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

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 Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Hùng Phi TS Phùng Anh Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU ✓ Lý chọn đề tài Mô men đập mạch tượng cố hữu động BLDC Mô men đập mạch ảnh hưởng đến việc tăng giảm tốc độ động thời điểm Nó nguồn tạo xung mô men không mong muốn gây tiếng ồn, rung động âm thanh, biến dạng sóng điều hịa mài mòn vòng bi tốc độ thấp [3] Để cải thiện hạn chế nêu động cơ, thực cách nghiên cứu, phân tích, tính tốn lựa chọn thơng số tốt thiết kế Do đề tài “Nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men động BLDC rotor truyền động trực tiếp” cần thiết bối cảnh ✓ Mục đích luận án Nghiên cứu ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh (bs0), tỷ số cung cực bước cực (α - độ phủ nam châm) đến mô men đập mạch động BLDC rotor ngoài, nam châm Ferrite có mật độ từ dư nhỏ (Br=0,39T) Sự tác động phản ứng phần ứng đến nam châm trình xác lập độ ✓ Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Xây dựng lưu đồ thiết kế với vòng hiệu chỉnh phương trình tốn kết mơ phản ánh tương đối xác chế độ làm việc xác lập động Sử dụng chuỗi Fourier công cụ để phân tích mật độ từ thơng khe hở khơng khí với giá trị độ phủ nam châm lựa chọn tối thiểu sóng hài bậc cao, từ giảm mơ men đập mạch Chế tạo hai mẫu động theo quan điểm thiết kế luận án thử nghiệm thành công dải tần số từ 7,2 Hz đến 25 Hz Các kỹ sư sử dụng lưu đồ thiết kế BLDC rotor ngồi luận án đề xuất để tính tốn, thiết kế điều chỉnh cấu trúc động phù hợp thực tế ✓ Đối tượng nghiên cứu Động BLDC rotor ngồi, cơng suất 38 W, tải (cánh quạt) nối trực tiếp, lưu lượng gió 230 m3/1 phút, cấp tốc độ ứng với dải tần số từ 7,2 Hz đến 25 Hz ✓ Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu giảm mô men đập mạch động BLDC rotor xét đến yếu tố chiều rộng miệng rãnh, tỷ lệ cung cực bước cực thực nghiệm chế tạo động công suất 38 W ✓ Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, tham khảo tài liệu nước quốc tế Đặt tốn, xây dựng mơ hình hóa động - Sử dụng phương pháp mạch từ tương đương giải tích để nghiên cứu tính tốn xác định mật độ từ thông điểm làm việc nam châm Áp dụng phương pháp PTHH Ansys Maxwell để mơ đặc tính điện từ chế độ tĩnh động - Thực nghiệm chế tạo kiểm chứng Đánh giá, ưu nhược điểm mơ hình đề xuất ✓ Các kết (mới) dự kiến đạt - Xác định hệ số Kn-α thông qua phân tích chuỗi Fourier theo biến khơng gian đề xuất giá trị hai thông số bs0 α thiết kế giảm mô men đập mạch động BLDC - Biểu thức tính tốn từ trường nam châm động BLDC rotor ngồi có xét đến phần ứng phần ứng - Đề xuất thuật toán thiết kế tối ưu vật liệu chế tạo stator, gông rotor phù hợp với đặc tính làm việc nam châm vĩnh cửu mật độ từ dư thấp để giảm khối lượng động giá trị công suất, mô men không thay đổi Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Động điện phân loại thành động điện chiều, động điện xoay chiều dạng động điện khác (hình 1.1) Hình 1.1 Phân loại động dựa nguồn cung cấp dòng điện AC / DC Sự tiến công nghệ động điện thúc đẩy yếu tố như: lĩnh vực ứng dụng mới, thiết bị điện tử công suất, vật liệu dẫn từ nhu cầu tiết kiệm lượng với thách thức công nghệ Do động nam châm vĩnh cửu