Thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC công suất 250w

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế động chiều không chổi than-BLDC công suất 250W Giáo viên hướng dẫn : Th.S Phạm Minh Tú T.S Phùng Anh Tuấn Sinh viên thực : Nguyễn Văn Tùng Chuyên ngành : Thiết bị điện- Điện tử Lớp : Kỹ thuật điện I- Khóa 54 Nội dung đề tài Phần I: Nghiên cứu sở lý thuyết động PMSM BLDC Phần II: Thiết kế động động BLDC 250W Phần III: Mô kiểm nghiệm thiết kế Phần I: Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Giới thiệu chung động BLDC Lưu đồ phân loại dòng động điện nghiên cứu phổ biến thị trường Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Các dạng thiết kế cấu trúc động BLDC điển hình:  Kiểu động từ trường ngang trục: a, b  Động từ trường dọc trục: c,d Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Hệ số TRV(Torque per Rotor Volume ) T TRV  D is l Kiểu động TRV(kN.m/m3) Động loại nhỏ kín hồn tồn(nam châm Ferrite) 7-14 Động kiểu kín(nam châm đất NdFeB) 14-42 Động kiểu kín gắn bề mặt với NdFeB 20 Động công suất mã lực(HP) 7-30 Động Servo hiệu suất cao 15-50 Động xác cao(dùng cho hàng không- vũ trụ) 30-75 Động công suất lớn làm mát chất lỏng 100-250 Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Mơ hình khe hở khơng khí cực từ  Các mơ hình khe hở khơng khí (a) Mơ hình khơng từ tản (b) Mơ hình từ tản đơn giản (c) Mơ hình từ tản với móc vịng từ thơng  Từ dẫn khe hở khơng khí có từ thơng móc vịng(c): s ws *ws Pg 0 *l(  ln(1 )) g  4g Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Sự kéo dài đường sức từ ảnh hưởng hệ số Carter  Hệ số Carter 1(Nasar) kc1  [1- ]1 s g (5  1) ws ws  Hệ số Carter 2(Ward Lawrenson): s 1 ws g ws 1 kc2 (1-2 {tan ( )- ln[1+( ) ]}) ws g 2ws g  Hệ số Carter 3( Mơ hình khe hở khơng khí) ws 4g ws 1 kc3 [1  ln(1 )] s  4g Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Vật liệu sắt từ  Tổn hao từ trễ: Ph  k h fB mn  Hệ số từ thẩm: dB i  0 dH  Tổn hao dòng xoáy: Pe  ke f Bm2 Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Nam châm đất  Đặc tính từ trễ: Khi tiến hành nạp từ bão hòa cho vật liệu nam châm, dòng điện xung đưa vào Sau thời gian ổn định giá trị từ dư bề mặt Br nam châm xác định, tạo thành đường khử từ góc phần tư thứ hai xác định lực kháng từ Hc  Nhiệt độ currie: nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ Là nhiệt độ mà chất sắt điện bị độ phân cực  Tích lượng cực đại: khả lưu trữ lượng từ nam châm vĩnh cửu Nam châm vĩnh cửu có lực kháng từ lớn, từ dư cao hệ số chữ nhật đường cong từ trễ lớn Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Đặc tính từ điểm làm việc nam châm vĩnh cửu  Các thông số làm thay đổi đặc tính làm việc PM: Độ dốc đường tải, định vị trí điểm làm việc nam châm Từ xác định độ dốc PM tích μ0μrec với μrec độ từ thẩm dao động Khi nhiệt độ cao, đường cong khử từ có chiều giảm xuống phía gốc tọa độ  Sự dao động quanh điểm làm việc PM: Phản ứng phần ứng cuộn dây phần ứng gây thay đổi điểm làm việc PM 10 Thiết kế động động BLDC 250W Thiết kế thông số điện động BLDC Bảng thông số yêu cầu: Thông số Công suất định mức Tốc độ định mức Nguồn DC lớn Cấp cách điện Hiệu suất giả thiết Chế độ làm việc Số pha Số cực nam