Nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men động cơ BLDC rotor ngoài trong truyền động trực tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG MƠ MEN ĐỘNG CƠ BLDC ROTOR NGỒI TRONG TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG MÔ MEN ĐỘNG CƠ BLDC ROTOR NGOÀI TRONG TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Hùng Phi TS Phùng Anh Tuấn Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết tính tốn trình bày Luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 06 tháng năm 2021 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Hùng Phi TS Phùng Anh Tuấn i NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Việt Anh LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn khoa học TS Phạm Hùng Phi TS Phùng Anh Tuấn dành nhiều công sức, thời gian quan tâm, động viên tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh suốt trình thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Vũ Thanh, TS Bùi Minh Định hỗ trợ đóng góp ý kiến quý báu để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án Tác giả chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử, Viện Điện phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi thời gian sở vật chất trình nghiên cứu sinh thực luận án Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu quốc tế Khoa học & Kỹ thuật tính tốn (DASI) tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng chương trình phần mềm ANSYS/Maxwell 2D để thực tốn mơ FEM cho động BLDC Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Anh/Chị/Em đồng nghiệp, bạn bè động viên, giúp đỡ mặt, góp phần vào thành công luận án Cuối cùng, tác giả xin gửi tới bố mẹ, vợ lời cảm ơn sâu sắc nhất, người thân bên cạnh động viên, hỗ trợ tinh thần vật chất lúc khó khăn, mệt mỏi Để tác giả yên tâm trình nghiên cứu, góp phần khơng nhỏ vào thành cơng luận án Tác giả luận án Nguyễn Việt Anh ii MỤC LỤC MỤC LỤC .iii DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU vi DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC HÌNH xi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Động chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (BLDC) 1.1.2 Đặc điểm điều khiển động BLDC 1.1.3 Ứng dụng động BLDC truyền động trực tiếp 1.2 Các nghiên cứu nước quốc tế 12 1.2.1 Các nghiên cứu nước 12 1.2.2 Các nghiên cứu giới 12 1.3 Các tồn đề xuất nghiên cứu động BLDC rotor 15 1.4 Vật liệu dẫn từ động BLDC 16 1.4.1 Khái niệm mạch từ 16 1.4.2 Vật liệu từ tính 25 1.4.3 Nam châm vĩnh cửu 29 1.4.4 Mơ hình mạch từ nam châm vĩnh cửu 35 1.5 Kết luận 41 Chương 2: MÔ HÌNH MẠCH TỪ ĐỘNG CƠ BLDC 42 2.1 Giới thiệu 42 2.2 Mô hình dịch chuyển nam châm vĩnh cửu qua rãnh stator 43 2.2.1 Mơ hình tốn học 43 2.2.2 Phân bố từ trường vô hướng dọc theo miệng rãnh 54 2.2.3 Phân bố mật độ từ thơng khe hở khơng khí 55 2.2.4 Ảnh hưởng độ cong 57 2.3 Quá trình lượng động BLDC 61 2.3.1 Xây dựng mạch từ tương đương 61 2.3.2 Mạch từ tương đương chưa xét đến phản ứng phần ứng .63 2.3.3 Mạch từ tương đương có xét đến phản ứng phần ứng 68 2.4 Kiểm nghiệm từ thông điểm làm việc nam châm PTHH .70 iii 2.5 Kết luận 74 Chương 3: MÔ MEN ĐẬP MẠCH (COGGING TORQUE) TRONG ĐỘNG CƠ BLDC 75 3.1 Mô men đập mạch 75 3.2 Cơ sở hình thành mơ men đập mạch 76 3.3 Ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh 79 3.4 Ảnh hưởng độ phủ nam châm 82 3.4.1 Chuỗi Fourier lượng giác 82 3.4.2 Khai triển chuỗi Fourier để phân tích ảnh hưởng độ phủ nam châm 83 3.4.3 So sánh kết tính tốn giải tích mơ FEM 84 3.5 Kết luận 89 Chương THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 90 4.1 Xây dựng thuật toán thiết kế động 90 4.1.1 Các kích thước 90 4.1.2 Ứng dụng thiết kế cho quạt trần 92 4.1.3 Lưu đồ thuật toán thiết kế 93 4.2 Tính tốn thơng