ứng dụng nhiều hệ thống điều khiển chuyển động nhạy cảm với tiếng ồn Động BLDC có cấu trúc phù hợp cho ứng dụng khác Ba cấu trúc động BLDC rotor trong, rotor thiết kế dạng đĩa có khe hở dọc trục, với nhiều kiểu quấn dây hình dạng cực từ khác [8] Các nam châm dạng dải, vịng cung đĩa chúng từ hóa trước khơng Hình 1.2 Cấu tạo động Hình 1.3 Cấu tạo động BLDC rotor bên BLDC rotor bên Nếu ứng dụng yêu cầu tốc độ không đổi từ trung bình đến cao, sử dụng cấu tạo rotor bên ngồi hình 1.3 Ứng dụng quan trọng động rotor bên truyền động trực tiếp quạt, máy thổi, động trục ổ đĩa cứng HDD Đối với ứng dụng yêu cầu tốc độ không đổi, qn tính cao rotor bên ngồi lợi để đạt điều 1.2 Các nghiên cứu nước quốc tế TS Bùi Đức Hùng cộng (2013)[19] đề tài cấp thành phố Hà Nội:“Nghiên cứu thiết kế chế tạo động nam châm vĩnh cửu (PMSM) có cơng suất kW” TS Nguyễn Vũ Thanh (2015) [20] luận án TS: “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động đồng pha nam châm vĩnh cửu (LSPMSM)” TS Lê Anh Tuấn (2018) [21] luận án TS: “Nghiên cứu đặc tính động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng bão hịa mạch từ hiệu ứng mặt ngoai” Nghiên cứu thực [12] cho thấy cánh quạt có thiết kế tốt dẫn đến giảm tiêu thụ lượng Độ lớn mô men đập mạch thay đổi theo tốc độ động cơ, động có tốc độ thấp độ lớn mơ men đập mạch thể rõ ràng so với động tốc độ cao Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng lõi stator hiệu suất động thực [46] lõi tròn lõi tối ưu tốt ,tăng hiệu suất lên tới 90% so với thiết kế cốt lõi Hình 1.4 Hình dạng lõi động BLDC [46] Hình 1.4 cho thấy bốn thiết kế hình dạng lõi khác stator: a Lõi bản; b Lõi có rãnh; c Lõi trịn; d Lõi tối ưu Sự lựa chọn tỷ lệ số cực số rãnh ảnh hưởng đến độ lớn mô men đập mạch máy [47], [48] Nghiên cứu thực [49] cho thấy ảnh hưởng số lượng cực đến hiệu quả, hình 1.5, M.Fazil K.R.Rajagopal kết luận sử dụng cực lựa chọn tốt xét đến hiệu chi phí sản xuất Hình 1.5 Sự thay đổi hiệu suất theo số cực [49] Hình 1.6 Sự biến đổi mơ men điện từ với kết hợp số rãnh cực [48] Một nghiên cứu khác thực Li Zhu cộng mối quan hệ số cực, số rãnh đỉnh mô men đập mạch [48] Theo hình 1.6, giá trị mơ men đập mạch tăng lên tỷ lệ số cực nam châm vĩnh cửu số rãnh tăng lên Góc nghiêng tỷ lệ thuận với độ lớn lực kéo mô men đập mạch gây Fazil M cộng tiến hành thí nghiệm vị trí góc lệch 300, 450, 600 nhận thấy góc nghiêng tăng lên, giá trị mơ men đập mạch giảm xuống [50] Hạn chế kỹ thuật làm cho chi phí sản xuất tăng lên khó khăn việc từ hóa hàng loạt nam châm vĩnh cửu, làm tăng điện cảm rò rỉ, tăng tổn thất phân tán làm giảm công suất điện từ máy [51], [52] 1.3 Các tồn đề xuất nghiên cứu động BLDC rotor Tổng hợp nghiên cứu nước, tác giả nhận thấy có nhiều phương pháp nghiên cứu để giảm mô men đập mạch Thông thường, phương pháp hiệu để giảm mômen đập mạch PMSM nói chung BLDC nói riêng bao gồm nghiêng rãnh, nghiêng nam châm, định hình nam châm, chiều dày nam châm không nhau, cấu trúc lệch tâm, thay đổi hệ số cung cực, giới thiệu rãnh phụ, v.v Tuy nhiên, hầu hết phương pháp chưa đề cập đến động BLDC rotor đề xuất luận án Do cấu trúc đặc biệt BLDC từ hóa tiếp tuyến, nên hầu hết phương pháp nêu khó đạt cấu trúc học BLDC rotor đề xuất luận án Một phương pháp dựa việc áp dụng kết