châm Số rãnh pha Độ dài khe hở khơng khí Ký hiệu Pn Sr Umax F ηn S Nph Nm Nsp g Đơn vị Giá trị W 250.00 rpm 3000.00 V 36.00 0C 150 % 90 [S1-S10] S1 Lựa chọn 3.00 Lựa chọn 8.00 Rãnh/ pha 4.00 mm 0.30 21 Thiết kế động động BLDC 250W Bảng thơng số kích thước mạch từ Thơng số Đường kính stator Chiều dài mạch từ Đường kính rotor Độ dày nam châm lựa chọn Độ phủ dài nam châm lựa chọn Độ dài bước quấn dây Số vịng dây/ cuộn lựa chọn Đường kính dẫn lựa chọn Độ cao gông stator lựa chọn Độ rộng miệng rãnh Chiều cao cổ rãnh lựa chọn Bán kính vát cạnh đáy lớn Độ rộng lựa chọn Độ rộng đáy nhỏ Độ cao đáy nhỏ Độ rộng đáy lớn chưa vát góc Độ cao stator Đường kính ngồi stator Ký hiệu Dis l Dro1 lm1 lPM1 τc Ns1 dc1 wbi1 ws d1 rs wtb1 wsb1 d2 wsb2 d3 Dso Đơn vị mm mm mm mm mm mm Vòng mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm Kết 38.00 38.00 37.40 2.10 9.60 24.92 13.00 1.42 6.00 3.50 2.00 1.00 5.60 6.60 0.50 11.00 9.50 74.00 22 Thiết kế động động BLDC 250W Lá thép tính tốn thép sản xuất  Thép kỹ thuật điện Vacoflux 50  Lá thép tính tốn: (a)  Lá thép sản xuất: (b) 23 Thiết kế động động BLDC 250W Bảng thơng số đặc tính động Thơng số Hằng số động Hằng số điện Hằng số mô men Quán tính rotor Mật độ lượng nhiệt rãnh stator Chênh lệch nhiệt độ dẫn- vách rãnh stator Tổn thất động Mật độ lượng nhiệt bề mặt stator Chênh lệch nhiệt độ vỏ máy- môi trường làm việc Nhiệt độ làm việc động Nhiệt độ dẫn Hằng số thời gian điện Hằng số thời gian khí Tốc độ khơng tải Mơ men không tải Tốc độ định mức Ký hiệu kM kE kT Jr qs Δt1 Plm qst Δt2 T Tc τe τms S0 T0 Sr1 Đơn vị g.cm2 W/m2 0C W W/m2 0C 0C 0C ms ms rpm N.m rpm Kết 0.26 0.10 0.10 688.41 645.83 32.25 18.87 123.43 8.69 48.69 80.94 1.49 4.86 3.370.92 0.03 3.008.08 24 Thiết kế động động BLDC 250W Thiết kế khí động BLDC Bảng thơng số thiết kế trục Thơng số Đường kính hai đầu trục Đường kính ổ bi Đường kính thân trục Trọng lượng rotor Độ dài thân trục Độ dài thân trục phải Độ dài thân trục trái Độ dài ổ bi phải Độ dài ổ bi trái Độ dài đầu trục trái Độ dài đầu trục phải Ký hiệu D1x,1y D2x,2y D3x,3y Grotor ls lp lt lbp lbt ltt ltp Đơn vị cm cm cm g cm cm cm cm cm cm cm Giá trị 0.80 1.00 1.70 381 6.90 3.35 3.40 0.25 0.40 1.65 1.25 25 Thiết kế động động BLDC 250W Linh kiện & vật liệu khí  Loại ổ bi: F6800-2ZZ  Vật liệu làm trục động JIS S45C  Vật liệu nắp trước gối động gang xám loại FCD 250(JIS)  Vật liệu làm nắp sau động Quan TongJISG3302  Keo dán nam châm lên bề mặt rotor Loctite ®680™ 26 Thiết kế động động BLDC 250W Thông số sử dụng vật liệu động Thông số Diện tích thép Khối lượng sator Mật độ từ thơng làm việc Tổn thất sắt với thép chế tạo Hiệu suất tính tốn lại Khối lượng mạch từ tính toán lại Khối lượng nắp trước Khối lượng gối Khối lượng nắp sau Tổng khối lượng động Ký hiệu Sstator Mstator BL PFe η M Mtr Mg Ms M1 Đơn vị mm2 g T W % g g g g g Giá trị 2936.97` 827 1.50 11.99 87.55 1510.12 375.50 365.00 125.80 2331.42 27 Phần III: Mô kiểm nghiệm thiết kế Cơ sở lý thuyết  Phương pháp giải tích  Phương pháp phần tử hữu hạn Hệ phương trình Maxwell Định luật Maxwell Faraday Maxwel Ampere Maxwel Gauss Dạng vi phân    B rot E   t      D rot H  J  t   divD  ; div B  Dạng tích phân  L     B  d  Edl    t