Tìm hiểu động cơ máy điện tốc độ cao

Đề bài bao gồm 3 chương: Chương 1: Máy điện tốc độ cao. Chương 2: Máy cỡ nhỏ tốc độ cao. Chương 3: Ứng dụng máy điẹn tốc độ cao. Đề bài bao gồm 3 chương: Chương 1: Máy điện tốc độ cao. Chương 2: Máy cỡ nhỏ tốc độ cao. Chương 3: Ứng dụng máy điẹn tốc độ cao. luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN MỞ ĐẦU: MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO VÀ TRUYỀN ĐỘNG CHƢƠNG 1: MÁY ĐIỆN TỐC DỘ CAO: CÔNG NGHỆ , XU HƢỚNG VÀ SỰ PHÁT TRIỂN 1.1 TÌM HIỂU MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Tổng quan ứng dụng 1.1.3 Vật liệu 18 1.1.4 Tổng hợp công nghệ máy điện tốc độ cao 25 1.1.5 Thống kê máy tốc độ cao 38 CHƢƠNG 2.MỘT CẤU TRÚC MỚI CHO ỨNG DỤNG MÁY CỠ NHỎ TỐC ĐỘ CAO 41 2.1 GIỚI THIỆU 41 2.2 MÁY STATOR NẰM NGANG 44 A Mô tả Khái niệm 44 2.3 MƠ HÌNH VÀ TỐI ƢU HỐ 47 2.4 THIẾT KẾ BÀN THỬ NGHIỆM 54 2.5 KẾT QUẢ ĐO 60 2.5 KẾT LUẬN 64 CHƢƠNG 3.ỨNG DỤNG MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ NHƢNG THỎA HIỆP 66 3.1 KHÁI NIỆM 66 3.2 ỨNG DỤNG TRỤC ĐIỆN 69 3.3 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 71 3.3.1 Khía cạnh điện 71 3.3.2 Khía cạnh khí 75 PHỤ LỤC 83 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 LỜI NĨI ĐẦU Ngày cơng nghệ ngày phát triển , xu huớng nghiên cứu phát triển loại máy điện có tính đêm lại hiếu suất cao ơn sản xuất.Máy điện tốc độ cao sáng kiên Máy điệntốc độ cao điều khiển trình phát triển cho số ứng dụng kỹ thuật nhƣ máy mai, hệ thống tua-bin kep ,động ô tô Trong đợt tốt nghiệp em đƣợc thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hồn hƣớng dẫn em “Tìm hiểu động máy điện tốc độ cao” Đề bao gồm chƣơng : Chƣơng 1: Máy điện tốc độ cao Chƣơng 2: Máy cỡ nhỏ tốc độ cao Chƣơng 3: Ứng dụng máy điẹn tốc độ cao Để hoàn thành tốt đƣợc đồ án, em đƣợc giúp đỡ nhiều mơn điện cơng nghiêp tự động hóa đặc biệt giúp đỡ tận tình thầy giáo GS.TSKH.Thân Ngọc Hoàn Sau mƣời hai tuần làm đồ án em hiểu biết thêm đuợc nhƣng kiên thức máy điện ứng dụng máy điện thực tế Đó kinh nghiệm quý báu giúp em vững tin công việc sau Mặc dù cố gắng nhƣng đề tài em cịn nhiều thiếu sót, em mong đƣợc bảo thầy Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, Ngày 22 tháng năm 2014 Sinh viên: PHẦN MỞ ĐẦU MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO VÀ TRUYỀN ĐỘNG Việc sử dụng máy điện tốc độ cao điều khiển trình phát triển cho số ứng dụng kỹ thuật , bao gồm trục điện dao phay máymài ,hệ thống tăng áp , hệ thống điện turbo- kép , máy nén gió, máy bay trực thăng, động xe đua , máy bơm nhiên liệu Các ứng dụng có tốc độ cao với 10 000 vịng / phút , số vòng/phút kW lớn 105 Các ứng dụng với tốc độ tối đa lên đến 150 000-200 000 vòng/phút đƣợc nghiên cứu sẵn sàng cho thử nghiệm Mối quan tâm khoa học công nghiệp chủ đề phát triển nhanh , công bố nghiên cứu nhằm cải tiến công nghệ với tác động đáng kể nhiều lĩnh vực ứng dụng Một ƣu điểm máy điện tốc độ cao truyền động điện giảm trọng lƣợng hệ thống với sựbiến đổi lƣợng cho trƣớc Điều cần thiết tất ứng dụng giao thơng vận tải giảm trọng lƣợng kết trực tiếp giảm tiêu thụ nhiên liệu khí thải Hệ thống giao thông vận tải điện chủ đề có ý nghĩa quan trọng cho việc thúc đẩy công nghệ tốc độ cao Lý thứ hai để áp dụng máy điện tốc độ cao ứng dụng cải thiện độ tin cậy việc loại bỏ bánh trung gian , chẳng hạn nhƣ truyền động điện tốc độ cao Trong báo ,một tổng quan công nghệ đƣợc sử dụng máy điện tốc độ cao đƣợc thảo luận thông qua khảo sát rộng rãi,phát triển từ công nghệ khác đƣợc quan tâm ngành công nghiệp viện nghiên cứu Ngoài ra, báo cáo đề cập đến phát triển vật liệu thành phần chứa thép kỹ thuật điện, hợp kim đồng 18 báo khác đƣợc chấp nhận đƣợc nhóm lại loạt theo chủ đề họ Phần liên quan đến việc trình bày cấu trúc động Trong thực tế, để đảm bảo yêu cầu tải, ứng dụng máy điện tốc độ cao thƣờng địi hỏi cấu trúc điện từ có tính chất đổi mới, ba báo trình bày theo hƣớng máy điện với cấu trúc Bài báo , Tüysüzet al , trình bày sơ đồ cấu trúc động với stato ngang hữu ích cho ứng dụng khoan đầu mũi khoanbị giới hạn khơng gian làm việc [2] Stator động tăng theo hƣớng ngang cho