hợp chiều rộng miệng rãnh tỷ lệ cung cực bước cực để giảm mô men đập mạch đề xuất lần luận án Để cho thấy cải tiến phương pháp, BLDC rotor ngồi nam châm gắn gơng rotor chọn làm đối tượng nghiên cứu Chiều rộng miệng rãnh, độ phủ nam châm hai thông số đại diện cho stator rotor động Khi lựa chọn thơng số phù hợp góp phần quan trọng thiết kế cải thiện chất lượng mô men động BLDC rotor 1.4 Vật liệu dẫn từ động BLDC 1.4.1 Khái niệm mạch từ Tất động có đường sức từ stator rotor qua khe hở khơng khí Vì việc mơ hình hóa để tính tốn thơng số từ trường khe hở khơng khí việc khơng thể bỏ qua q trình thiết kế Từ dẫn khe hở khơng khí xác định biết kích thước mạch từ độ lớn khe hở khơng khí μ0 = 4π 10−7 (H/m) (1.1) Với thiết kế BLDC thông thường, rãnh động có nhiệm vụ chứa bối dây để sinh từ trường Dây quấn có tính chất phi từ tính, từ thông không qua rãnh mà qua khe hở khơng khí thẳng với miệng rãnh hình 1.7 (a) (b) Hình 1.7 Đường sức từ rãnh (a) phân chia hình học (b)[57] Trong hình 1.7a gồm thành phần từ dẫn với rãnh với răng, khả dẫn từ khe hở khơng khí lên đường sức từ móc vòng sang kéo dài, dẫn đến không giá trị từ dẫn phần với với rãnh toàn khe hở khơng khí Để đánh giá khả kéo dài đường sức từ rãnh, hệ số Carter 𝑘𝑐 > đưa để tính tốn đến khả kéo dài đường sức từ qua khe hở khơng khí 𝑔𝑐 = 𝑘𝑐 𝑔 Carter đưa giải pháp cho vấn đề ảnh hưởng rãnh stator cho việc phân tích thiết kế máy điện nói chung Hình 1.8 Ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh stator áp dụng theo hệ số Carter [58] Liên hệ từ trường theo phương trình: Bm g C τs kC = = = Bg g τs − 𝛾𝑔 Hình 1.9 Giá trị hệ số carter với tỉ số chiều rộng miệng rãnh bước rãnh [55] (1.2) Các biểu thức để xác định 𝛾 cơng thức tính hệ số Carter [58] là: γ= 2b𝑠0 𝑏𝑠0 ) [arctan( πg 2(𝑙𝑚 +g) − (1.3) 𝑙𝑚 +g 𝑏𝑠0 ln√1+( )2 ] 𝑏𝑠0 2(𝑙𝑚 +g) Việc giải tích hóa độ dài đường sức từ đưa nhiều nghiên cứu khác ảnh hưởng trực tiếp tới mơ hình tác giả Hệ số Carter đưa Nasar (1987), theo biểu thức 𝑘𝑐1 = [1 − 𝜏 ]−1 𝑔 (1.4) 𝑠 (5 + 1) 𝑏𝑠0 𝑏𝑠0 Hệ số Carter đưa Ward Lawrenson (1977), theo biểu thức 𝜏𝑠 𝑏𝑠0 𝑔 𝑘𝑐2 = [1 − {𝑡𝑎𝑛−1( ) − 𝑙𝑛[ 𝑏𝑠0 𝑔 𝑏𝑠0 (1.5) 𝑏𝑠0 −1 + ( ) ]}] 𝑔 Mơ hình thành phần khe hở khơng khí phân chia từ trường rãnh hình 1.7b, giả thiết phần móc vịng từ rãnh vào dạng cung trịn Khi tổng từ dẫn đối tượng với 𝑙 độ dài mạch từ: 𝑃𝑔 = 𝑃𝑎 + 𝑃𝑏 + 𝑃𝑐 𝜏𝑠 − 𝑏𝑠0 𝜋 𝑏𝑠0 (1.6) = 𝜇0 𝑙 [ + 𝑙𝑛( + )] 𝑔 𝜋 4𝑔 So sánh với tính tốn từ trở khe hở khơng khí, giả thiết đều, có hệ số thay đổi giá trị từ dẫn theo biểu thức: 𝑏𝑠0 4𝑔 𝑝𝑏𝑠0 −1 (1.7) 𝑘𝑐3 = [1 − + 𝑙𝑛( + )] 𝑔 𝑝 4𝑔 Đồ thị quan hệ hệ số Carter với đại lượng hình học ảnh hưởng đến giá trị từ dẫn biểu diễn hình 1.9 ứng với biểu thức (1.4), (1.5), (1.7) Thành phần từ thông trực tiếp stator rotor qua khe hở khơng khí chiếm phần ưu Vì thời gian quãnq đường đường sức từ ngắn hơn, khả tập trung mật độ từ trường cao hẳn so với lượng từ thơng móc vịng qua miệng rãnh 𝑏 Tỷ số 𝑘 = 𝜏𝑠0 đánh giá chênh lệch mật độ từ thơng khe hở khơng 𝑠 khí trực tiếp rotor stator với phần bị kéo dài qua miệng rãnh Việc lựa chọn thơng số hình học vật liệu ảnh hưởng trực tiếp tới thông số mạch từ 1.4.2 Nam châm vĩnh cửu Nam châm vĩnh cửu tạo từ thơng khe hở khơng khí mà khơng bị tiêu tán cơng suất điện Đặc tính hoạt động nam châm vĩnh cửu