of an external brushless dc (BLDC) motor First, the material parameters, stator size and rotor are selected and calculated according to the traditional method Software tools, ANSYS RMxprt, are used to build engine geometry and to calculate basic design parameters Then, set up a twodimensional element model using ANSYS Maxwell The magnetic and torque characteristics of the model were analyzed The results show that the engine design is reasonable Keywords: Outer rotor; direct-drive brushless DC motor; structural design; electromagnetic analysis; torque nhiên liệu hóa thạch hoạt động thân thiện với mơi trường cách giảm phát thải khí độc hại Xe điện có nhiều phận mơ-đun sạc, chuyển đổi, điều khiển, pin, động điện sơ đồ khối lượng chảy xe điện thể hình Từ hình 1, nguồn điện lấy từ bên ngồi cách sử dụng pin mặt trời để tạo điện từ nguồn cung cấp AC Nguồn sau chỉnh lưu chuyển đổi cung cấp cho pin thông qua mô đun sạc Pin cung cấp lượng điện cho động thơng qua điều khiển, giúp kiểm sốt thơng số đầu vào đầu Công suất học đầu từ động cung cấp cho bánh xe thông qua trục truyền động Theo cách này, lượng điện chảy qua phận khác xe điện chuyển đổi thành lượng học Do đó, động điện xe đạp cần xác định đặc tính đầu công suất, mô-men xoắn, tốc độ,…, để vượt qua lực tải trọng lực đối lập khác tác động lên xe Hình Sơ đồ khối lượng chạy xe điện [10] Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: anhnguyen.haui@gmail.com Ngày nhận bài: 01/7/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/8/2020 Ngày chấp nhận đăng: 21/10/2020 GIỚI THIỆU Sự phát triển phương tiện lượng trở thành điểm nóng khoa học cơng nghệ Trong phương tiện sử dụng lượng mới, xe điện dần trở thành chủ lực phương tiện, ô nhiễm môi trường ít, tiêu thụ lượng thấp, điều khiển kiểm soát rõ ràng số lợi khác Xe điện công nghệ tốt tương lai để giảm việc sử dụng XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ Lấy mơ hình định xe đạp điện làm đối tượng nghiên cứu, động DC không chổi than truyền động trực tiếp tốc độ trung bình thấp với cấu trúc rotor phát triển Đối với kích thước hệ thống xe đạp điện, giả sử di chuyển với tốc độ 25km/h (6,94m/s) mặt đường phẳng với độ dốc 00 3,5km/h xe lên dốc[5] Bảng trọng số gần hệ thống truyền động Bảng Hệ thống thành phần trọng lượng xe đạp điện 22 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Thông số Trọng lượng (kg) Xe đạp 25 Động hệ thống truyền động Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bộ điều khiển mạch điện tử Ắc quy Người xe đạp ngồi sau 150 Trong hình 2, ta xét xe đạp điện vượt dốc có góc lệch với mặt phẳng α = 30⁰ Fleodoc Crr M.g.cos M.g.sin Bước để thiết kế động thiết lập mục tiêu công việc theo mức tiêu thụ lượng hiệu suất xe cho cá nhân sử dụng Năng lượng mà xe cần để di chuyển tốc độ định tính tốn xấp xỉ cách thêm tải trọng mà phải vượt qua Ba loại tải trọng đường phải tính đến [6, 7] Tải trọng thụ động xe Tải trọng để vượt qua quán tính di chuyển Tải trọng đưa điều kiện xe di chuyển đường Như lực cần thiết để xe đạp kéo trọng tải theo yêu cầu, xác định: Ftong = Flan + Fleodoc + Fcankhidonghoc (1) Trong đó: - Ftong: Tổng lực kéo mà đầu động phải vượt qua, để di chuyển xe - Flan: Lực lực cản lăn - Fleo doc: Lực cản leo dốc - Fcankhidonghoc: Lực cản khí động học 2.1 Lực cản lăn Là lực cản cung cấp cho xe tiếp xúc lốp xe với đường Công thức tính lực lực cản lăn đưa theo phương trình: Flan = Crr.M.g (2) Trong đó: - Crr: Hệ số lực cản lăn - M: Khối lượng xe tính kg - g: Gia tốc trọng lực = 9,81m/s2 Đối với ứng dụng cho xe đạp điện ta chọn, Crr = 0,01, thế: Flan = 0,01.180.9,81 = 17,658N (3) Công suất cần thiết để vượt qua lực cản lăn 17,658N là: Plan Flan v 25000 17, 658 122, 625( W ) 3600 3600 (4) 2.2 Lực cản leo dốc Góc α hợp mặt đất độ dốc đường dẫn vượt cầu thể hình Fleodoc M.g.(Crr cos sin ) Fleodoc 180.9,81.(0,01 Fleodoc = 898,08N (6) Công suất cần thiết để vượt qua lực cản dốc 898,08N là: Pleodoc Fleodoc Fleodoc Fms M.g.sin Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn (5) v 3500 898, 08 873, 13 (W ) 3600 3600 (7) 2.3 Lực cản khí động lực học Cơng thức tính lực cản khí động học đưa theo phương trình: Fcankhidonghoc 0, 5.C a A f p.(v v ) (8) Đây ba lực tác dụng lên xe di chuyển với tốc độ khơng đổi Trong tăng tốc giảm tốc tác dụng lực qn tính có tác dụng Ở ta chọn cơng suất cần thiết để vượt qua lực cản khí động lực học lực cản khác Pcankhidonghoc = 80W Do đó, tổng cơng suất cần thiết để di chuyển xe là: Ptong 873, 13 80 953,13(W) 0, 953 (kW) (9) Tuy nhiên không nên chọn động điện có cơng suất đầu 0,953kW Vì truyền tải điện cho bánh xe cịn bao gồm tổn thất Do đó, cơng suất học (Mkéo) cần thiết để điều khiển xe đưa theo phương trình: Mkeo Ptong (10) Trong đó, η hiệu suất hệ thống truyền động Ta chọn hiệu hệ thống truyền tải 0,8 Do đó, sản lượng điện cần thiết là: Mkeo Ptong 953, 13 1191, (W) 1, 119 (kW ) 0, (11) Như để minh họa lựa chọn công suất định mức cho xe đạp điện có tải trọng 180kg, ta chọn động có cơng suất P = 1,2kW Theo cách này, tính đánh giá lượng cần thiết để điều khiển xe đạp điện có tải trọng cụ thể tính tốn 2.4 Vận tốc góc Vận tốc góc xe đạp điện với kích thước 15inch tốc độ 25km/h Được đánh giá phân tích vịng/phút động tính: nrpm Hình Góc α hợp mặt đất độ dốc cầu Cơng thức tính lực cản dốc đưa theo phương trình: ) 2 m v( ) 6, 94 9, 55 s 9, 55 374, 44 (v / p) v(m) 0, 177 (12) 2.5 Mô-men xoắn Mô-men xoắn máy tạo hàm tốc độ góc với bánh xe công suất đầu động thể sau: Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 23 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ T (Nm ) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 P(W) 1191 30, 389(Nm ) (13) rad 2.374, 44 (v / p) ( ) s 60 QUY TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC 3.1 Cấu hình động Cấu hình rotor ngồi động BLDC với pha, 48 rãnh, 56 cực hình Các cực rotor hình thành 56 miếng nam châm vĩnh cửu Số lượng phân số rãnh cực 48/56 Sự xếp giúp loại bỏ mơ-men xoắn gợn động Hình Hình dạng stator BLDC 48 rãnh thơng số nhập vào Rmxpt Bảng Thông số kĩ thuật stator STT 10 11 12 13 14 Hình Cấu hình rotor ngồi động BLDC Thơng số kỹ thuật động thể bảng Bảng Thông số kĩ thuật động BLDC STT 3 Thông số Công suất định mức: Pđm (W) Điện áp định mức: Vdc (V) Tốc độ định mức: nđm (v/p) Tốc độ góc định mức: ωđm (rad/s) Hiệu suất: η Hệ số công suất: cosφ Số pha: m Giá trị 1200 48 375 39,27 