phép thiết kế truyền động trực tiếp Bài báo thứ hai , Ikäheimoet al đề xuất máy điện từ kháng đồng có cấu trúc khí bền vững [3] Thiết kế rotor hai cực kết hợp đặc tính từ thơng mềm khối vật liệu khơng có từ tính Bài báo thứ ba , Gaussens et al , thực với sơ đồ cấu trúc máy kích từ lai với cuộn kích từ đặt khe stator cuộn dây dc bên [4] Máy điện truyền đông điện tốc độ cao đƣợc mở rộng lĩnh vực ứng dụng, hệ truyền động điện trực tiếp đƣợc áp dụng thay cho truyền động điện truyền thống tốc độ thấp đƣợc kết nối với bánh khí Kết , để hiểu rõ đặc tính yêu cầu ứng dụng ngƣời ta giới thiệu lĩnh vực ứng dụng cách tân phát triển truyền động với động tốc độ lớn Vì lý , phần thứ hai trình bày với bốn ứng dụng thú vị máy điện truyền động tốc độ cao Bài báo , Silberet al ,trình bày truyền điện tốc độ cao với hệ thống treo không ma sát cho ứng dụng dệt may [5] Đơn vị rotor quay công nghệ dệt cách tân có khả đem lại suất cao giảm điện tiêu thụ giảm tích bụi Bài báo thứ hai , Crescimbiniet al , Thảo luận giải pháp cho việc phát triển truyền động điện gắn trự tiếp đƣợc sử dụng kết hợp với tua bin giãn nở huớng tâm để phục hồi lƣợng khí thải dùng [6] Các máy điện truyền động tốc độ cao đóng vai trị quan trọng ứng dụng ô tô Bài báo thứ ba , Abrahamssonet al , Là chủ đề [7] Bài viết liên quan đến việc thiết kế tối ƣu hóa hệ thống lƣu trữ động 30 000 vòng/phút Thiết bị đƣợc sử dụng nhƣ tích lũy lƣợng đệm lên tới 870 Wh ,ở xe đô thị Bài báo thứ tƣ , Tenconiet al , Liên quan đến máy điện tốc độ cao đƣợc sử dụng khoan điện [8] Bài viết tổng kết thảo luận khía cạnh điện khí liên quan đến việc thiết kế máy tốc độ cao, làm bật vấn đề cân mà nhà thiết kế phải xem xét Mối tƣơng quan giảm thể tích tăng tốc độ, dựa đơn vị rotor - stator tần số cao thƣơng mại , đƣợc thảo luận Thiết kế máy điện tốc độ cao thách thức từ quan điểm điện khí cần đƣợc xem xét Tần số điện áp cung cấp cau dẫn đến gia tăng tổn thất sắt thép mỏng stator tổn thất thêm cuộn dâydo tƣợng đẩy điện tích phía ngồi dây dẫn Vì lý trƣớc đó, nhóm thứ ba sáu báo liên quan đến việc thiết kế điện từ máy điện tốc độ cao Bài báo , Liệt al , Thảo luận việc sử dụng ro to hình tay áo ảnh hƣởng lên đặc tính điện từ [9] Phân tích đƣợc thực máy phát điện nam châm vĩnh cửu siêu tốc độ Báo cáo thứ hai , Gonzales Saban , nghiên cứu tổn hao đồng máy điện nam châm vĩnh cửu tốc độ cao MW đƣợc thiết kế với hình thức cuộn dây quấn [10] Đặc biệt , tác động cấu trúc rãnh hiệu ứng lân cận đƣợc phân tích , xem xét khe mở rãnh nửa kín Bài báo thứ ba , Dems Komeza , phân tích việc sử dụng thép mỏng vơ định hình động khơng đồng nhỏ stator đc cấp với nguồn tần số cao [11] Bài báo thứ tƣ , Liệt al , Trình bày máy phát điện nam châm vĩnh cửu siêu tốc có vịng hợp kim phía mặt ngồi rotor [12] Vòng hợp kim đƣợc sử dụng để cố định nam châm vĩnh cửu bảo vệ chúng khỏi ảnh hƣởng tác động lực ly tâm lớn vàdo tổn hao dịng điện xốy bên vịng hợp kim roto sinh ra, làm tăng nhiệt độ máy Bài báo thứ năm, van der Geestet al , Trao đổi phƣơng pháp đơn giản linh hoạt để ƣớc tính tham số kí sinh stator, chẳng hạn nhƣ hiệu ứng mặt hiệu ứng gần nên xuất phân bố không đồng dòng điện nhánh bổ sung thêm thành phần dịng điện tuần hồn [ 13 ] Bài báo cuối phần này, Papini et al , nói thiết kế động nam châm vĩnh cửu tốc độ cao đƣợc sử dụng để hoạt độngv dung sai [14] Một tiếp cận đa ngành để để thiết kế tối ƣu đƣợc chấp nhận giảm thiểu tổn hao phụ thao làm việc điều kiện khơng phù hợpvà tính toán cho chiến lƣợc điều khiển phục hồi Xem xét khía cạnh học, tốc độ quay lớn ảnh hƣởng đến ứng suất học tốc độ ngoại vi trục quay Kết , phần thứ tƣ đƣợc viết dựa hai báo liên quan đến vấn đề khí vấn đề trục quay máy điện tốc độ cao Trƣớc đây, đƣợc viết Boissonet al , Trình bày phƣơng pháp phân tích để xác định tần số riêng stator máy điện [15] Mơ hình dựa tính tốn giảm thiểu tỉ số Rayleigh việc sử dụng mơ hình động học Timoshenko Mới Looser Kolar , đề ổ bi lai sử dụng khí động hocjkhis để nâng hỗ trợ tải, điều quan điểm dùng nam châm tích cực kích thƣớc nhỏ dập từ trƣơng Các giải pháp đề xuất sử dụng ổ đỡ hoạt động ổn định với ổ đỡ khí với