đưa đường cong khử từ góc phần tư thứ hai mặt phẳng 𝐵 − 𝐻 hình 1.10 Khi nam châm vĩnh cửu từ hóa, bị nhiễm từ cường độ từ trường đặt vào giảm xuống không Mật độ từ trường điểm gọi mật độ từ dư 𝐵𝑟 Nếu đặt cường độ từ trường ngược mật độ từ thơng giảm Nếu từ trường ngược đủ lớn, mật độ từ thông không Cường độ từ trường giá trị gọi lực kháng từ 𝐻𝑐 Điểm hoạt động nam châm vĩnh cửu giao điểm đường cong 𝐵 − 𝐻 mạch từ (đường tải) với đường cong khử từ nam châm vĩnh cửu Hình 1.10 Đặc tính khử từ nam châm [61] Hình 1.11 Họ đường đẳng (BH)= constant góc phần từ thứ II [61] Về có ba loại nam châm vĩnh cửu khác sử dụng động chiều khơng chổi than Hình 2.2 Sự phân bố từ hóa dọc theo hướng x Trong hình, 𝐵𝑟 đại diện cho phần từ dư nam châm, 𝜏𝑚 chiều dài cung cực nam châm 𝜏𝑝 chiều dài bước cực Tỉ số cung cực bước cực nam châm (Độ phủ nam châm) định nghĩa là: 𝜏𝑚 𝛼= (2.9) 𝜏𝑝 2.3 Phân tích q trình lượng động BLDC Do tính đối xứng máy điện nên cấu trúc hình học động BLDC lặp lại theo số lần định Điều phụ thuộc vào số cực rotor 𝑁𝑟 số rãnh stator 𝑁𝑠 Khi triển khai mạch từ tương đương động cơ, ta cần phân tích phần, phần cịn lại có tính chất tương tự Số phần chia xác định theo công thức: nd = UCLN(Ns , Nr ) (2.10) Hình 2.3 Sơ đồ trải ¼ động BLDC - 12 rãnh, 16 cực Trên đường cong khử từ nam châm, ta xét nam châm làm việc phạm vi tuyến tính Khi đó, phương trình đường thẳng 𝐵 = 𝑓(𝐻): dB (2.11) Bm = Br − H = Br − μμ0 Hm dH m Với nam châm cho sẵn chiều dày ℎ𝑚 , tiết diện 𝐴𝑚 Khi phương trình (2.11) trở thành: 11 Bm Am hm = Br Am hm − μμ0 Hm Am hm (2.12) Phương trình liên hệ từ thông sức từ động ϕ = g (F): μμ0 Am Fm (2.13) ϕm = ϕr − Fm = ϕr − hm ℜm Với tương đồng mạch điện mạch từ việc giải mạch, ta coi nam châm vĩnh cửu nguồn dịng từ thơng ϕm mắc song song với từ trở ℜm (bảng 2.1) Bảng 2.1 Bảng thông số tương đương mạch điện mạch từ Mạch điện Mạch từ Sức điện động E Sức từ động F Dịng điện I Dịng từ thơng Ф Điện trở R Từ trở 𝕽 Quy đổi tương đương từ (hình 2.3) sang mạch từ để tính tốn, ta thu sơ đồ mạch sau: Hình 2.4 Mạch từ tương đương động BLDC - 12/16 Từ sơ đồ mạch từ tương đương ta xác định được: ϕr 4ℜm ϕ 4ℜ 4Fs + r m± 4ℜps + ℜys 2ℜf 4ℜps + ℜys ϕm = (2.14) 4ℜm + 4ℜg + ℜr 4ℜm + 4ℜg + ℜr + 2ℜf + 4ℜps + ℜys 2ℜf Dấu (+) ứng với trường hợp trợ từ dấu (-) ứng với trường hợp khử từ Với phản ứng phần ứng trợ từ, 𝜙𝑓 nhỏ nhiều 𝜙𝑠 (ℜ𝑓 lớn) nên biểu thức (2.14) trở thành: 12 ϕr 4ℜm + 4Fs (2.15) 4ℜm + 4ℜg + ℜr Khi không xét đến phản ứng phần ứng, phương trình (2.15) trở thành: ϕr 4ℜm ϕm = (2.16) 4ℜm + 4ℜg + ℜr Với phản ứng phần ứng khử từ, giá trị từ thông ϕf tăng dần lên mức độ tăng tỷ lệ thuận với mức độ khử từ Khi biểu thức (2.14) trở thành: ϕr 4ℜm ϕ 4ℜ 4Fs + r m− 4ℜps + ℜys 2ℜf 4ℜps + ℜys ϕm = (2.17) 4ℜm + 4ℜg + ℜr 4ℜm + 4ℜg + ℜr + 2ℜf + 4ℜps + ℜys 2ℜf Việc xét đến phản ứng phần ứng giúp ta đề phòng khả trình vận hành máy, khởi động tải, ngắn mạch nam châm bị khử tử hồn toàn dẫn đến việc hư hỏng hoàn toàn động Bởi mà q trình tính chọn từ trường điểm làm việc nam châm quan trọng ϕm = Hình 2.5 Mật độ dịng từ thơng tương ứng phản ứng phần ứng khử từ động BLDC 12 rãnh,16 cực Kết hình 2.5 với mức độ khử từ lần lượt: Is = 0A; 0,5A; 1A mật độ từ thơng vị trí ℜ𝑓 tăng tương ứng với giá trị dịng điện Trong mật