Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VŨ THANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN HÀ NỘI – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VŨ THANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: Kĩ thuật điện Mã số: 62520202 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS BÙI ĐÌNH TIẾU TS PHẠM HÙNG PHI HÀ NỘI – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tiêng tơi Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Người cam đoan Nguyễn Vũ Thanh TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Bùi Đình Tiếu TS Phạm Hùng Phi LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bầy tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS.TS Bùi Đình Tiếu TS Phạm Hùng Phi Những người thầy tận tâm, thấu hiểu tạo điều kiện nghiên cứu tốt để tác giả yên tâm thực luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS TS Phạm Văn Bình, TS Nguyễn Hồng Thanh TS Lê Huy Bình Ba thầy dành thời gian quý báu để đọc đưa nhận x t chỉnh sửa qu gi gi p cho t c giả hoàn thiện luận án Tác giả ln trân trọng cảm ơn TS Bùi Đức Hùng, người hỗ trợ công nghệ chế tạo trợ giúp nhiệt tâm cho mơ hình thực tế mà tác giả thực Người dành thời gian để quan tâm đóng góp ý kiến quý giá giúp cho tác giả hồn thành tốt mơ hình thực tế Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Phùng Anh Tuấn, TS Đặng Quốc Vương, TS Bùi Minh Định ThS Hà Xn Hịa ln động viên lắng nghe trăn trở thắc mắc mà tác giả gặp phải trình thực luận án Tác giả bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Văn Thịnh động viên bảo kinh nghiệm quý giá giúp cho tác giả vượt qua quãng đường khó khăn nghiên cứu khoa học T c giả trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Việt Hùng Viện trưởng Viện nghiên cứu quốc tế khoa học k thuật t nh to n DASI tạo điều kiện thuận lợi cho ph p t c giả sử dụng chương trình phần mềm Ansoft Maxwell 2D ph ng nghiên cứu Viện để thực to n mô FEM cho động T c giả trân trọng cảm ơn Th.S Lê Xuân Đại công t c Viện DASI thuộc trường Đại học B ch khoa Hà Nội Người hết l ng hỗ trợ t c giả việc triển khai thuật to n di truyền phần mềm Ansoft Maxwell 2D Tác giả trân trọng cảm ơn Tập thể thầy cô, bạn đồng nghiệp môn Thiết Bị Điện – Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi thời gian sở vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung luận án Cuối cùng, tác giả thực cảm động từ đ y l ng xin bày tỏ lịng biết ơn đến Bậc sinh thành người vợ yêu qu c c thân yêu bên tác giả l c khó khăn nhất, lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ tài tinh thần, giúp tác giả đứng vững q trình nghiên cứu hồn thiện luận án Tác giả luận án Nguyễn Vũ Thanh MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG 15 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 16 MỞ ĐẦU 19 CHƯ NG 1: TỔNG QUAN 21 1.1 So sánh động IM động LSPMSM 22 1.2 Mô hình hóa động LSPMSM 24 1.3 Cấu tr c rotor động LSPMSM 26 1.4 Thuật to n thiết kế 28 1.5 Các nghiên cứu hỗ trợ thiết kế 28 1.6 Tối ưu động 