số động đề xuất luận án 105 4.3 Thiết lập mô 113 4.3.1 RMxprt .113 4.3.2 Maxwell 114 4.3.3 Kiểm nghiệm kết tối ưu đường kính ngồi rotor 115 4.3.4 Kết mô thiết kế 117 4.3.5 Đánh giá kết mô 120 4.4 Thực nghiệm .121 4.4.1 Đặc tính B-H thép kĩ thuật điện Posco 1300 chế tạo mạch từ stator 122 4.4.2 Chế tạo động thực nghiệm .126 4.5 Kết luận 129 TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 130 Tổng kết 130 Những mặt hạn chế 130 Khả phát triển từ luận án 130 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 iv PHỤ LỤC 137 A1 Thông số động phục vụ mô mục 2.4 .137 A2 Thông số động phục vụ mô mục 3.3 .137 A3 Số liệu mô mục 3.4.3 139 A4 Thông số động phục vụ mô mục 4.3.3 140 A5 Kết tính tốn thơng số động BLDC phương pháp giải tích theo thuật tốn thiết kế hình 4.12 dùng để mô mục 4.3.4 141 v DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU Ký hiệu viết tắt AC Back-EMF BLDC BCNN DC ƯCLN MMF PM PMSM PM-BLDC PWM PTHH Ký hiệu chữ A Am As Ag Aslot Aw a bs0 bs1 bs2 bz B Bf Bg vi Bm : M Br : M Br-s : M Bs : M Byr Bys D : M : M : Đ Dir Dis Dor Dos d : : : : : E, e F f G g : S : : : : C gC : C H Hc Hm hs hs0 hs1 hs2 hm Ia,b,c : : : : : : : : Đ Đ Đ Đ Đ C C C C C C C : D ia,b,c J k kC kdd khd : M : : : H : H vii kE L Lc Lm Ls Lr Laa Lham Lend Lslot Ltotal l m mFe N (Nz; NS, Nr) n nd P P Pc Pe Pco p pFe Q R Rs ℜ T Te Tm Ts Tph Tcogging t Ua,b,c viii 133 [31] Y Özoǧlu (2017), “New magnet shape for reducing torque ripple in an outer-rotor permanent-magnet machine,” Turkish J Electr Eng Comput Sci., vol 25, no 5, pp 4381–4397 [32] C Y Hsiao, S N Yeh, and J C Hwang (2011), “A novel cogging torque simulation method for permanent-magnet synchronous machines,” Energies, vol 4, no 12, pp 2166–2179 [33] I Trifu (2015), “Research on reducing cogging torque in permanent magnet synchronous generators,” UPB Sci Bull Ser C Electr Eng Comput Sci., vol 77, no 3, pp 225–234 [34] J W Jiang, B Bilgin, Y Yang, A Sathyan, H Dadkhah, and A Emadi (2016), “Rotor skew pattern design and optimisation for cogging torque reduction,” IET Electr Syst Transp., vol 6, no 2, pp 126–135 [35] S Jagasics and I Vajda (2016), “Cogging torque reduction by magnet pole pairing technique,” Acta Polytech Hungarica, vol 13, no 4, pp 107– 120 [36] V Zamani Faradonbeh, S Taghipour Boroujeni, and N Takorabet (2020), “Optimum arrangement of PMs in surface-mounted PM machines: cogging torque and flux density harmonics,” Electr Eng., vol 102, no 3, pp 1117– 1127 [37] L J Wu, Z Q Zhu, D A Staton, M Popescu, and D Hawkins (2012), “Comparison of analytical models of cogging torque in surface-mounted PM machines,” IEEE Trans Ind Electron., vol 59, no 6, pp 2414–2425 [38] S Taghipour Boroujeni and V Zamani (2016), “Influence of magnet shaping on cogging torque of surface-mounted PM machines,” Int J Numer Model Electron Networks, Devices Fields, vol 29, no 5, pp 859–872 [39] S T Boroujeni, N Takorabet, S Mezani, T Lubin, and P Haghgooie (2020), “Using and enhancing the cogging torque of PM machines in valve positioning applications,” IET Electr Power Appl., vol 14, no 12, pp 2516– 2524 [40] J Gao, G Wang, X Liu, W Zhang, S Huang, and H Li (2017), “Cogging Torque Reduction by Elementary-Cogging-Unit Shift for Permanent Magnet Machines,” IEEE Trans Magn., vol 53, no 11 [41] W Ren, Q Xu, Q Li, and L Zhou (2016), “Reduction of Cogging Torque and Torque Ripple in Interior PM Machines with Asymmetrical VType Rotor Design,” IEEE Trans Magn., vol 52, no [42] J Ou, Y Liu, R Qu, and M Doppelbauer (2018), “Experimental and Theoretical Research on Cogging Torque of PM Synchronous Motors Considering Manufacturing Tolerances,” IEEE Trans Ind Electron., vol 65, no 5, pp 3772–3783 [43] J Si, S Zhao, L