độ từ thông điểm làm việc nam châm giảm Điều lần khẳng định ảnh hưởng dòng điện đến phản ứng phần ứng khử từ đáng kể Phương trình cân điện áp động BLDC có dạng: ⃗ =E ⃗⃗⃗⃗0 + j ⃗⃗Is 2π f L + ⃗⃗Is R s U (2.18) Xét thời điểm khởi động, tốc độ quay không 13 π d2 U U U U π d2 (2.19) Is = = = = R s ρ l ρ ltb Ts ρ ltb Ts S Sức từ động xác định biểu thức: Ts (2.20) Fs = Is Như xét phản ứng phần ứng trình độ, ta xây dựng hàm liên hệ từ thông điểm làm việc nam châm với số dẫn cực stator, vật liệu thép kỹ thuật điện: ɸ𝑚 (T𝑠 , ℜ) 2.4 Kiểm nghiệm từ thông điểm làm việc nam châm PTHH Khi số lượng dẫn cực từ thay đổi đường kính dây phải thay đổi tương ứng Cụ thể theo phương trình: 𝑑2 𝑇𝑠 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2.21) Ta thấy tăng số dẫn 𝑇𝑠 lên k lần dịng điện 𝐼𝑠 giảm xuống 𝑘 tương ứng ngược lại Từ phân tích trên, lựa chọn khoảng thiết kế số lượng dẫn bảng 2.2 Bảng 2.2 Bảng khảo sát số lượng dẫn Ký Khoảng giá Bước khảo Đơn Thông số hiệu trị sát vị Số dẫn TS 1600 - 2000 50 Đường kính dây d 0,31 - 0,16 0,0075 mm Sử dụng phần mềm PTHH để mô thông số động BLDC, quan sát ảnh hưởng thay đổi 𝑇𝑠 đến thơng số 𝐵𝑚 Hình 2.6 Đặc tính dịng điện mô men khởi động theo thông số khảo sát bảng 2.2 Kết hình 2.6 cho ta thấy dịng điện khởi động mơ men khởi động giảm dần theo chiều tăng số dẫn Với ưu tiên hạn chế nguy bị khử từ hoàn toàn nam châm ta chọn số 14 dẫn/ rãnh 𝑇𝑠 =1600 Kết mô hình (2.7-2.8) kiểm chứng thơng số Hình 2.7 Phân bố mật độ Hình 2.8 Mật độ từ thông điểm từ thông điểm làm việc làm việc nam châm chế độ độ nam châm chế độ xác lập Kết mô khử từ, trợ từ hai chế độ độ xác lập cho thấy độ suy giảm gia tăng từ thông không đáng ngại đến mức nam châm bị khử từ hoàn toàn Do vậy, cấu trúc động thiết kế chấp nhận 2.5 Kết luận Mơ hình sử dụng để nghiên cứu chế tạo mô men đập mạch động BLDC Cách tiếp cận mơ hình mạch từ tương đương thực dễ dàng đạt độ xác tốt Kết tính tốn giải tích mạch từ tương đương so sánh với mơ FEM đạt kết sai số phạm vi cho phép Tác giả xây dựng mạch từ tương đương đại diện ¼ động BLDC rotor bên ngồi 12 rãnh - 16 cực Thành lập sơ đồ tương đương chưa xét đến phản ứng phần ứng để xác định từ trường điểm làm việc nam châm xây dựng cơng thức tính từ trường gơng rotor Xét ảnh hưởng từ trường gông rotor đến tổn hao máy, điểm làm việc nam châm Mô phân tích kết từ trường điểm làm việc nam châm với độ phủ nam châm khác Đề xuất biểu thức từ thông điểm làm việc, từ trường nam châm từ trường khe hở khơng khí trường hợp khơng xét đến phản ứng phần ứng Các kết mô đưa giá trị phù hợp với cơng thức giải tích dẫn dắt Ảnh hưởng tỷ lệ thuận với số vòng dây quấn đáng kể trình khởi động máy (dịng điện khởi động cao) Chương 3: MƠ MEN ĐẬP MẠCH 3.1 Mơ men đập mạch Hoạt động động điện dựa vào tương tác nam châm vĩnh cửu rotor cuộn dây cung cấp lượng phía stator Nhưng động không cấp điện 15 khơng có dịng điện chạy cuộn dây, có lực hút từ nam châm vĩnh cửu rotor sắt từ stator Lực hút từ trường thay đổi tùy thuộc vào mật độ từ thông, cường độ từ trường biến đổi tạo mô men xoắn không đồng đều, gọi “mô men đập mạch-cogging torque” “gợn mơ men -torque ripple” 3.2 Cơ sở hình thành mơ men đập mạch động Động BLDC mơ hình hóa thành phần tương tác lẫn là: nam châm cuộn dây Năng lượng