32 1.7 Công cụ mô 32 1.8 Kết luận 33 CHƯ NG 2: M H NH LI N KẾT GIỮA M CH ĐIỆN – TỪ TRƯỜNG 35 2.1 Mơ hình nam châm v nh cửu 35 2.2 Mơ hình trường điện từ 36 2.2.1 Hệ tọa độ t nh 36 2.2.2 Hệ tọa độ động 37 2.3 Phương trình mạch điện 38 2.3.1 X t trường hợp dẫn 38 2.3.2 Phương trình mạch điện – từ trường dây quấn stator 39 2.3.3 Phương trình mạch điện – từ trường dẫn lồng sóc 42 2.4 Phương trình chuyển động 44 2.5 Xử l kết sau mô 45 2.5.1 T nh hiệu suất 45 2.5.1.1 Công suất đầu 45 2.5.1.2 Tổng tổn thất 45 2.5.2 2.6 T nh hệ số công suất cos 47 Mô động LSPMSM 7,5kW 48 2.6.1 Về stator 48 2.6.2 Về dây quấn stator 49 2.6.3 Về rotor 49 2.6.4 Về nam châm v nh cửu 50 2.6.5 Điều kiện biên chia lưới 50 2.6.5.1 Điều kiện biên 50 2.6.5.2 Thực chia lưới 52 2.7 2.7.1 Mật độ từ thông sức điện động cảm ứng 53 2.7.2 Hiệu qu trình qu độ 54 2.7.3 Hiệu qu trình x c lập 56 2.8 Kết mô động LSPMSM 7,5kW 52 Kết luận 57 CHƯ NG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ Đ NG C LSPMSM 58 3.1 T nh to n mật độ từ thông điểm làm việc nam châm v nh cửu 58 3.1.1 Phân t ch mật độ từ thông nam châm điểm làm việc 58 3.1.2 X c định mật độ từ thông gông stator rotor 60 3.1.2.1 Mật độ từ thông stator rotor 60 3.1.2.2 Mật độ từ thông gông stator rotor 61 3.1.2.3 T nh to n mật độ từ thông nam châm v nh cửu điểm làm việc 61 3.1.2.4 Kết nghiên cứu 63 3.2 Khảo s t ảnh hưởng k ch thước nam châm đến mật độ từ thông khe hở không kh 67 3.3 X c định điều kiện thiết kế để động LSPMSM có hệ số cos  68 3.3.1 Điều kiện để động có hệ số cos  68 3.3.2 Kết khảo s t 71 3.3.2.1 Kiểm tra điều kiện cos  72 3.3.2.2 T nh gi trị cos 73 3.4 Thuật to n thiết kế chi tiết động LSPMSM 73 3.4.1 Thuật to n thiết kế điện từ động LSPMSM 73 3.4.2 Thiết kế động 7,5kW 80 3.5 Kết khảo s t thực nghiệm 80 3.5.1 Kết cấu động thực nghiệm 81 3.5.2 Kết thực nghiệm 81 3.5.2.1 Hệ thống thực nghiệm 81 3.5.2.2 Sức điện động 82 3.5.2.3 Điện p d ng điện 85 3.6 Kết luận 87 CHƯ NG 4: T I ƯU Đ NG C LSPMSM 7,5kW 89 4.1 Kh i qu t tối ưu hóa 89 4.2 Phân loại 89 4.3 Phương ph p leo đồi thuật to n di truyền 90 4.4 Tối ưu động LSPMSM 7,5 kW 91 4.4.1 Nhiệm vụ tối ưu động LSPMSM 92 4.4.2 Khởi tạo khơng gian tìm kiếm 93 4.4.3 C c ràng buộc dùng chương trình 94 4.5 Xây dựng mục tiêu hàm chi ph tổng 94 4.5.1 Mục tiêu hiệu suất 94 4.5.2 Mục tiêu hệ số công suất cos 94 4.5.3 Mục tiêu thể t ch nam châm 94 4.5.4 Hàm chi ph tổng 95 4.5.5 Lưu đồ thuật to n cho chương trình t nh tối ưu 96 4.5.5.1 Thế hệ ban đầu 96 4.5.5.2 Bước đ nh gi 97 4.5.5.3 Bước lựa chọn 98 4.5.5.4 Bước lai tạo biến dị 98 4.5.5.5 Thế hệ 99 4.6 Kết chương trình tối ưu 100 4.7 Kiểm tra lại kết tối ưu 101 4.7.1 Mật độ từ thông sức điện động cảm ứng 101 4.7.1 Hiệu qu trình qu độ 103 4.7.2 Hiệu qu trình x c lập 104 4.8 Kết luận 105 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 DANH MỤC C C C NG TR NH Đ C NG B CỦA LUẬN N 117 PHỤ LỤC 118 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu / Viết tắt A AM a a1 B Bg Bm Br Bts Btr Bsy Bry Bs0 Bs1 Bs2 b