nhôm phức tạp them giá tả tăng Tốc độ quay cao , hệ việc cung cấp tần số lớn làm phức tạp thêm vấn đề điều khiển cho xác máy điện Bộ Điều khiển thơng minh địi hỏi đo lƣờng xác dịng điện stator,vị trí tốc độ rotor, tín hiệu phải đƣợc xây dựng phần cứng tốc độ cao ( xử lý tín hiệu kỹ thuật số, ma trận tín hiệu điều khiển có khả lập trìn , vi điều khiển , vv) đạt đƣợc u cầu băng thơng cao Để hiển thị giải pháp , phần cuối mục đặc biệt bao gồm ba báo phần cứng tốc độ cao liên quan tới chiến lƣợc điều khiển Bài báo , Mar Ceti ' cet al , Trình bày hiệu suất truyền động tốc đọ cao trụckhông cảm biến với tần số cắt mẫu chậm.Báo cáo thứ hai , Hasanzadehet al , Trình bày phần cứng nhiều tảng vòng kín để quan sát hoạt động máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu tốc độ cao gắn với Microturbine hệ thống điện điện tàu thủy Baì báo thứ ba đƣợc viết Mitterhoferet al , đề cập với khả tốc độ cao truyền động không ổ đỡ thảo luận truyền động đĩa không ổ đỡ đƣợc thiets kế dể đạt tốc độ cỡ 100 000 r / Trong báo, yêu cầu đặc tính học c hệ thống điều khiển cần thiết cho hoạt động tốc độ cao đƣợc mô tả CHƢƠNG MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO: CÔNG NGHỆ , XU HƢỚNG VÀ SỰ PHÁT TRIỂN 1.1 TÌM HIỂU MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO 1.1.1.Giới thiệu Máy khí có Tốc độ quay cao đƣợc phát triển đƣợc sử dụng thời gian dài , đƣợc tìm hiểu cách kỹ luỡng đuợc coi công nghệ đáng tin cậy số ứng dụng kỹ thuật Các ứng dụng bao gồmmáy nén kiểu tuabin, hệ thống khí tuabin- kép, van trƣợt máy nén gió , động máy bay trực thăng , động xe đua , máy bơm nhiên liệu với tốc độ làm việcvới 10 000 vòng / phút số vòng/phút kW lớn 10 mũ [1] Sự nghiên cứu cải tiến kỹ thuật theo huớng điều khiển máy điện tốc độ cao có phát triển nhanh chóng vài thập kỷ qua , với số lƣợng lớn ứng dụng thập kỷ qua Nó đƣợc nhận định lĩnh vực nghiên cứu chiếm ƣu nghiên cứu truyền động điện, phần tiến lĩnh vực công nghệ phần tác động đáng kể phát triển máy đuợc áp dụng nhiều lĩnh vực Điều đƣợc phản ánh qua số lƣợng lớn chƣơng trình nghiên cứu đƣợc tài trợ nƣớc quốc tế Bài báo khái quát số lĩnh vực ứng dụng máy điện tốc độ cao, kết luận lợi ích hệ thông sáng giá Một ƣu điểm rõ rệt máy tốc độ cao giảm bớt trọng lƣợng hệ thống đem lại tầm ảnh hƣởng định cho chuyển đổi lƣợng Điều đặc biệt có ích ứng dụng điện thoại di động , nơi mà tiết kiệm trọng lƣợng đem lại kết trực tiếp việc giảm tiêu thụ nhiên liệu xạ Xu hƣớng hệ thống điện giao thông tƣơng lai tạo sức hút đáng kể để thúc đẩy công nghệ tốc độ cao Ngƣời ta thấy lợi ích việc chấp nhận máy điện tốc độ cao số ứng dụng định cải thiện tính ổn định hệ thơng loại bỏ bánh trung gian mà truyền động trực tiếp Nghiên cứu phát triển lĩnh vực đƣợc thúc đẩy phát triển chuyển mạch điện tử công suất , cấ trúc chuyển đổi , phƣơng pháp điều khiển để vận hành máy điện có tần số làm việc cao Đây kết hợp với phát triển phần mềm vật liệu phần cứng , tạo khả điều độ bền ứng suất học cao tổn thất dòng ac thấp, vận tốc ngoại vi roto cao mật độ lƣợng cao Sau xem xét ứng dụng máy điện tốc độ cao nhiều lĩnh vực, viết làm bật tiến quan trọng gần công nghệ vật liệu liên quan đến máy tốc độ cao Khi , sơ đồ cấu trúc khác máy điện từ tài liệu đƣợc xem xét so sánh khả tốc độ cao đặc tính thực 1.1.2 Tổng quan ứng dụng Trong số ứng dụng , máy điện tốc độ cao trực tiếp thay hệ thống khí tốc độ cao , ứng dụng khác , máy điện tốc độ cao bổ xung cho hệ thống khí tốc độ cao có Phần cho ta nhìn tổng quan hệ truyền động bên cạnh phát triển cho giải quang phổ loạt ứng dụng Danh sách chƣa đầy đủ nhƣng khái quát đƣợc ứng dụng kéo theo công nghệ máy điện tốc độ cao A Máy điện tốc độ cao cho máy nhiều điện Quan điểm máy kéo có hiệu suất cao đƣợc tích hợp hệ thống truyền động kéo lai nhằm nâng cao hiệu suất nhiên liệu giảm lƣợng khí thải độc tôn ô tô Sự tăng tiêu chuẩn giảm khí thải nghiêm ngặt yêu cầu hiệu suất nhiên liệu đẩy mạnh điện khí hóa cho máy móc sử dụng to ứng dụng tron tạo lƣợng sử dụngcác máy điện tốc độ cao Các ứng dụng tiềm máy điện tốc độ cao máy điện nhiều hàng loạt nhƣ hình đƣa tổ hợp bốn máy điện