d S  dt e S       D     D   Hdl   ( J  t )dS   JdS   t dS  ic  it L S S S  S     Dd S   dV  Q;   Bd S  V S 28 Mô kiểm nghiệm thiết kế Kết mơ Matlab& Simulink Mơ hình mơ Mơ hình khối Simulink 29 Mơ kiểm nghiệm thiết kế Kết mô Vận tốc đầu trục tải định mức Mô men đầu trục tải định mức 30 Mô kiểm nghiệm thiết kế Kết mơ Ansys Maxwell Mơ hình mơ Model V DModel1 D40 D42 - S_48 V + D35 D37 S_50 D39 18V LabelID=V32 + - SModel1 D44 V V S_46 Model 18V LabelID=V33 D41 D43 D36 S_49 V S_47 LPhaseA LabelID=VIB 5.85291e-007H*Kle 0.0687403ohm LB RB LPhaseB LabelID=VIC 5.85291e-007H*Kle 0.0687403ohm LC RC LPhaseC D45 V V D34 LabelID=VIA 5.85291e-007H*Kle 0.0687403ohm LA RA D38 S_51 LabelID=IVc1 LabelID=IVc2 LabelID=IVc3 LabelID=IVc4 LabelID=IVc5 LabelID=IVc6 100ohm 100ohm 100ohm 100ohm 100ohm 100ohm R20 R21 R22 R23 R24 R25 + -1 + 1V LabelID=V14 -1 + 1V LabelID=V15 -1 + 1V LabelID=V16 -1 + 1V LabelID=V17 -1 + 1V LabelID=V18 -1 1V LabelID=V19 Mơ hình hình học Mơ hình mạch điều khiển 31 Mơ kiểm nghiệm thiết kế Kết mô Torque V 0.5 1.40 ANSOFT Curve Info Moving1.Torque Setup1 : Transient 1.20 Moving1.Torque [NewtonMeter] 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 -0.20 -0.40 0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 Tim e [m s] 12.50 15.00 17.50 20.00 Đồ thị mô men tải Quá độ ANSOFT 37.28 Curve Info Phase Voltage ea 25.00 Line Voltage eab (Volts) 12.50 0.00 -12.50 -25.00 -37.50 6.03 50.00 100.00 150.00 200.00 Electric Degree 250.00 300.00 350.00 Đồ thị sức phản điện động ANSOFT 12.43 Ổn định (Amperes) 7.50 2.50 Curve Info Source Current -2.50 Phase Current ia -7.50 Phase Current ib Phase Current ic -12.50 6.03 50.00 100.00 150.00 200.00 Electric Degree 250.00 300.00 Đồ thị dòng điện mang tải 350.00 32 Kết luận Kết thu  Làm rõ nguyên lý hoạt động điều khiển động BLDC  Xây dựng sở lý thuyết thiết kế động BLDC  Đưa công thức đại số áp dụng cho thiết kế, tính tốn kiểm nghiệm thơng số đặc trưng động BLDC  Sử dụng hai phần mềm để kiểm nghiệm thơng số tính tốn khai thác thêm đặc tính mà phần mềm đưa  Tính tốn kết cấu khí từ vật liệu có thơng số rõ dàng  Đưa vẽ sở chế tạo 33 Kết luận Định hướng phát triển tương lai  Chuẩn hóa cơng thức đại số tính tốn thiết kế động BLDC đưa  Tính toán tối ưu kiểu dáng nam châm gắn bề mặt, kết cấu mạch từ để giảm ảnh hưởng mô men đập mạch từ  Phân tích, khảo sát đa môi trường(cơ gồm cơ- nhiệtđiện) để đưa thiết kế cấu trúc tối ưu cho động  Chế tạo thử nghiệm đo lường, kiểm nghiệm thông số đặc trưng động BLDC  Đưa quy trình thiết kế chuẩn động BLDC 34 Hết Cảm ơn quý thầy cô bạn lắng nghe! 35 ... giác giả sin 0.612 19 Phần II: Thiết kế động động BLDC 250W Các bước thiết kế động BLDC 20 Thiết kế động động BLDC 250W Thiết kế thông số điện động BLDC Bảng thông số yêu cầu: Thông số Công suất... thuyết sở thiết kế động BLDC Lý thuyết điều khiển động BLDC dạng ba pha Một vài phương án điều khiển động BLDC 17 Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Các tổ đấu dây dùng BLDC  Tổ đấu dây dạng Y... cứu sở lý thuyết động PMSM BLDC Phần II: Thiết kế động động BLDC 250W Phần III: Mô kiểm nghiệm thiết kế Phần I: Lý thuyết sở thiết kế động BLDC Giới thiệu chung động BLDC Lưu đồ phân loại dòng