bb btr bts C1 Cost D DAI-Labvol DC D1 Dlmax Dn Dnr Dnv Dtr Dtv Dvr d dcd E Đơn vị Wb.m-1 m T T T T T T T T T T T m m m m m m m m m m m m m m m m m m Vm-1 Ý nghĩa Vecto từ Phương ph p giải tích Chiều rộng vành ngắn mạch Số mạch nhánh song song Mật độ từ thơng Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Mật độ từ thơng khe hở khơng khí tối ưu Mật độ từ thông điểm làm việc nam châm Giá trị tính tốn mật độ từ thơng nam châm Biên độ thành phần từ thông xoay chiều bậc Mật độ từ thông dư Mật độ từ thông stator Mật độ từ thông rotor Mật độ từ thông gông stator Mật độ từ thông gông rotor Độ mở miệng rãnh stator rotor Đường kính nhỏ rãnh stator đường kính lớn rãnh rotor Đường kính lớn rãnh stator đường kính nhỏ rãnh rotor Chiều cao vành ngắn mạch Cung đế cực Chiều rộng rotor Chiều rộng stator Hệ số m y điện Hàm chi phí tổng Đường kính stator Hệ thống thu thập số liệu hãng Labvol Động chiều Đường kính đường trịn ngoại tiếp nam châm Đường k nh đường trịn ngoại tiếp lớn Đường kính ngồi stator Đường kính ngồi rotor Đường kính ngồi vành ngắn mạch Đường kính trục rotor Đường kính vành ngắn mạch Đường kính trung bình vịng ngắn mạch Đường kính dây dẫn Đường kính dây dẫn có kể đến c ch điện Cường độ điện trường EMF Enc Fg Ftr Fts Fsy Fry FEA FEM FM f fđm GA Gt1 Gy1 G1 G2 G3 g ge V A.v ng A.v ng A.v ng A.v ng A.v ng Hz Hz kg kg m m m m Sức điện động Sức điện động cảm ứng nam châm Sức từ động khe hở khơng khí Sức từ động rotor Sức từ động stator Sức từ động gông stator Sức từ động gơng rotor Phân tích phần tử hữu hạn Phương ph p phần tử hữu hạn Phương ph p FEM Tần số Tần số định mức Thuật toán di truyền Trọng lượng stator Trọng lượng gông stator Hàm mục tiêu hiệu suất Hàm mục tiêu hệ số công suất cos Hàm mục tiêu thể tích nam châm Độ rộng khe hở khơng khí Khe hở không kh tương đương theo trục d Độ rộng khe hở khơng khí hiệu Khe hở khơng kh tương đương theo trục q H Hci Hi Hm Htr Hts Hsy Hry Hs0 Hs2 hry hsl hsy ht IM IPM Itj [ ] A/m A/m A/m A/m A/m A/m A/m A/m m m m m m m A A Cường độ từ trường Độ kháng từ nội Độ kháng từ Cường độ từ trường điểm làm việc nam châm Cường độ từ trường rotor Cường độ từ trường stator Cường độ từ trường gông stator Cường độ từ trường gông rotor Chiều cao miệng rãnh stator rotor Chiều cao phần thẳng rãnh stator rotor Chiều cao gơng rotor Chiều cao tồn rãnh stator Chiều cao gông stator Độ dầy thép Động không đồng Động đồng nam châm gắn chìm D ng điện chạy qua dẫn lồng sóc thứ j Ma trận d ng điện dẫn [ ] I1 A Ma trận d ng điện c c đoạn ngắn mạch A D ng điện pha định mức Id Iq i(t) If Ikđ J J1 Jj Kc Klm kc kđ kdq kE ke kfq kfd kFe kh ki km ksat kt kr1 ky L Lb Lj Lm Ln Ls A A A A A A/mm2 A/mm2 A/mm2 m m m m H m H Thành phần d ng điện trục d Thành phần d ng điện trục q D ng điện pha tính thời điểm xác lập t1 Giá trị hiệu dụng d ng điện pha Dòng khởi động Mật độ d ng điện Mật độ d ng điện stator Mật độ d ng điện dẫn thứ j Hệ số Carter Hệ số từ thơng rị Hệ số tổn thất lõi theo dịng xốy Hệ số lấp đầy Hệ số dây quấn stator