tốc độ cao đặt xung quanh động tƣơng lai Hình 1.1 Máyđiện tốc độ cao cho máy nhiềuđiện Trong ứng dụng nhƣ vậy, máy điện đƣợc đặt trục giống nhƣ tua bin máy nén khí turbo tăng áp ( máy M1 hình 1) Chức máy gấp đôi Khi khởi động sang số(thay đổi tốc độ), mà thiếu lƣợng dịng khí thải , máy đƣợc sử dụng nhƣ động để tăng tốc độ máy nén tới tốc độ cần thiết, giảm chậm trễ turbinvà cải thiện khả truyền động Khi động tải lớn , có lƣợng dƣ thừa ống xả, thay mở van thải để chống vƣợt tốc cho trục , máy điện đƣợc sử dụng nhƣ máy phát điện Việc tích hợp điển hình máy điện với máy nén kiểu tuabin đƣợc thể hình 3.3 THIẾT KẾĐỘNG CƠĐIỆN Thiết kế máy điện thực theo yêu cầu ứng dụng, mà thƣờng công suất đầu ra, tốc độ quay , độ cứng động lực giới hạn dao động Khi , thiết kế phải đạt đƣợc hòa hợp tốt hạn chế điện Các phận động trục HS cấu trúc điện từ, trục , vòng bi, hệ thống bôi trơn hệ thống làm mát Máy điện đƣợc cung cấp biến đổi tĩnh để giảm điện áp dịng sóng hài, để giảm tổn hao thép tổn hao phụ nhiệt rô to; chuyển đổi phải cung cấp điện áp đầu điều chỉnh tần số ổn định, nhƣ khả khởi động hãm điện từ hệ thống Hơn , để bảo vệ trục điện tình trạng xung q tải điều kiện máy điện làm việc tới hạn (ví dụ , khối đỡ va đập khí ) , biến đổi phải bao gồm HS bảo vệ dịng giới hạn 3.3.1 Khía cạnh điện Trong phần này, vài nghiên cứu vấn đề điện quan trọng máy HS máy siêu HS (VHS ) Đặc biệt, hệ máy điện khác thích ứng để làm việc điều kiện đƣợc phân tích , cần tính đến ảnh hƣởng tổn hao tối thiểu hóa thể tích IM đƣợc chấp nhận ứng dụng HS [11] ,do rotor có kết cấu vững phải bảo trì Tuy nhiên , liên quan đến máy điện khác IMs có đặc điểm hiệu suất thấp có mặt tổn hao jun (đơn vị nhiệt) rotor SRM có cấu trúc rơ to bền vững đơn giản thích hợp cho hoạt động HS, khơng có cuộn dây PMs rotor Tuy nhiên , so với PMSMs , SRMs yêu cầu dòng điện kích từ cao chiều dài hiệu khe hở khơng khí lớn, điều làm giảm hệ số cơng suất hiệu suất tổng máy điện Hơn nữa, SRMs thƣờng đƣợc đặc trƣng dao động mô-men lớn, ảnh hƣởng đến hiệu suất máy độ xác PMSMs thƣờng đƣợc đặc trƣng mật độ công suất cao hiệu cao động dị IMs SRMs, nhƣng có số nhƣợc điểm quan trọng điều hạn chế số trƣờng hợp sử dụng chúng 71 ứng dụng HS [2] , [ ] Đặc biệt , cấu trúc rotor vị trí nam châm phải đƣợc lựa chọn cẩn thận theo hàm thiết bị tốc độ ngoại vi tiếp tuyến để hạn chế tác động học tác động lên nam châm [7 ] Do việc áp dụng băng ống bọc [8 ] để giữ nam châm vào rotor HS bắt buộc Các băng ống bọc thƣờng đƣợc làm vật liệu khơng từ tính , vật liệu dẫn điện có tổn hao dịng điện xốy [ 4] Nhiều nghiên cứu vật liệu băng rotor để có đƣợc độ bền học tối đa với tổn hao điện tối thiểu thấy tài liệu [ 13 ] - [15] Để đạt đƣợc ứng suất học tối thiểu PMs , cấu trúc rotor khác đƣợc nghiên cứu , đặc biệt cấu trúc IPM [15] Tuy nhiên , thiết kế máy IPM ' cho ứng dụng HS , đặc biệt phải ý phải trả giá cho kích thƣớc gờ tản nhiệt rotor phải chịu đƣợc lực ly tâm cao HS Những vấn đề điều cốt lõi hệ máy PM rotor Các loại máy đƣợc áp dụng ứng dụng HS phần tử khí đƣợc truyền động động đƣợc kết nối trực tiếp đến phận bên nhƣ quạt bánh đà cho phục hồi động [5] Hình cho thấy phân bố loại sơ đồ máy điện khác tùy thuộc vào công suất định mức tốc độ đƣợc nêu tài liệu Từ tài liệu, thấy giải pháp tốt cho ứng dụng HS IM (chủ yếu cho độ học bền vững ) , PMSMs SRMs Vì lý , thiết kế cần lƣu ý báo , tổng thể có hiệu cho tất cấu trúc máy, chủ yếu tham khảo IM 72 Hình 3.2.Các ứng dụng trục điển hình, gia cơng khí cần côngsuất cao thực tốc độ tƣơng đối thấp Hơn hình cho thấy ứng dụng trục điển hình, gia cơng khí cần cơngsuất cao thực tốc độ tƣơng đối thấp ; Trong đó, VHSu cầu cơng suất thấp Kết ,tỷ lệ hợp lý mô-men điện từ thể tích khe hở khơng khí , kích thƣớc máy giảm nhanh tăng tốc độ Đồng thời ,mật độ mô-men giảm tốc độ tăng , thể qua sơ đồ sau Hình cho thấy mật độ mô-men hàm tốc độ cho cho rotor - stator tần số cao Đặc biệt, hình đề cập đến Ims hai cực ( 2p ) , hình đề cập đến IMs bốn cực ( 4p ) Rõ ràng từ hình cho thấy mật độ mô-men giảm tốc độ tăng Điều chủ yếu vấn đề nhiệt hệ số vật liệu Trong thực tế , cho hiệu suất điện từ máy với tốc độ gần nhƣ const với tốc độ, tổng tổn hao đồng sắt không đổi Kết mật độ mô-men bị giới hạn bề mặt tối thiểu cần 73 thiết để tiêu tan tổn hao máy Hơn nữa, tăng tần số cung cấp máy điện, số ứng suất vật liệu ( nhƣ mật độ dịng điện mật độ từ thơng ) phải giảm để giữ cho tổn hao sắt đồng giới hạn cho phép Để hạn chế tổn hao đồng tần số cao , cuộn dây stato với dây Litz đƣợc sử dụng Để hạn chế tổn hao sắt từ, sử dụng thép cán với độ dày thấp (ví dụ , ≤ 0,2 mm ) vật liệu thép với hệ số tổn hao thấp bắt buộc Một cấu trúc rô to không rãnh đƣợc áp dụng để giảm tổng tổn hao thép mật độ từ thông thấp khe hở hiệu không khí lớn Ngồi ra, tăng khe hở khơng khí tới mức giới hạn mật độ từ thơng thay đổi sức từ động thành phần sóng hài điều chế gợn sóng dịng điện kéo theo tổn hao sắt từ rotor Cuối cùng, số ứng dụng , ví dụ nhƣ điều khiển máy nén cho thùng nhiên liệu ô tô , tốc độ tăng giá trị định khơng thích hợp đứng góc nhìn máy điện nhƣng lợi hiệu suất động lực học chất lỏng Trong trƣờng hợp , tăng tốc độ đƣợc chấp nhận để nâng cao toàn hiệu suất hệ thống Hình 3.3.mật độ mơ-men hàm tốc độ cho cho rotor - stator tần số cao với Ims hai cực ( 2p ) 74 Hình 3.4.mật độ mô-men hàm tốc độ cho cho rotor - stator tần số cao với Ims bốn cực ( 4p ) 3.3.2 Khía cạnh khí Trong ứng dụng HS VHS , vấn đề học có tầm quan trọng đứng sau vấn đề điện Trong phần ,một số chi tiết về vấn để học đƣợc thảo luận Kích thƣớc Trục : nhƣ biết trục to để truyền mô-men học đến tải , đƣờng kính trục to hơn; đƣợc biết đến mô-men đƣợc phát triển máy điện tỷ lệ thuận với khối lƣợng rotor [10] Nói chung , yêu cầu cân cho rotor tìm thấy ISO 1940-1 , thơng số kỹ thuật cho rotor trạng thái không đổi ( cố định ), tùy theo loại máy điện tốc độ vận hành tối đa Những kiến nghị dựa kinh nghiệm toàn giới Tại HS , để giảm tốc độ quay ngoại vi lực ly tâm tác động lên rotor, đƣờng kính rotor bên ngồi phải nhỏ tốt Nhƣ hệ , để tăng mô-men quay, chiều dài trục rotor phải đƣợc tăng lên Đây thuận lợi cho việc giảm tổn thất ma sát khe hở khơng khí , phần quan trọng tổn hao máy HS tỷ lệ thuận với chiều dài trục 75 rotor, hàm bậc của đƣờng kính bên ngồi Tuy nhiên , chiều dài trục rotor tăng tới giới hạn vận tốc giới hạn rotor Để giảm thiểu hỏng hóc phần tử khí phát phát tiếng ồn tăng lên, vận tốc giới hạn rotor phải đƣợc đánh giá cách xác giai đoạn thiết kế Vận tốc tới hạn khác đƣợc đặc trƣng kiểu trục khác Sự tƣơng ứng vận tốc tới hạn đủ cho nhiễu bên máy điện thấp xảy cộng hƣởng , động bị hỏng tác động học rotor stator Thông thƣờng, tốc độ định mức đƣợc chọn dựa tốc độ tới hạn để tránh tác động hiệu ứng cộng hƣởng Tuy nhiên , số trƣờng hợp , máy HS hoạt động điều kiện siêu tới hạn Trong trƣờng hợp , tốc độ tới hạn phải vƣợt thông qua nhanh tốt để tránh tác động học bên ngồi nhiễu Hình 3.5 Trục Gần tốc độ tới hạn trục quay tính đƣợc nghiên cứu trục nhƣ dầm đỡ trƣờng hợp , tốc độ quay tới hạn ( vòng phút ) tƣơng ứng với tần số dao động riêng lần đầu đƣợc đánh giá phƣơng trình sau Ở Da đo mm (xem hình 5) 76 Thay xem xét trục nhƣ dầm đỡ , trục quay gần coi nhƣ dầm kẹp Trong trƣờng hợp , tốc độ tới hạn kết gấp đôi so với giá trị nhận đƣợc từ (1) Một thỏa hiệp giá trị trung bình hai giải pháp , cao 50% so với giá trị thu đƣợc cách (1) Một lƣu ý quan trọng (1) xem xét trục quay , phải xen xét tổng thể cấu trúc xoay (cần ý klhi rô to cấu trúc thép mỏng hay rơ to rắn rơ to có bọc sắt khơng bọc sắt PMs , vv), thu đƣợc độ bền cao hơn, tăng tốc độ tới hạn Phƣơng pháp đề xuất để đánh giá trục quay tốc độ tới hạn cần đƣợc xem xét để nhìn nhận đánh giá ban đầu Trong thiết kế máy, phân tích tỉ mỉ với phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc thực để đánh giá xác tốc độ tới hạn rotor, cố xảy nguy hiểm trình máy hoạt động Tuy nhiên cần cần ý đến hiệu ứng quay hiệu ứng đƣợc mơ hình hóa nhƣ hiệu ứng giảm xóc Sự diện hiệu ứng quay động lực học rotor nguyên nhân tiến lên phía trƣớc ( 1f , 2f , ) lùi lại (1b , 2b, ) tần số quay, nhƣ thấy hình (phía dƣới) , ba chế độ đƣợc vẽ Hình (phía trên) cho phép hiểu đƣợc mối quan hệ tốc độ tới hạn rotor tần số xốy phía