sinh yếu tố: lượng tự cảm cuộn dây, lượng nam châm, lượng hỗ cảm cuộn dây nam châm Và mô men điện từ sinh nhờ biến thiến lượng theo góc vị trí rotor 1 (3.1) Wc = Li2 + ∑ ℜ ϕg + Mi2 2 ∂Wc ∂L ∂ ∂M (3.2) T= = i + ∑ ℜ ϕg + i2 ∂θ ∂θ ∂θ ∂θ Mơ men đập mạch phát sinh tính tốn cách đưa dịng điện i=0 biểu thức (3.2) ∂Wc ∂ (3.3) Tcogging = = ∑ℜ ϕg ∂θ i=0 ∂θi=0 Chu kì mơ men đập mạch phụ thuộc vào cấu trúc hình học máy Cụ thể số cực rotor (số nam châm gắn rotor) số rãnh stator 360° βcogging−period = (3.4) BCNN(Ns , Nr ) Để nghiên cứu ảnh hưởng mô men đập mạch đến biến dạng mô men điện từ ta cần xem xét mối quan hệ mô men đập mạch với thông số thiết kế Như từ biểu thức tính mơ men đập mạch (3.3) để khảo sát mô men đập mạch máy, ta khảo sát từ thông khe hở khơng khí Hình 3.1 Từ trường tản rãnh giản đồ đường từ thông 16 3.3 Ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh Bằng cách sử dụng phần mềm PTHH để mô động BLDC (Thông số động phần phụ lục A2) Bảng 3.1 Thông số khảo sát 𝑏𝑠0 𝛼 Ký Khoảng Bước Thông số Đơn vị hiệu giá trị khảo sát Chiều rộng miệng rãnh bs0 2-4 0,5 mm Độ phủ nam châm α 60-80 2,5 % Từ kết mô quan sát ảnh hưởng hai thơng số chiều rộng miệng rãnh, độ phủ nam châm đến giá trị mô men đập mạch thông số khác động nhằm đảm bảo yêu cầu giả thiết ban đầu Hình 3.2 Giá trị mơ men đập mạch theo chiều rộng miệng rãnh độ phủ nam châm Hình 3.3 Giá trị mơ men đập mạch lớn nhỏ động BLDC 12 rãnh, 16 cực Hình 3.4 Mật độ từ thơng Hình 3.5 Phân bố từ trường khe động BLDC vớii hở khơng khí theo góc điện 𝑏𝑠0 = 2𝑚𝑚 𝑣à 𝛼 = 0,7 Trong hình 3.3 ta thấy quan hệ phi tuyến chiều rộng miệng rãnh độ phủ nam châm Chênh lệch giá trị lớn nhỏ khoảng 10 lần Kết mô hình 3.4 cho thấy với dải 17 phân tích lựa chọn giá trị từ thơng khe hở khơng khí nằm khoảng từ 1-1,06 T 3.4 Ảnh hưởng độ phủ nam châm 3.4.1 Chuỗi Fourier lượng giác Một tín hiệu có chu kì T phần tích thành tin hiệu thành phần có chu kì ước số T ∞ 𝑓(𝑡) = 𝑎0 + ∑ 𝑎𝑛 𝑐𝑜𝑠 𝑛 𝜔0 𝑡 + 𝑏𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝑛 𝜔0 𝑡 (3.5) 𝑛=1 Từ trường khe hở khơng khí động chưa xét đến ảnh hưởng phản ứng phần ứng có dạng tuần hồn theo chu kì góc điện 2π (hình 3.5) Dạng tín hiệu hàm lẻ nên áp dụng chuỗi Fourier ta thu phương trình tương ứng 2π (3.6) T = 2π → ω0 = = 1; a0 = an = T 4Bg π πα bn = − sin( n ) sin( n ) πn 2 π πα (3.7) sin( n ) sin( n ) −4Bg 2 = π n Kết phân tích Fourier cuối từ trường khe hở khơng khí 𝜋 𝜋𝛼 ∞ 𝑠𝑖𝑛( 𝑛 ) 𝑠𝑖𝑛( 𝑛 ) −4𝐵𝑔 2 𝑠𝑖𝑛( 𝑛𝜃) 𝑓(𝜃) = ∑ 𝜋 𝑛 𝑛=1 (3.8) 𝑛 −4𝐵𝑔 = ∑ 𝐾𝑛−𝛼 𝑠𝑖𝑛( 𝑛𝜃) 𝜋 𝑛=1 Các giá trị hệ số 𝐾𝑛−𝛼 tính tốn cụ thể giải tích Sau tính tốn hệ số này, ta đánh giá bước đầu tỷ lệ biên độ bậc sóng điều hòa với Các giá trị hệ số Kn-α tính tốn cụ thể theo bảng 3.2 Bảng 3.2 Giá trị hệ số 𝐾𝑛−𝛼 Độ phủ nam châm  0.500 0.525 0.550 Bậc sóng điều hịa n=3 n=5 -0.24 -0.14 -0.21 -0.17 -0.17 -0.18 n=1 0.71 0.73 0.76 18 n=7 0.10 0.07 0.03 0.575 0.600 0.625 0.650 0.675 0.700 0.725 0.750 0.775 0.800 0.825 0.850 0.875 0.900 0.925 0.950 0.975 1.000 0.79 0.81 0.83 0.85 0.87 0.89 0.91 0.92 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 -0.14 -0.10 -0.07 -0.03 0.01 0.05 0.09 0.13 0.16 0.20 0.23 0.25 0.28 0.30 0.31 0.32 0.33 0.33 -0.20 -0.20 -0.20 -0.18 -0.17 -0.14 -0.11 -0.08 -0.04 0.00 0.04 0.08 0.11 0.14 0.17 0.18 0.20 