Hệ số sức điện động Hệ số tổn thất dị thường Hệ số hình dáng từ hóa ngang trục Hệ số hình dáng từ hóa dọc trục Hệ số ép chặt thép Hệ số tổn thất lõi theo mắt trễ Bội số dòng khởi động Bội số momen Hệ số bão hòa Hệ số tổn thất lõi Hệ số quấn rải Hệ số bước ngắn Chiều dầy cuộn dây theo hướng z Chiều dài dẫn lồng sóc Chiều dài dẫn thứ j Chiều dầy nam châm Điện cảm cuộn dây stator Chiều dài tác dụng lõi sắt stator Điện cảm vòng dây thứ j Ltj m H Chiều dài dẫn lồng sóc thứ j Ma trận điện cảm đoạn ngắn mạch m m m m m m Động đồng ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới Chiều dài cuộn dây có t nh đến phần đầu nối Chiều dài đường mạch từ Chiều dài phần đầu nối Chiều dài gông stator Chiều cao stator Chiều cao rotor [ ] LSPMSM lc lmag lle lsy lts ltr 10 Với:  X1 = 1,057; Xm = 58,14; Ikđ = kiIđm = 78,83 A , Như thay c c gi trị vào biểu thức ta s có phương trình hai ẩn (N.m) ( ) () Thay tất gi trị vào phương trình t nh d ng khởi động Ikđ ta phương trình bậc hai t nh cho giải phương trình b ng Maple17 Giải phương trình ta hai nghiệm 0,872 -2,948, () B32/ X định í h th hình họ n v v nh n n h Điện tr ( Điện trở rotor quy đổi stator ( ( Điện trở rotor [51] ) () ) ) ( ) ( ) Theo [38], điện trở dẫn rotor ( Trong đó: Lb Std ) ( ) chiều dài dẫn, Lb = Ls (chiều dài lõi sắt stator) tiết diện dẫn, rãnh rotor làm theo hình ovan nên ( ) ( ) ( ( )) điện trở vòng ngắn mạch ( ) ( ) / Trong đó: Với: Dvr đường kính trung bình vòng ngắn mạch, Với: Dnv = Dnr –0,004 (m), Dnr đường kính ngồi rotor Dtv = Dnv – 2b (m), b chiều cao vành ngắn mạch ( ) ( ) ( ( )) Thay quan hệ vào phuơng trình x c định Rr ta 124 ( ( ) ( ( ) )) ( / ( )) ( ) Rút gọn phương trình ta ( ) ( ( ( )) ( ) / ( ) ) Đối với vành ngắn mạch chiều cao b thường lấy b ng chiều sâu rãnh rotor, đó: b = Hs2 + Bs1, ( Chọn chiều rộng vành ngắn mạch b ng 1/2 chiều cao, đó: Với T ) = 10-7, f = 50 Hz, Ls = 165 mm, Dnr = 139 mm, Z2 = 48, p = 2, = 4.10-3 (0C)-1, ( )  / , t = 750, t0 = 200, Sv = a.b = 0,5(Hs2 + Bs1)2 Với Sv diện t ch vành ngắn mạch Thay giá trị số vào phương trình Rr ta tìm phương trình thứ với hai ẩn Bs1 Hs2 Từ phương trình chọn Hs2 = 0,007 m = mm , thay vào giải phương trình theo Bs1, ta Bs1 = 0,001489 m = 1,489 mm , chọn gi trị 1,5 (mm) b = + 1,5 = 8,5 (mm), a = 4,3 (mm) Điện h n t n ( Điện kháng tản rotor quy đổi stator () ( ) Điện kháng tản rotor Xr = Xb + 2Xv Điện kháng tản dẫn rotor [38]: Với: Lb chiều dài dẫn rotor, Lb = Ls Hệ số  )  [49]  Điện kháng tản vành ngắn mạch [38]:  / Thay biểu thức vào công thức x c định điện kháng tản rotor, ta ( ) ( / ) Rút gọn biểu thức ta 125 ( ) ( ( ( ( ) ( ) ( )) / ) ) ( ( )) ( ( / ) ) Thay giá trị tương ứng vào biểu thức Xr, ta phương trình thứ hai ,01 Chọn Bs0 = 0,5 mm Hs0 = 0,46 (mm) Để thuận tiện cho chế tạo lấy Hs0 = 0,5 (mm) B33/ í h th n v v nh n n h n s Từ t nh to n ta có k ch thước dẫn lồng sóc sau: Đường k nh ovan Bs1 = 1,5 (mm) Chiều cao phần thẳng rãnh Hs2 = (mm) Độ mở miệng rãnh rotor Bs0 = 0,5 (mm) Chiều cao miệng rãnh rotor