trƣớc : tốc độ tới hạn tƣơng ứng với giao điểm đƣờng xốy phía trƣớc với đƣờng phân giác λ = ω Cuối cùng, mối quan tâm đến biên độ xoáy ngƣợc yếu tố xác định giới hạn ổn định hệ thống Về vật lý , ví dụ, q trình cán , điều có nghĩa độ sâu cắt trục tới hạn phải giảm xuong giới hạn ổn định giảm Trong máy điện HS , thiết kế quan trọng để giữ quán tính rotor ; lực quán tính rotor cao dẫn đến tải vòng bi làm giảm tuổi thọ thiết bị ,Vịng bi bơi trơn : Vòng bi thành phần quan tới hạn việc thiết kế tồn trục chính: chúng phải có hiệu suất cao tốc độ quay tối đa , nhiệt độ làm việc thấp , độ bền , độ xác , khơng gây tiếng 77 ồnlớn ứng dụng tốc độ thấp thơng thƣờng Vì lý , vịng bi hỗn hợp đƣợc sử dụng ứng dụng HS Các vòng bi đƣợc cấu tạo vịng thép bên ngồi mật độ thấp nhƣng đc làm gồm có độ cứng cao (ví dụ nhƣ silicon nitride Si3N4 ) Đƣờng kính trục ảnh hƣởng đến lựa chọn vịng bi đƣờng kính vịng bi lớn hơn, khả tốc độ quay tối đa thấp để đảm bảo tuổi thọ Hình 3.6 Cách xác định định khả dầu mỡ bôi trơn tốc độ Nhƣ hệ cho máy điện HS , đƣờng kính trục phải bé tốt , để hạn chế đƣờng kính vịng bi Hơn nữa, tốc độ quay tối đa vòng bi phụ thuộc vào độ nhớt bôi trơn xen bi lăn , rãnh khung Các hệ thống bơi trơn sử dụng nhiều vịng bi lăn mỡ dầu Dầu mỡ bị hạn chế tốc độ làm việc tối đa độ nhớt cao Để xác định khả dầu mỡ bôi trơn tốc độ , " yếu tố tốc độ " tham số NDM đƣợc xác định Các số tốc độ , đƣợc đƣa (2), kết tốc độ tối đa 78 nMax vịng phút , nhân với trung bình cộng bán kính d bán kính ngồi D theo đơn vị mm Cho ứng dụng HS , với tốc độ thực tế 700 000 mm / phút, mỡ thích hợp thứ có độ nhớt thấp Cho ứng dụng VHS, dầu giải pháp phù hợp để có tuổi thọ làm việc hợp lý.Xu hƣớng công nghệ đạt đƣợc giá trị tốc độ thực tế lên đến 000 000 mm / phút Hai phƣơng pháp phổ biến dầu bơi trơn sƣơng mù dầu vịi phun dầu • sƣơng mù dầu : Một bể chứa dầu đƣợc sử dụng khơng khí nén đƣợc trộn với dầu để tạo giọt dầu giọt dầu mang dịng dầu tới diện tích bơi trơn Với hệ thống , ngồi việc đơn giản cịn có lợi việc làm làm mát vịng bi Nó đƣợc áp dụng tốt để trục có HSS tải tƣơng đối nhẹ Do khó khăn việc đo lƣờng kiểm sốt dịng sƣơng mù , lƣợng dầu cung cấp cho vịng bi xác, loại sƣơng dầu khơng phải hệ thống tốt để sử dụng •vòi phun dầu : ngƣời ta sử dụng máy bơm áp suất cao cung cấp dầu trực tiếp vào vành ổ bi Hệ thống phù hợp với tảỉ lớn, HS , trục nhiệt độ cao Sự chăm sóc phải đƣợc thực để đảm bảo dầu truyền nhanh qua ổ bi để tránh khuấy dầu Hạn chế giải pháp cấu tạo phức tạp địi hỏi máy bơm phức tạp, bể chứa hệ thống kiểm soát nhiệt độ Một thay đƣợc đại diện xung dầu khí , khí dầu với số lƣợng nhỏ trộn với khơng khí nén vào hốc ổ bi Tần số phun liên quan đến hoạt động trục đơn giản sở tính thời gian Vì Trục điện phải thực đồng thời thời gian tải lớn theo bán kính trục tải, vịng bi tiếp xúc góc thƣờng đƣợc sử dụng Riêng tải 79 trọng đặt truớc góc ổ bi quan trọng tốc độ, độ bền , độ xác , tuổi thọ trục Đối với trục thơng thƣờng đặc biệt cho ứng dụng cắtphôi thô, tải không đổi không trực tuyến đƣợc đề xuất phƣơng pháp mang lại hiệu suất trục cao Tuy nhiên , ứng dụng cắt HS, phƣơng pháp khơng đảm bảo đƣợc tính chất u cầu tải trọng lên ổ bi nhanh chóng tăng lên nhiệt gây Trong thực tế, bị nung nóng, trục dài ra: Sự thay đổi kích thƣớc nhìn thấy đƣợc vịng bi gia tăng tải sơ , vòng ổ lăn bên ép vào ổ bi Hiện tƣợng không đƣợc ƣa chuộng gây cố với vịng bi Do đó, để cân cho thay đổi chiều dài , thƣờng gắn vịng bi trục phía rãnh di động với lị xo rãnh dầu đƣợc đặt lỗ khoan, rãnh trịn, tự di chuyển theo hƣớng trục Lò xo đƣợc sử dụng để cung cấp tải sơ không đổi để liên tục chống lại trục theo hƣớng trục để tải trọng sơ bộtính tốn từ vịng bi khơng thay đổi đƣợc trì lực tác dụng lò xo Kỹ thuật đƣợc sử dụng cho trục cán HS trục mài, chí chi phí lớn hệ thống phức tạp Đây loại vòng bi đƣợc đặc trƣng tổn hao công suất học cao so với vịng bi thơng thƣờng Những tổn hao cơng học vòng bi tỷ lệ thuận với tốc độ tổng mô-men ma sát, mà chủ yếu khía cạnh học liên quan đến viên bi , rãnh lắp ráp chúng Đặc biệt, cấu trúc sau xác định tổng ma sát • mơ-men quay ; • mơ-men quay