Zhang, R Cao, and W Cao (2019), “The characteristics analysis and cogging torque optimization of a surface-interior permanent magnet synchronous motor,” Chinese J Electr Eng., vol 4, no 4, pp 41–47 134 [44] D Wang, H Lin, H Yang, Y Zhang, and K Wang (2016), “Cogging torque optimization of flux memory pole-changing permanent magnet machine,” IEEE Trans Appl Supercond., vol 26, no [45] X Zhu and W Hua (2017), “An Improved Configuration for Cogging Torque Reduction in Flux-Reversal Permanent Magnet Machines,” IEEE Trans Magn., vol 53, no [46] K J Han, H S Cho, D H Cho, H R Cho, H S Lee, and H K Jung (1999), “Core shape optimization for cogging torque reduction of BLDC motor,” IEEE Int Electr Mach Drives Conf IEMDC 1999 - Proc., pp 416– 418 [47] T Liu, S Huang, Q Deng, Q Pu, and K Huang (2011), “Effect of the number of slots per pole on performance of permanent magnet generator direct-driven by wind turbine,” Int Conf Electr Mach Syst ICEMS, pp 1– [48] L Zhu, S Z Jiang, Z Q Zhu, and C C Chan (2009), “Analytical methods for minimizing cogging torque in permanent-magnet machines,” IEEE Trans Magn., vol 45, no 4, pp 2023–2031 [49] M Fazil and K R Rajagopal (2010), “Development of external rotor single-phase PM BLDC motor based drive for ceiling fan,” Jt Int Conf Power Electron Drives Energy Syst., pp 1–4 [50] J Lee, H W Lee, Y Do Chun, M Sunwoo, and J P Hong (2000), “The Performance Prediction of Controlled-PM LSM in Various Design Schemes by FEM,” IEEE Trans Magn., vol 36, no PART 1, pp 1898–1901 [51] D C Hanselman (1994), “Brushless permanent-magnet motor design.” [52] N Bianchi and S Bolognani (2002), “Design techniques for reducing the cogging torque in surface-mounted PM motors,” IEEE Trans Ind Appl., vol 38, no 5, pp 1259–1265 [53] S M Hwang, J B Eom, G B Hwang, W B Jeong, and Y H Jung (2000), “Cogging torque and acoustic noise reduction in permanent magnet motors by teeth pairing,” IEEE Trans Magn., vol 36, no I, pp 3144–3146 [54] D Hanselman (2006), “Brushless Permanent Magnet Motor Design Second Edition,” in Magna Physics Publishing, vol 2, Magna Physics Publishing, p 392 [55] J F G and M Wing (2010), “Chapter 2, Permanent Magnet Motor Techlonogy Design and Application 3nd Edition,” Marcel Dekker [56] Lưu Mỹ Thuận, Phạm Văn Chới, Bùi Hữu Tín, Phạm Tố Uyên (1986), “Giáo trình Thiết kế khí cụ điện hạ áp,” Đại học Bách khoa Hà Nội [57] D Duane and H (2006), “Chapter 2, Brushless Permanent Magnet Motor Design 2nd Edition.” Magna Physics Publishing [58] V X HÙNG (2018), “Modeling of Exterior Rotor Permanent Magnet Machines With Concentrated Windings,” vol 11, no 135 [59] N H Nghị (2012), “Cơ sở từ học vật liệu từ tiên tiến.” Nhà xuất khoa học Kỹ Thuật [60] T Kenjō and S Nagamori (1985), “Permanent-magnet and brushless DC motors.” [61] J F Gieras (2013), “Permanent Magnet Motor Technology,” J Chem Inf Model., vol 53, pp 1689–1699 [62] T Miller (2014), “Chapter 2, SPEED’s Electric Machines with problems and solutions.” [63] J.R and H J and T M (1994), “Chapter 4& 6& 8& 9, Design of Brushless Permanet Magnet Motor.” [64] F W Carter (1901), “Air-gap induction,” vol 38 [65] Z Q Zhu and D Howe (1993), “Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent magnet dc motors, Part III: Effect of stator slotting,” IEEE Trans Magn., vol 29, no 1, pp 143–151 [66] and T S L Z J Liu, C Bi, Q D Zhang, M A Jabbar (1996), “Electromagnetic design for hard disk drive spindle motors with fluid film lubricated bearings,” IEEE Trans Magn., vol 32, no PART 1, pp 3893– 3895 [67] U Kim and D K Lieu (1998), “Magnetic field calculation in permanent magnet motors with rotor eccentricity: Without slotting effect,” IEEE Trans Magn., vol 34, no PART 2, pp 2243–2252 [68] Li Jiang Tao (2006), “Analysis and determination of cogging torque and unbalanced magnetic forces in permanent magnet spindle motors for hard disk drives,” National University of Singapore [69] M Niazazari, M Mirsalim, and S Mohammadi (2014), “Analytical framework for analysis and demagnetization study of a slotted solid-rotor line-start permanent-magnet synchronous motor,” 5th Annu Int Power Electron Drive Syst Technol Conf., pp 494–499 [70] T Miller (2014), “Chapter 1, SPEED’s Electric Machines with problems and solutions.” [71] K H Nam (2017), “AC Motor Control and Electric Vehicle Applications.” [72] I Boldea and S A Nasar (2018), “The Induction Machines Design Handbook,” Induction Mach Des Handb 136 PHỤ LỤC A1 Thông số động phục vụ mô mục 2.4 Thông số Số pha Số cực Số rãnh Số dẫn rãnh Đường kính dây dẫn Kiểu đấu dây Điện áp DC Đường kính ngồi stator Đường kính stator Đường kính ngồi rotor Đường kính rotor Chiều dài tác dụng mạch từ Chiều dài tác dụng nam châm Chiều dày nam châm Mật độ từ dư Độ từ thẩm tương đối Hệ số điền đầy rãnh A2 Thông số động phục vụ mô mục 3.3 Mô tả Thông số Công suất Điện áp dây định mức Số rãnh stator 137 Số vòng dây quấn stator Lỗ trục thân stator Đường kính stator Số thép stator Chiều dày thép hs0 hs1 hs2 bs0 bs1 bs2 Rs Kiểu dây quấn stator Số cực Số đơi cực Đường kính Đường kính vành ngồi Chiều cao Chiều dày gông từ 138 Chiều dày nam châm Chiều cao nam châm Độ phủ nam châm Loại nam châm Kiểu tải Ferrite Y30BH Quạt gió A3 Số liệu mô mục 3.4.3 Thông số Công suất Điện áp dây định mức Số rãnh stator Số vòng dây rãnh Lỗ trục thân stator Đường kính stator Số thép stator Chiều dày thép hs0 hs1 hs2 bs0 bs1 bs2 Rs 139 Kiểu dây quấn stator Tập trung, nối 540 vòng/răng 2160 vòng/pha Số cực Số đơi cực Đường kính Đường kính vành ngồi Chiều cao Chiều dày gơng từ Chiều dày nam châm Chiều cao nam châm Độ phủ nam châm Loại nam châm Quạt gió Kiểu tải A4 Thơng số động phục vụ mô mục 4.3.3 Thông số Số pha Số cực Số rãnh Số dẫn rãnh Đường kính dây dẫn 140 Kiểu đấu dây Đường kính ngồi stator Đường kính stator Đường kính ngồi rotor Đường kính rotor Chiều dài tác dụng stator Chiều dài tác dụng nam châm Chiều dày nam châm Mật độ từ dư Độ từ thẩm tương đối A5 Kết tính tốn thơng số động BLDC phương pháp giải tích theo thuật tốn thiết kế hình 4.12 dùng để mơ mục 4.3.4 Nam châm Thông số Mật độ từ dư Độ từ thẩm tương đối Chiều dày nam châm Hệ số cung cực Số cực rotor Số rãnh stator Công suất Mơ men Đường kính rotor Chiều dài động Đường kính ngồi rotor 141 Chiều dày gơng rotor Khe hở khơng khí Đường kính ngồi stator Chiều dài stator Đường kính stator Khai triển chuỗi Fourier Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Mật độ từ thơng khe hở khơng khí trung bình phân tích Fourier Hệ số điện áp Chọn mật độ từ thông stator Độ rộng stator Số vòng dây pha Số vịng dây rãnh Đường kính rãnh Dịng điện pha định mức Mật độ Tiết diện dây quấn Tiết diện rãnh Độ mở miệng rãnh Chiều cao miệng rãnh Chiều cao cổ rãnh 142 Đường kính rãnh Điện trở Điện cảm Điện cảm tản Kiểm tra kE Tổn hao dây quấn Suất tổn hao sắt Khối lượng stator Tổn hao sắt stator Hiệu suất 143 ... TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG MƠ MEN ĐỘNG CƠ BLDC ROTOR NGỒI TRONG TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN... thơng số tốt thiết kế Như đề tài ? ?Nghiên cứu cải thiện chất lượng mơ men động BLDC rotor ngồi truyền động trực tiếp? ?? cần thiết bối cảnh ✓ Mục đích luận án Nghiên cứu ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh... sát bánh ✓ Giảm trọng lượng - Truyền động trực tiếp nhẹ truyền động thơng qua hộp số Một số ví dụ truyền động trực tiếp sử dụng động BLDC rotor lợi khác biệt so với truyền động qua hộp số 1.1.3.4