Hs0 = 0,5 mm Chiều cao vành ngắn mạch b = 8,5 (mm) Chiều dầy vành ngắn mạch a = 4,3 (mm) B34/ Đ n ính n nh t trụ Với mơmen định mức b ng 47,74 Nm đường k nh trục không ph p nhỏ 32mm Đường k nh trục tương ứng với mômen định mức trục [4] ( ) ( ) hry 44,5 mm , với độ dầy gơng ta chuẩn hóa đường k nh trục b ng Dtr = 32 (mm) B35/ Tính ại hiều ao n rotor Dựa k ch thước hình học, x c định lại chiều cao gơng sau: ( ) ( ) B36/ a h v nh u Nam châm v nh cửu sử dụng thiết kế động loại N45 NdFeB [20] C c tiêu k thuật loại nam châm 126 ng A.1 N HcB HcJ BHmax Tw (0C) (kA/m) (kA/m) (kJ/m3) N45 1290 659,375 955 354 80 Tw: Nhiệt độ làm việc lớn theo khuyến c o B37/ X định chiều r ng l n nh t v ho n h n nh t nam châm Khoảng cách D1max = Dnr – 2(Hs0 + Bs1+Hs2) = 119 (mm) Với chiều rộng nam châm ta lựa chọn cho độ phủ nam châm lớn có thể, ta s tận dụng tối đa bề rộng nam châm Với đường kính D1max trên, ta chọn đường k nh D1 = 118 (mm), chiều rộng lớn Cấp độ Br (mT) √ nam châm đạt (mm) < √ Khoảng cách O1 lớn sau: / / ( ) Như ta chọn O1 = 42 mm nh A.2 - N ( : [20]) B38/ Thể tí h na h th o n su t Thể t ch nam châm tỉ lệ với công suất đầu theo quan hệ [41]: ( ) Với: Hệ số qu tải , thông thường kocf = Hệ số sức điện động kE = 0,6 0,95, chọn kE = 0,9 Hệ số tận dụng nam châm = 0,3 0,7 Mật độ từ thông dư Br nam châm Độ kh ng từ nội Hc = 955 kA/m 127 Hệ số hình d ng từ hóa trục d, chọn sơ kfd = 0,83 Khi hệ số tận dụng nam châm thay đổi khoảng = 0,3 0,7, thể t ch nam châm thay đổi khoảng từ 27792 mm3 đến 97274 mm3 B39/ X định í h th c cụ thể nam châm Với: chiều rộng nam châm Wmmax = 83,43 (mm), chiều sâu nam châm Hm = Ls = 161 (mm), Thì chiều dầy nam châm theo hướng từ hóa) Lm thay đổi khoảng từ 2,3 (mm) đến 8,3 (mm) Chọn Lm = (mm) Ta x c định công thức t nh khoảng c ch cầu nối Wf nhỏ khoảng c ch DB hình 3.23) √ ( √( ) ( ) ) ( ) Để đảm bảo yêu tố công nghệ cứng vững rotor, chọn Wf = (mm) Như k ch thước vị tr nam châm rotor sau: - Wm = 71 (mm), - Lm = (mm), - Hm = 161 (mm) - Wf = (mm) - O1 = 42 (mm), - D1 = 118 (mm), Các thông số k ch thước bố trí nam châm (Wm, Lm, Wf) s thay đổi để động đạt tiêu k thuật mong muốn B40/ Kiểm tra lại mật đ t thông phân b tron đ n hi đ í h thí h t nam châm Với k ch thước t nh cho stator rotor, tính lại phân bố mật độ từ thông động Ta mật độ từ thông phân bố động sau: ng A.2 ậ Ph n tí h Ph n tí h Đ n vị i i tí h FEM Mật độ từ thông rotor (Btr) 0,977 T Mật độ từ thông stator (Bts) 1,287 T Mật độ từ thông gông rotor (Bry) 0,734 T Mật độ từ thông gông stator (Bsy) 1,598 T Mật độ từ thông nam châm Bm) 1,153 1,177 T Mật độ từ thông khe hở không kh Bg) 0,565 0,577 T T nh b ng FEM ta phân bố mật độ từ thơng hình 2.16, hình 2.17 Trong gi trị mật độ từ thông khe hở không kh t nh theo FEM thông qua phân t ch chuỗi FFT Gi trị mật độ từ thông nam châm x c định trực tiếp nam châm b ng FEM STT T n ọi 128 B41/ T n hao th p stator T n hao th p tr n r n stator [38]:  ( ) ( ) Trong đó: p10 suất tổn hao th p, p10 = 3,6 (W/kg) [87] kt hệ số tổn hao l i liên quan đến việc chế tạo l th p, kt = 1,7 Gt1 trọng lượng stator Gt1 = fe.Z1.bts.