ma sát; •hệ thống mơ-men quay ma sát; • lực cản , rung, momen với trục quay Nhƣ mô tả trên, góc tiếp xúc vịng bi để trì tải cao khoảng thời gian theo bán kính trục Cho ứng dụng cán kết hợp tải bán kính trục độ cúng tỏng đƣợc yêu cầut, kiểu kết nối lƣng giáp 80 lƣngđƣợc sử dụng Các ứng dụng mài tải khơng theo phƣơng trục ( tải trọng hƣớng tâm phụ thuộc vào áp dụng tải đặt trƣớc) , kết nối song song đƣợc ƣu tiên Nhƣ nói, góc vịng bi tiếp xúc dạng bi côn đƣợc thiết kế để cung cấp cho hai trục tải trọng huớng tâm tải sơ Trong số trƣờng hợp , vịng bi đƣợc sử dụng khả chịu tải cao độ bền tốt vòng bi Tuy nhiên , vịng bi khơng cho phép HSS theo u cầu nhiều trục Để khắc phục hạn chế học vịng bi , có nghiên cứu thành công năm gần vòng bi từ vòng bi biến dạng cánh [14] , Trong thực tế, với công nghệ , nguy hỏng hóc mịn ổ bi cọ xát đƣợc khắc phục Hơn nữa, hiệu suất góc phƣơng vị khơng địi hỏi bơi trơn chun dụng, với hệ thống phức tạp tổng thể giảm hậu khả hệ thống không cần dầu bơi trơn hồn chỉnh [ ] Khía cạnh thứ hai đặc biệt phù hợp nguy nhiễm mơi trƣờng tránh đƣợc, ví dụ máy điện phải hoạt động " buồng trắng " Tuy nhiên, bỏ qua nhƣng khó khăn khơng đáng kể phát sinh trƣờng hợp từ điểm quan sat hệ thống ổ bi đảm bảo độ cứng khí dung sai cần thiết Hệ thống làm lạnh : Hệ thống làm mát phải đáng tin cậy hiệu để tránh cuộn dây stato , roto nhiệt ổ bi biến dạng trục Nhƣ hệ , hệ thống làm mát máy HS quan trọng hàng đầu phụ thuộc nhiều vào ứng dụng Ví dụ, hệ thống turbo- máy nén , rotor stator thƣờng trực tiếp làm mát chất lỏng nén Trong trƣờng hợp động trục chính, làm mát thƣờng đƣợc sử dụng lƣu thông chất lỏng vỏ bọc stato Trong số trƣờng hợp đặc biệt , ví dụ, bàn thử HS, khoang đƣợc thực đƣờng dẫn chiều ngƣợc để tránh trục biến dạng mơ-men trục lƣu thơng chất lỏng Vì nhiệt độ vịng bi cao, chất lỏng lƣu thơng chạy xung quanh vịng ngồi giá đỡ bao gồm , tránh nhiệt độ cao phận bên bên ngồi vịng bi , nhƣ hệ 81 , phần khí ổ bi biến dạng nhiệt Hơn nữa, cho ứng dụng nhƣ mài lỗ cụt, hệ thống làm mát ro to đƣợc trang bị , chất lỏng làm mát chảy vào trục rotor Tùy thuộc vào kích thƣớc bề mặt tốc độ hoạt động tối đa , hệ thống khác đƣợc sử dụng , ví dụ , có khơng khí , có chất bơi trơn làm mát, hỗn hợp khơng khí nƣớc làm mát đƣợc cung cấp hai dòng riêng biệt Các giải pháp với hai kênh sử dụng dầu bôi trơn hỗn hợp cho phép tốc độ cao , tránh sƣơng dầu ; Hơn nữa, cho phép để trộn dầu khơng khí tỷ lệ sử dụng khơng khí Để thực hệ thống làm mát hiệu , kiến thức nguồn nhiệt bên máy quan trọng ; cho mục đích , mơ hình số , tính tốn mơ động lực học chất lỏng mạng nhiệt chi tiết thƣờng đƣợc xem xét giai đoạn thiết kế Trong [14] , thí nghiệm tiến hành động trục IM nêu bật tầm quan trọng hệ thống làm mát để chuyển nhiệt đƣợc tạo từ rotor vào stato , nâng cao hiệu hệ thống làm mát Tuy nhiên , điều quan trọng đƣợc nhắc nhở dịng nƣớc làm mát thơng qua khe hở khơng khí máy HS tạo tổn thất lớn , làm giảm hiệu suất máy Để ngăn chặn rò rỉ dầu động khe hở khơng khí kỹ thụât khác đƣợc sử dụng Chỉ trƣờng hợp đƣờng kính tƣơng đối nhỏ vận tốc quay tƣơng đối thấp , sử dụng van khớp nối;, Bịt kín đƣợc thực cách sử dụng đệm kín kiểu mê lộ cách đảm bảo khác biệt áp lực tích cực bên bên ngồi động Thơng thƣờng, chốt khơng tiếp xúc xếp phổ biến ứng dụng máy cơng cụ , có nhiều khó khăn để sản xuất , đắt tiền , phức tạp Trong số chốt không tiếp xúc, có đệm kín kiểu mê lộ sử dụng rộng rãi ứng dụng trục chính: ngƣời ta truy cập vào vịng bi ,ít gây ô nhiễm ngăn ngừa dung dịch xâm nhập vào khu vực vòng bi 82 KẾT LUẬN Sau tháng nghiên cứu thực đề tài, đồ án thực đƣợc nội dung sau: - Tìm hiểu tổng quan lịch sử nghiên cứu phát triển máy điện tốc độ cao ứng dụng - Tìm hiều máy điện cỡ nhỏ tốc độ cao Tuy nhiên kinh nghiệm khả thân hạn chế thực đồ án nên đồ án hẳn không tránh khỏi khuyết điểm thiếu sót Những thơng tin tài liệu nội dung đồ án hạn chế, vấn đề nghiên cứu, xu hƣớng phát triển tƣơng lai không xa thực tế, hy vọng thời gian tới nhiều kếtquả nghiên cứu, nhiều thông tin việc đƣợc công bố Em xin chân thành cảm ơn thầy ! Hải Phòng ,ngày…tháng…năm…2014 Sinh viên