0,8 0,95 Thơng số Đường kính ngồi Stator: Dos(mm) Đường kính Stator: Dis (mm) Chiều dài Stator: Ls (mm) số rãnh Số dẫn rãnh Loại thép Hệ số ép chặt Loại rãnh Độ rộng nghiêng Số dẫn rãnh Tiết diện dây (mm2) Số lớp dây quấn Đường kính dây (mm) Kiểu đấu dây Giá trị 298 230 50 48 M270-35A 0,95 6,36 Y-ngắn 3.3 Thiết kế Thơng số cho rãnh có dạng hình thông số hiển thị bảng 3.2 Thiết kế Stator Các tham số stator thể hình thơng số hiển thị bảng Hình Hình dạng stator BLDC 48 rãnh thông số nhập vào Rmxpt 24 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Thông số kĩ thuật rãnh STT Thông số Chiều cao miệng rãnh Hs0: (mm) Chiều cao cổ rãnh Hs1: (mm) Chiều cao rãnh Hs2: (mm) Độ rộng miệng rãnh Bs0: (mm) Độ rộng đáy nhỏ rãnh Bs1: (mm) Độ rộng đáy lớn rãnh Bs2: (mm) Rs: (mm) Giá trị 3 11,96 8,34 6,77 3.4 Thiết kế rotor Rotor bên ngồi có gắn nam châm vĩnh cửu có dạng hình Mẫu cực rotor có sẵn RMxprt Chỉ có kích thước nam châm đường kính ngồi rotor giá trị đầu vào a) b) Hình Hình dạng rotor: a) 56 cực từ b) 1/8 rotor Bảng Dữ liệu rotor STT 10 Thông số Chiều dài khe hở khơng khí: g (mm) Đường kính Rotor: Dir (mm) Đường kính ngồi Rotor: Dor (mm) Chiều dài Rotor: Lr (mm) Số cực Loại thép Hệ số ép chặt lõi thép Khoảng cách nam châm: (mm) Độ dày nam châm:(mm) Loại Nam châm Giá trị 300 324 50 56 M270-35A 0,95 0,84 1,2 NdFe30 Hình Sơ đồ kết nối cuộn dây ba pha thơng số nhập vào Rmxpt MƠ PHỎNG KẾT QUẢ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC CHO XE ĐẠP ĐIỆN RMxprt cung cấp cho thiết kế động thô hiệu suất dựa kích thước đầu vào định Để kiểm tra hiệu suất động kỹ lưỡng, cần phải chạy mô phần tử hữu hạn phần mềm Maxwell 2D Hình học chuẩn bị RMxprt đưa vào mơi trường Maxwell 2D Có phần mềm tự tạo chia lưới cần thiết cho FEA, tự động chọn điều kiện biên hình học giải Các kích thích cuộn dây gán tự động phần mềm định tính đối xứng hình học Sau số phân tích thực Maxwell 2D cách chạy mô lưu trường thời điểm thích hợp Hình cho thấy dịng từ thơng stator rotor chưa có dịng điện có dịng điện a) 3.5 Thiết kế cuộn dây Sơ đồ kết nối cuộn dây có dạng hình (b) Hình Mật độ từ thông động cơ: a) Khi chưa có dịng điện; b) Khi có dịng điện Mật độ từ thông tĩnh động thể hình 8(a), màu khác đại diện cho giá trị khác mật độ từ thơng Hình 8(a) khơng có bão hịa mức xảy động mật độ tối đa từ thông tồn đầu stator Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 25 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Việc phân tích từ trường khe hở khơng khí sở để phân tích thiết kế hiệu suất động DC không chổi than [7] Mật độ thơng lượng khe hở khơng khí chủ yếu tính độ dày cực, chiều dài khe hở khơng khí hệ số cung cực Hình 9, 10, 11 thể đồ thị dịng điện, tốc độ cơng suất điện từ động Hình Đồ thị dịng điện Hình 10 Đồ thị tốc độ Hình 11 Cơng suất điện từ động Đặc tính tốc độ mơ-men xoắn thể hình 12 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT LUẬN Bài báo chứng minh cách tiếp cận để thiết kế động DC không chổi than động DC khơng chổi than rotor bên ngồi truyền động trực tiếp thiết kế với kích thước tính tốn sơ bộ, chiều dài khe hở khơng khí hệ số cung cực, thông số quan trọng động để cung cấp cơng suất khoảng 1,2kW với gợn