(Hs0 + Hs2 + (Bs1 + Bs2)/2).Ls.kfe = 5,435 (kg) Với: fe = 7800 (kg/m3); Z1 = 36; bts = 5,6 (mm); Hs0 = 0,5 (mm); Hs2 = 13,1 (mm); Bs1 = 7,3 (mm); Bs2 = 9,6 (mm); Ls = 165 (mm); kfe = 0,95 T n hao th p tr n n stator [38]:  Trong đó: ( ) ( ) ky hệ số tổn hao l i liên quan đến chế tạo l th p, ky = 1,6 Gy1 trọng lượng gông stator  ( ) / ( ) fe = 7800 (kg/m3); Dn = 225 (mm); hsy = 20,45 (mm); Ls = 165 (mm); kfe = 0,95 Với: T n hao : Đối với động kiểu k n [4][5]  / ( ) ( ) Với: nđc tốc độ động vph Dn đường k nh stator mm T n hao phụ: Theo kinh nghiệm [38], tổn hao phụ t nh sau: Pphụ = 0,01.Pđm = 75 (W) B42/ T n hao đ n Trên dây quấn stator [38] Pcu = 3RsI2 = 1,707.I2 Với Rs = 0,569  B43/ T n t n hao tron đ n ∑( ̉ ́ )    B44/ Điện h n đ n ọ trụ v đ n Hệ số cung cực từ góc cực   n an trụ [41] 129 nh A.3 LSPMSM 7,5kW bước cực ; = 109,9 (mm) Với : ( bp cung đế cực, Với : ) D đường kính stator ; D = 65 (mm) (xem hình A.3) ; / kfq hệ số hình d ng từ hóa ngang trục )( (( ( )) ( ) ) ( )) ( ) ) kfd hệ số hình d ng từ hóa dọc trục )( (( Với: g khe hở không kh m Kc hệ số Carter (m) Với: Br mật độ từ thông dư nam châm T Hi lực kh ng từ A m Điện kh ng từ hóa ngang trục x c định theo công thức: ( Với: m f W1 kdq Ls p ) () số pha động hệ số từ thẩm chân không; = 10-7 (Tm/A) tần số nguồn cấp Hz số v ng dây pha động hệ số dây quấn bước cực chiều dài t c dụng stator số cặp cực khe hở không kh tương đương theo trục q Với: gq độ rộng khe hở không kh theo trục q, khe hở không kh đồng nên gq = g 130 hệ số bão h a mạch từ, động có nam châm gắn chìm động cực ẩn k ch th ch điện từ, thường ksat  Điện kh ng từ hóa dọc trục x c định theo công thức sau: ksat ( Với: ) () khe hở không kh tương đương theo trục d Điện kh ng đồng dọc trục Xd = X1 + Xad = 2,730 () Điện kh ng đồng ngang trục Xq = X1 + Xaq = 5,189 () B45/ Gi n đ v to điện p đ n SP S  góc lệch U1 I1 Pin = U1I1cos = U1I1cos( + ) Pin = Pđm +  tổn thất Từ 3.53 3.54 ta có 3U1I1cos( + ) = Pđm +  tổn thất U1I1cos( + ) = Pđm + 389,07 + 1,707 (  ) (  ) (A.2) (A.3) (A.4) (A.5) (A.6) Mặt kh c Id = I1sin Iq = I1cos Từ 3.56 3.58 ta có (A.7) (A.8)  (  )  (  ) (A.9) Từ 3.57 3.59 ta có (A.10) Từ 3.55 , 3.60 3.61 ta có hệ phương trình sau : (( )  (  ) (  )  { Với : U1 = 220 (V) ; Pđm = 7500 (W) ; Xq = 5,189 () ; Rs = 0,569 () ; Xd = 2,730() Từ bước B18 với số v ng dây thực tế B40 gi trị ch nh x c mật độ từ thông khe hở không kh Bg), t nh lại sức phản điện động Enc nam châm sinh ra, với số v ng dây không đổi, từ thông bước cực t nh lại, Enc s có gi trị ( ) Hệ phương trình cần thỏa mãn điều kiện √( ) ( )  > 131 ) (       Dùng chương trình Maple V17 giải hệ phương trình ta kết sau :  = 0,2706 (rad) ;  = -0,7471 (rad) ; I1 = 14,024 (A) Như vậy: cos = 0,889, góc tải  = 15,5050, góc momen  = -42,8070, d ng điện I1 = 14,024 (A) B46/ iệu su t đ n Hiệu suất động x c định thông qua biểu thức sau: Thay gi tri I1 t nh vào biểu thức A.3) ta