0.20 -0.04 -0.04 -0.08 -0.11 -0.13 -0.14 -0.14 -0.13 -0.11 -0.08 -0.05 -0.01 0.03 0.06 0.10 0.12 0.14 0.14 3.4.2 So sánh kết tính tốn giải tích mơ FEM Thông qua bảng dựa vào kết mơ từ hình 3.6-3.8 ta lưu ý đến giá trị α ∈ {0.7; 0.8; 0.85} đó, sóng hài bậc 3;5;7 tương ứng gần bị triệt tiêu Hình 3.6 Mơ men đập mạch Hình 3.7 Mơ men đập mạch theo biến đổi Fourier với độ theo biến đổi Fourier với độ phủ nam châm α=0,5 phủ nam châm α=0,75 Kết mô đặc tính mơ men tốc độ góc, tốc độ, mơ men cơ, mơ men đập mạch dịng điện động BLDC với thơng số kích thước tính tốn, thiết kế giải tích (Phần phụ lục A3) khảo sát chiều dài cực từ nam châm bước cực dải α=0,5→1,0, độ chia 0,025, thể từ hình 3.9 đến hình 3.13 19 Hình 3.8 Mô men đập mạch theo biến đổi Fourier với độ phủ nam châm 𝛼 = Hình 3.9 Đặc tính mơ men tốc độ góc với giá trị α Hình 3.10 Đặc tính tốc độ Hình 3.11 Đặc tính mơ men động với độ phủ nam châm với độ phủ nam châm α=0,5-1 α=0,5-1 Thiết kế dải độ phủ nam châm đạt tốc độ ổn định 187,5 rpm 1,5 Nm Như vậy, chất lượng thiết kế đánh giá thơng qua thơng số mơ men đập mạch dịng điện Hình 3.12 Đặc tính mơ-men Hình 3.13 Đặc tính Dịng điện đập mạch với độ phủ nam (mA) với độ phủ nam châm châm α=0,5-1 α=0,5-1 Mơ men đập mạch có giá trị nhỏ khoảng α=0,65-0,70 Tại điểm này, giá trị sóng hài bậc xấp xỉ 0, phù hợp với bảng 3.2 Về bản, mô men sinh tương tác từ thông nam châm dịng điện dây quấn stator Vì tăng độ phủ nam châm 𝛼, nghĩa tăng từ thơng nam châm dịng điện có xu hướng giảm Từ phân tích trên, dải α=0,675-0,70 cân nhắc thiết kế động 20 Hình 3.14 Công suất điện theo độ phủ nam châm 3.6 Kết luận - Sự thay đổi hai thông số bs0 α ảnh hưởng lớn tới giá trị mô men đập mạch, làm thay đổi đến 10 lần - Ảnh hưởng α cao so bs0 - Giá trị bs0 α ảnh hưởng trực tiếp tới thông số: mô men, tốc độ, hiệu suất, công suất động Chương THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Xây dựng thuật tốn thiết 4.2 Tính tốn thơng số kế động đề xuất luận án Hình 4.1 Lưu đồ thiết kế động BLDC Hình 4.2 Thuật tốn thiết kế kết tính tốn BLDC sau hiệu chỉnh thơng số kE η Kết quy trình thiết kế sai khác bước kiểm tra thứ 10, sai số đủ nhỏ nên ta dừng lại quy trình thiết kế 21 4.3 Thiết lập mơ Hình 4.3 Động BLDC thiết Hình 4.4 Động BLDC thiết kế môi trường RMxprt kế môi trường Maxwell 2D Do động sử dụng với tải quạt gió (quạt trần) nên phương trình tải nhập vào mơi trường Maxwell 2D có dạng speed ( ) (4.1) 2π ∗ 25 Tload = −1,95 Thực mô thiết kế động BLDC với thơng số tính tốn phương pháp giải tích Số liệu thực phụ lục A5 Hình 4.5 Đặc tính mơ men-tốc Hình 4.6 Đặc tính dịng điện, độ động thiết kế với điện áp động thiết kế với tốc giá trị 187,5 rpm độ 187,5 rpm Hình 4.7 Đặc tính cơng suất cơ, cơng Hình 4.8 Mật độ từ thông suất điện, hiệu suất động với tốc độ động BLDC với tốc 187,5 rpm độ 187,5 rpm 22 - Kết mô cho thấy động làm việc ổn định với mô men xác định công thức 4.1 4.4 Thực nghiệm Dựa vào chương trình thiết kế trình bày mục 4.1 kết tính tốn thơng số mục 4.2 Động thực nghiệm có kích thước chế tạo sau: Hình 4.9 Chế tạo mạch từ stator dây quấn Hình 4.10 Chế tạo gơng từ rotor gắn nam châm hình thành rotor Hình 4.11 Lắp ráp hoàn thiện động BLDC rotor bên 4.5 Kết luận - Xây dựng quy trình thiết kế tính tốn cụ thể thơng số động BLDC đề xuất luận án ứng với giá trị hai thông số bs0 α xác định lựa chọn chương 2,3 - Các kết tính tốn mơ đạt u cầu giảm mô men đập mạch mà không làm ảnh hưởng tới đặc tính tốc độ, mơ men, cơng suất điện động 23 - Đề xuất phương án thiết kế phù hợp để sử dụng tốt đặc tính làm việc nam châm có mật độ từ dư thấp vật liệu chế tạo gông rotor, stator - Chế tạo thử nghiệm động với ưu tiên giảm khối lượng nam châm mà điểm làm việc phạm vi chấp nhận hoạt động hiệu TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Tổng kết - Lựa chọn chiều rộng miệng rãnh bs0 độ phủ nam châm α hai thông số để nghiên cứu giảm mô men đập mạch - Sử dụng khai triển Fourier, tìm quan hệ hệ số Kn-α với độ phủ nam châm để giảm mô men đập mạch động BLDC - Tính tốn từ trường nam châm động BLDC rotor ngồi có xét đến phần ứng phần ứng - Đề xuất thuật toán phù hợp để xác định điểm làm việc vật liệu thép kỹ thuật điện thiết kế động BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửu mật độ từ dư thấp Những mặt hạn chế - Quy trình thiết kế động chưa chuẩn hóa - Các phân tích FEM dừng lại phân tích điện từ trường, chưa phân tích đặc tính - nhiệt động Khả phát triển từ luận án - Phân tích chi tiết đề xuất quy tắc thiết kế chung để giảm thiểu mô men đập mạch - Đề xuất hướng tới quy trình thiết kế tối ưu cho động BLDC cơng suất vừa nhỏ - Nghiên cứu ảnh hưởng trình chuyển mạch tiếng ồn âm - Nghiên cứu tác động vát mép cực từ stator đặc tính động BLDC - Tối ưu hóa đa mục tiêu để giảm thiểu khối lượng vật liệu tác dụng 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Bùi Minh Định, Nguyễn Việt Anh, Phạm Hùng Phi (2017), “Maximum Efficiency Design of an Exterior Rotor E-Motor Bike BLDC Motor by Auto Design Progamp”, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá, VCCA 2017 [2] Nguyễn Việt Anh (2020), “Thiết kế động chiều khơng chổi than rotor ngồi cho xe đạp điện sử dụng ansys” Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội, ISSN 1859 -3585, số 5(56), trang 22-26 [3] Nguyễn Việt Anh, Phùng Anh Tuấn, Phạm Hùng Phi, Nguyễn Mạnh Dũng (2020), “Phân tích tác động độ mở miệng rãnh chiều dài nam châm đến mô men đập mạch động BLDC rotor ứng dụng qn sự”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa Học cơng nghệ quân năm 2020, ISSN 1859 -1043, số 70, trang 70-76 [4] Nguyễn Việt Anh, Nguyễn Mạnh Dũng, Phạm Hùng Phi, Triệu Việt Linh, Phùng Anh Tuấn, Nguyễn Vũ Thanh (2021), “Phân tích ảnh hưởng dây quấn stator mật độ từ thông đến điểm làm việc nam châm q trình q độ” Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội, ISSN 1859 -3585, số 1(57), trang 23-28 ... Để cải thiện hạn chế nêu động cơ, thực cách nghiên cứu, phân tích, tính tốn lựa chọn thơng số tốt thiết kế Do đề tài ? ?Nghiên cứu cải thiện chất lượng mơ men động BLDC rotor ngồi truyền động trực. .. cứu cải thiện chất lượng mô men động BLDC rotor truyền động trực tiếp Giới thiệu nam châm vĩnh cửu Chương 2: MƠ HÌNH MẠCH TỪ TRONG ĐỘNG CƠ BLDC 2.1 Giới thiệu 2.2 Mơ hình tốn học Đối với động BLDC. .. quan động BLDC, đặc điểm, ứng dụng động truyền động trực tiếp Tiến hành phân tích cơng trình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến việc giảm mô men đập mạch động BLDC từ đề xuất phương pháp nghiên cứu