Đào Khánh Duy 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO D Gerada, A Mebarki, N L Brown, C Gerada, A Cavagnino, and A Boglietti, “High-speed electrical machines: Technologies, trends, and developments,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 2946–2959, Jun 2014 A Tüysüz, C Zwyssig, and J W Kolar,“A novel motor topology for highspeed micro-machining applications,”IEEE Trans I Electron., vol 61, no 6, pp 2960–2968, Jun 2014 J Ikäheimo, J Kolehmainen, T Känsäkangas, V Kivela, and R R Moghaddam, “Synchronous high-speed reluctance machine with novel rotor construction,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 2969–2975, Jun 2014 B Gaussens, E Hoang, M Lécrivain, P Manfe, and M Gabsi, “A hybrid-excited flux-switching machine for high speed DC-alternator applications,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 2976–2989, Jun 2014 S Silber, J Sloupensky, P Dirnberger, M Moravec, W Amrhein, and M Reisinger, “High-speed drive for textile rotor spinning applications,” IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 2990–2997, Jun 2014 F Crescimbini, A Lidozzi, G Lo Calzo, and L Solero, “High-speed electric drive for exhaust gas energy recovery applications,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 2998–3011, Jun 2014 J Abrahamsson, M Hedlund, T Kamf, H Tobias, and H Bernhoff, “High-speed kinetic energy buffer: Optimization of composite shell and magnetic bearings,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3012– 3021, Jun 2014 A Tenconi, and A Vigliani, “Electrical machines for highspeed applications: Design considerations and tradeoffs,” IEEE Trans 84 Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3022–3029, Jun 2014 W Li, H Qiu, X Zhang, J Cao, S Zhang, and R Yi, “Influence of rotorsleeve electromagnetic characteristics on high-speed permanentmagnetgenerator,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3030–3037, Jun 2014 10 D A Gonzalez and D M Saban, “Study of the copper losses in a highspeed permanent-magnet machine with form-wound windings,” IEEETrans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3038–3045, Jun 2014 11 M Dems and K Komeza, “Performance characteristics of a highspeedenergy-saving induction motor with an amorphous stator core,” IEEETrans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3046–3055, Jun 2014 IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL 61, NO 6,JUNE 2014 2945 12 W Li, H Qiu, X Zhang, J Cao, and R Yi, “Analyses on ctromagneticand temperature field of superhigh-speed permanentmagnet generatorwith different sleeve materials,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6,pp 3056–3063, Jun 2014 13 M van der Geest, H Polinder, J A Ferreira, and D Zeilstra, “Current sharing analysis of parallel strands in low-voltage high-speed machines,” IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3064–3070, Jun 2014 14 L Papini, T Raminosoa, D Gerada, and C Gerada, “A high-speed permanent-magnet machine for fault-tolerant drivetrains,”IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3071–3080, Jun 2014 15 J Boisson, J F Louf, J Ojeda, X Mininger, and M Gabsi, “Analytical approach for mechanical resonance frequencies of high-speed machines,” IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 6, pp 3081–3088, Jun 2014 16 TRANG TÌM KIẾM TÀI LIỆU https://www.google.com.vn 17 TÀI LIỆU ĐIỆN TỬ WIKI PEDIA(Tiếng Việt) 85 ... máy điện tốc độ cao máy điện nhiều hàng loạt nhƣ hình đƣa tổ hợp bốn máy điện tốc độ cao đặt xung quanh động tƣơng lai Hình 1.1 Máy? ?iện tốc độ cao cho máy nhiềuđiện Trong ứng dụng nhƣ vậy, máy. .. thiết cho hoạt động tốc độ cao đƣợc mô tả CHƢƠNG MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO: CÔNG NGHỆ , XU HƢỚNG VÀ SỰ PHÁT TRIỂN 1.1 TÌM HIỂU MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO 1.1.1.Giới thiệu Máy khí có Tốc độ quay cao đƣợc phát... dụng kéo theo công nghệ máy điện tốc độ cao A Máy điện tốc độ cao cho máy nhiều điện Quan điểm máy kéo có hiệu suất cao đƣợc tích hợp hệ thống truyền động kéo lai nhằm nâng cao hiệu suất nhiên liệu