Pin, từ x c định gi trị hiệu suất sau: {  ∑( ̉ ) B47/ Mômen l ng sóc (Mls) Phương trình mơmen lồng sóc theo hệ số trượt x c định sau [6][38][90]: ) (( ( ) )  Với: Hệ số trượt ứng với mômen max √ ( ) Đường đặc t nh momen lồng sóc theo hệ số trượt tham khảo hình A.4 Momen ng óc theo h ố ƣợt 200 180 160 Momen (Nm) 140 120 100 Momen Mls 80 60 40 20 0 0.2 0.4 H 0.6 0.8 ố ƣợt nh A.4 132 B48/ Mômen n (Mp) Được x c định theo công thức sau [3][14][31][79][88][90] ( ( ( ) ) ( ) ( )( ) ( ) ) (A.11) Với: Xd = 2,730 (); Xq = 5,189 (); m = 3; p = 2; Rs = 0,569 () ; f = 50 (Hz); Enc = 232,156(V) Hệ số trượt ứng với mômen cản lớn [3][95] √ ( ) √ ( ) / Đường đặc t nh momen cản theo hệ số trượt tham khảo hình A.5 Momen c n theo h ố ƣợt 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Momen (N.m) -20 -40 -60 Momen Mp -80 -100 -120 H nh A.5 B49/ n h iđ n ố ƣợt ả đ n SP S (Mkd) Đối với động LSPMSM, momen khởi động trung bình bao gồm thành phần momen [11][18][19][31][45][64][65][73][95] bao gồm: - Mơmen khơng đồng Mls tạo lồng sóc Mômen cản (Mp) Mômen phản kh ng Mpk kh c biệt điện kh ng trục d trục q Khi bỏ qua momen phản kh ng Mpk , mômen khởi động Mkd biểu thị sau: Mkd = Mls + Mp Đường đặc t nh momen khởi động theo hệ số trượt tham khảo hình A.6 133 Momen theo h ố ƣợt 200 Momen (N.m) 150 100 50 Momen Mp Momen Mls -50 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Momen Mkd -100 -150 H ố ƣợt (s) nh A.6 B50/ nđ n Mômen đồng động LSPMSM x c định theo biểu thức [18][31][41][45][50][52][65][88][95] (  / ( ( ( ) ) ) ) Đường đặc t nh momen đồng theo góc mơmen tham khảo hình A.7 40 20 -180 -130 -80 -30 -20 Momen (Nm) Đặc nh góc mơmen động LSPMSM -40 Momen Mch -60 Momen Mdb -80 Momen Mpk -100 -120 Góc mơmen -140 nh A.7 134 Phụ lục B X định đặc tính B-H thép thuật điện B50-A800 Đặc t nh B-H vật liệu chế tạo l i th p stator có ảnh hưởng lớn đến độ ch nh x c to n mô Sau chế tạo xong hoàn toàn stator, để giảm ảnh hưởng rãnh stator qu trình đo đặc t nh B-H, tiến hành cắt toàn rãnh stator, tạo thành kết cấu dạng trụ kh p k n hình B1) Trên l i sắt tạo hai dây quấn sơ cấp thứ cấp , quấn dây tương tự biến p l i hình xuyến Cuộn sơ cấp nối với biến p tự ngẫu pha có nguồn cấp với tần số cố định 50Hz, nh m mục đ ch thay đổi điện p sơ cấp U1, dẫn đến thay đổi d ng điện sơ cấp I1 Cuộn thứ cấp để hở mạch, dùng đồng hồ đo p để đo điện p thứ cấp cảm ứng U2 Tại thời điểm ghi lại c c gi trị U1, I1, U2 tương ứng Cường độ từ trường H mật độ từ thông B x c định qua c c biểu thức sau: √ Trong đó: W1 W2 c c cuộn dây cuộn sơ cấp 50 v ng thứ cấp 34 v ng lmag = 329,867 mm chiều dài đường mạch từ, đường chu vi trung bình tiết diện cắt ngang S = a x b = 15 x 70 = 1050 (mm2 tiết diện hiệu mạch từ f = 50 (hz) A_A nh B.1 - -A800 135 nh B.2 ả -H Kết qu đo B-H ng B.1 S điể đo 10 11 12 13 14 15 16 ả U1 (V) 0,594 1,477 2,33 3,413 4,53 6,07 6,78 7,91 8,32 10,06 11,85 12,92 13,7 14,4 14,82 15,51 - I1 (A) 0,130 0,320 0,420 0,540 0,630 0,750 0,840 0,962 1,030 1,310 1,650 1,940 2,230 2,530 