Nội dung của bài báo trong phần 2 sẽ đưa ra mô hình giải tích của IPMSM với ứng dụng thiết kế cụ thể và mô phỏng kết quả đặc tính yêu cầu của động cơ servo.. Phần 3 áp dụng thuật toá[r]
(1)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
1TrườngĐại 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 thơng số cấu trúc hình dạng điện từ động Các tác giả sử dụng phần mềm mơ Ansys Maxwel để phân tích, đánh giá kết thiết kế đạt từ mô hình giải tích Từ tốn thiết kế tối ưu số thông 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
1 MỞ ĐẦU
Động servo thường yêu cầu thông số kỹ thuật phức tạp: hoạt động
(2)điện nói chung động servo nói riêng thường dựa vào mơ hình ngun 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 thơng số tối ưu với hàm ràng buộc [1-3] Bài tốn 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
Hình Phân loại động servo
Ưu điểm động servo PMSM (hình 2) khơng có tổn thất đồng rotor, tăng
hiệu suất, linh hoạt điều khiển từ thơng 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
Hình Các kiểu rotor với nam châm gắn (a, b, c) gắn (d, e, f, g) PMSM
Động servo Động servo
một chiều
Động servo xoay chiều
Động bước
Động servo xoay chiều đồng
(3)Vật liệu nam châm đất có mật độ từ thơng lớn, kích thước rotor không cần lớn mà đạt từ thông mong muốn, mật độ công 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
Hình Đặc tính từ hóa vật liệu nam châm NdFeB - N39UH
Nội dung báo phần đưa mô hình giải tích IPMSM với ứng dụng thiết kế cụ thể mơ kết đặc tính u 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
2 MÔ HÌNH GIẢI TÍCH
2.1 Xác định kích thước 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
vòng/phút, tốc độ định mức 1500 vòng/phút tần số 50 Hz, làm mát tự nhiên
Mô hình giải tích tính tốn kích thước mạch từ động IPMSM tóm tắt đây:
Đường kính (cm) lõi thép stator:
𝐷𝑛 = 14,9
𝑃𝑠 √𝐵𝛿 𝐴 𝜆
3 (cm) (1) Trong : 𝑃𝑠 công suất biểu kiến (VA)
𝑃𝑠 = η.Cos𝜑 𝑃đ𝑚 (2)
𝑃đ𝑚 công suất định mức η hiệu suất động
𝜆 = 𝑙
(3)
là tỷ số chiều dài lõi thép với bước cực
𝜆= 0,451,0 2p=2 𝜆= 0,81,4 2p=4
A: tải đường stator (A/cm),
A = 105–150 A/cm 2p =
A = 120–200 A/cm 2p =
𝐵𝛿: mật độ từ thơng khe hở khơng khí (T), 𝐵𝛿 = 0,5-0,6 (T)
Đường kính lõi thép stator:
𝐷 = 𝑘𝐷𝐷𝑛 (4)
𝑘𝐷: Hệ số kết cấu
(4)Bước cực: = 𝜋 𝐷
2𝑝 (5)
p số cặp cực Chiều dài lõi thép:
𝑙 = 𝜆 (6)
Khe hở khơng khí (mm):
𝛿 = 0,2 +200𝐷 (mm) (7)
Số rãnh stator:
𝑍𝑠 = 𝑚 𝑝 𝑞 (8)
Với m số pha; q số rãnh cho pha cực từ
Số vòng dây pha:
𝑊𝑓 =
𝑈đ𝑚 𝑘𝑒 108
4 𝑘𝑠 𝑓. 𝑘𝑑𝑞 (9)
Trong đó: 𝑘𝑠 hệ số sóng, 𝑘𝑠 = 1,07 ÷ 1,1 𝑘𝑒 = 𝑈đ𝑚
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) Với ∝𝛿: hệ số cung cực từ tính tốn,
∝𝛿= 0,5 ÷ 0,73
Số dẫn rãnh:
𝑈𝑠 =
𝑤𝑠 𝑎
𝑞 𝑝 (12)
a số mạch nhánh song song Tiết diện dây quấn:
𝑆𝑠=
𝐼đ𝑚
𝑎 𝐽 𝑛′′ (13)
Trong đó: 𝐼đ𝑚 dịng điện định mức; J mật độ dòng điện, J = 5-8 (A/mm2); 𝑛′′ số sợi chập
Đường kính ngồi rotor:
𝐷𝑟= 𝐷 − × 𝛿 (14)
Chiều cao nam châm xác định [10]:
ℎ𝑚=
𝐵𝑔𝛿
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 = 𝑐𝑣𝑓.𝐵𝑃đ𝑚
𝑟.𝐻𝑐 (16)
𝐻𝑐 lực kháng từ (A/m); 𝑓 tần số dòng điện stator; 𝑐𝑣 hệ số thể tích nam châm
𝑐𝑣=
2 𝑘𝑜𝑐𝑓 𝑘𝑓𝑑 (1+∋)
𝜋2 𝜉 (17)
𝑘𝑜𝑐𝑓 hệ số tải động cơ; 𝜉: hệ số tận dụng hóa;
𝑘𝑓𝑑: hệ số hình dáng từ hóa dọc trục ∋ = 0,6 0,95
Chiều cao nam châm:
ℎ𝑚=
𝑉𝑚
4 𝑤𝑚 𝑙𝑚 (18)
(5)Bảng Kích thước của 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 -
Chiều cao rãnh stator 14,7 mm
Khoảng cách rãnh stator mm
Độ rộng miệng rãnh stator 2,2 mm
Chiều cao chân rãnh 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
2.2 Kết mơ đặc tính
Sử dụng phần mềm Ansys Maxwell để mô động servo PMSM với kích thước bảng thể hình
Hình Mơ hình động IPMSM đạt được, chiều dài mạch từ 100 mm
Hình biểu diễn đặc tính cơng suất theo góc quay mômen điểm hoạt động định
mức 1500 vịng/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 và góc mơmen quay
Hình Đường cong mối quan hệ giữa hiệu suất động góc momen
(6)Hình Đặc tính mơmen vận tốc cho dải cơng suất 2,2 kW
Hình biểu diễn đặc tính mơmen (cơng 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
3 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 NdFeB-N39UH với mục tiêu giảm giá thành đảm bảo đặc tính cơng suất hiệu suất yêu 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 là 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
các 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
min M(lN39UH,wN39UH,hN39UH) (kg)
(19)
lN39UH ∈ [60 120] (mm)
wN39UH ∈ [40 80] (mm)
hN39UH ∈ [ 7] (mm) ràng buộc
Pcơ = 2,2kW
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 và biến thiết kế
(7)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
4 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 T2017-TT-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