mô-men xoắn nhỏ đáng kể Cơng cụ RMxprt ANSYS giải phương trình thiết kế động cơ cung cấp liệu thiết kế thô Dữ liệu không nên coi thông số thiết kế động tối ưu Theo thiết kế này, động cho hiệu đáng kể tốc độ mơ-men xoắn định mức Ngồi gợn sóng mơ-men xoắn nằm giới hạn dịng điện cuộn dây khơng vượt q giá trị định mức Có thể kết luận sau thực dự án này, lúc kết thu từ RMxprt phải khớp với kết thu cách mô mô hình Maxwell 2D Một điểm cần lưu ý, nam châm nên bao phủ diện tích tối đa để từ thông đến từ nam châm phải bao phủ hết diện tích khe hở khơng khí Ngồi gợn sóng mơ-men xoắn giảm khoảng cách khơng khí thơng lượng trở nên đồng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T J E Miller, 1989 Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives New York, NY (USA); Oxford University Press [2] T Kenjo, S Nagarnori, 1985 PermanentMagnet and Brusless DCMotor Oxford university press [3] J R Hendershot, T J E Miller, 1994 Design of Brushless PermanentMagnet Motors Magna Physics Pub [4] S.A.Nasar, 1987 Handbook of Electric Machines McGraw-Hill Companies [5] Prathamesh Mukund Dusane, 2016 Simulation of a Brushless DC Motor in ANSYS – Maxwell 3D Master thesis, Czech Technical University in Prague [6] V.P Buhr Karel, 2012 Analysis of the electric vehicle with the BLDC PM motor in the wheel body Transactions on Transport Sciences 5(1):1-10 [7] Bo Long, Shin Teak Lim, Ji Hyoung Ryu, Kil To Chong, 2014 EnergyRegenerative Braking Control of Electric Vehicles Using Three-Phase Brushless Direct-Current Motors Energies, vol 7, pp 99-114 [8] A.K.Sawhney, 2015 Electrical Machine Design, Dhanpat Rai Publications [9] Tushar Waghmare, P.R.Choube, Anup Dakre, A.M.Suryawanshi, Prabhakar Holambe, 2016 Design of Internal Permanent Magnet Brushless Dc Motor Using Ansys International Journal of Research Publications in Engineering and Technology [IJRPET], Volume 2, Issue [10] T Porselvi, Srihariharan M K, Ashok J., Ajith Kumar S., 2017 Selection of Power Rating of an Electric Motor for Electric Vehicles International Journal of Engineering Science and Computing, Volume Issue No.4 [11] Yuejin Z., Chunjiang L., Guanzhen T., 2011 Analytical Method for AirGap Main Magnetic Field Computation of Surface Mounted Permanent Magnet Torque Motors Trans China Electrotech Soc., 26, 13–17 Hình 12 Momen đầu so với đường cong tốc độ 26 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) AUTHOR INFORMATION Nguyen Viet Anh Faculty of Electrical Engineering Technology, Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... báo chứng minh cách tiếp cận để thiết kế động DC không chổi than động DC không chổi than rotor bên truyền động trực tiếp thiết kế với kích thước tính tốn sơ bộ, chiều dài khe hở khơng khí hệ số... 0,95 0,84 1,2 NdFe30 Hình Sơ đồ kết nối cuộn dây ba pha thông số nhập vào Rmxpt MÔ PHỎNG KẾT QUẢ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC CHO XE ĐẠP ĐIỆN RMxprt cung cấp cho thiết kế động thô hiệu suất dựa kích thước... trọng động để cung cấp cơng suất khoảng 1,2kW với gợn mô-men xoắn nhỏ đáng kể Công cụ RMxprt ANSYS giải phương trình thiết kế động cơ cung cấp liệu thiết kế thô Dữ liệu không nên coi thông số thiết