2,820 3,320 -A800 U2 (V) 0,398 1,151 1,746 2,348 3,142 4,25 4,74 5,53 5,83 7,04 8,28 9,02 9,57 10,05 10,35 10,83 B (T) 0,050186 0,145135 0,220161 0,29607 0,39619 0,535903 0,597689 0,697304 0,735132 0,887707 1,044064 1,137374 1,206726 1,267252 1,30508 1,365606 H (A/m) 19,7049 48,50436 63,66198 81,85111 95,49297 113,6821 127,324 145,8162 156,1234 198,5647 250,1006 294,0577 338,0148 383,4876 427,4447 503,2328 136 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 16,14 16,48 16,9 17,2 17,32 17,7 17,81 17,96 18,03 18,08 18,19 18,27 18,42 18,65 18,76 18,93 19,02 3,830 4,320 4,950 5,650 6,030 7,050 7,460 8,020 8,340 8,660 9,130 9,770 10,280 10,850 11,740 12,280 13,480 11,28 11,51 11,81 12,04 12,12 12,44 12,52 12,64 12,69 12,75 12,84 12,91 13,01 13,06 13,13 13,18 13,24 1,422348 1,45135 1,489179 1,51818 1,528268 1,568618 1,578706 1,593837 1,600142 1,607708 1,619056 1,627883 1,640492 1,646797 1,655624 1,661928 1,669494 580,5366 654,8089 750,3019 856,4052 914,0041 1068,612 1130,758 1215,641 1264,145 1312,649 1383,89 1480,899 1558,203 1644,601 1779,504 1861,355 2043,246 Phụ lục C Kết c u đ n th nghiệm Dựa vào chương trình thiết kế trình bầy mục 4.4.3 động thử nghiệm có c c k ch thước chế tạo sau (a) (b) (c) nh C.1 (d) ả ng C.1 Đại STT ợn Đường k nh stator Đường k nh stator Chiều dài t c dụng stator K ch thước rãnh hình 2.8) - Độ mở miệng rãnh Bs0 - Đường k nh nhỏ rãnh Bs1 - Đường k nh lớn rãnh Bs2 - Chiều cao miệng rãnh Hs0 - Chiều cao phần thẳng rãnh Hs2 Gi trị Đ n vị 120 mm 62 mm 62 mm 6,8 mm mm mm mm mm 137 Vật liệu chế tạo l th p stator B50-A800 Số lượng rãnh stator Khe hở không kh 24 rãnh 0,5 mm ng C.2 STT Đại ợn Số lớp Số dẫn rãnh Số v ng dây quấn pha Đường k nh dây dẫn [54] Đường k nh dây dẫn để đến c ch điện [54] Điện trở pha stator 200C Điện trở pha stator 750C Gi trị 146 584 0,45 0,508 24,48 30,54 Đ n vị v ng mm mm   nh 3.53 ng C.3 STT Đại ợn Đường k nh rotor Đường k nh trục Vật liệu rotor CT45 K ch thước rãnh hình tr n - Độ mở miệng rãnh Bs0 - Đường k nh rãnh Bs1 - Chiều cao miệng rãnh Hs0 Số lượng rãnh rotor Gi trị Đ n vị 62 mm 20 mm 0,5 mm mm 0,2 mm 16 ng C.4 STT Đại ợn Nam châm v nh cửu N30 Đường k nh ngoại tiếp nam châm D1 Khoảng c ch từ tâm rotor đến nam châm O1 Khoảng c ch cầu nối Rib Bề dầy nam châm theo hướng từ hóa Lm Chiều rộng nam châm (Wm) Gi trị 41,5 14,8 1,6 16 Đ n vị mm mm mm mm mm 138 ... ợng phạm vi nghiên c u Đối tượng Đối tượng nghiên cứu c c động đồng ba pha nam châm v nh cửu Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài c c động đồng ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp... cho nghiên cứu chế tạo động cơ, ch nh động đồng ba pha nam châm v nh cửu Do luận án „ hi n u thiết ế t i uđ n đ n a pha na h v nh u cần thiết bối cảnh Mụ đí h Nghiên cứu thuật tốn thiết kế chế... cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện với hệ số cơng suất cosθ xấp xỉ Thuật tốn thiết kế chi tiết phần điện từ cho động đồng ba pha nam châm v nh cửu khởi động từ lưới, với thiết kế nam châm gắn