Việc lựa chọn răng rãnh là hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế máy điện quay cũng nhƣ máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng. Có nhiều loại
rãnh và đi cùng với nó là kết cấu của răng. Lựa chọn đƣợc răng rãnh thích hợp sẽ vừa nâng cao đƣợc tính năng của máy, vừa hạn chế đƣợc những ảnh hƣởng do từ trƣờng bậc cao gây ra (nhƣ tiếng ồn, phát nhiệt, hiệu suất thấp…). Ngoài ra việc lựa chọn răng rãnh thích hợp sẽ giúp công nghệ chế tạo hợp lý và đơn giản hơn, lại giảm giá thành của sản phẩm.
Hình 3.1 dƣới đây giới thiệu một số hình dạng rãnh cơ bản. Sau đây sẽ xem xét sự ảnh hƣởng của mỗi hình dạng rãnh đến đặc tính của động cơ.
Hình 3.1 - Một số dạng rãnh cơ bản
a) Rãnh Hình thang, b) Rãnh hở, c) Rãnh Hình chai, d) Rãnh Quả lê e) Rãnh Chữ nhật nửa kín, f) Rãnh nửa hở, g) Rãnh Ô van, h) Rãnh Hình chêm
3.2.1.1. Rãnh chữ nhật hở
Rãnh chữ nhật hở chủ yếu đƣợc dùng cho lá tôn stato máy điện xoay chiều điện áp cao. Do các bối dây của máy đƣợc làm bằng dây dẫn chữa nhật quấn định hình tạo thành bối dây cứng đƣợc bọc cách điện tăng cƣờng nên rãnh hở sẽ giúp việc lắp dây quấn vào dễ dàng. Khi đó việc lồng dây đƣợc thực hiện bằng cách đặt cạnh của bối dây vào rãnh. Do chiều ngang bối dây đã bọc cách điện xấp xỉ bề rộng rãnh nên nếu dùng dạng rãnh nửa kín hoặc nửa hở sẽ không thể lồng dây và nếu
lồng đƣợc thì cách điện bối dây sẽ bị hƣ hại. Nhìn vào Hình 3.2 sẽ thấy nhƣợc điểm của loại rãnh chữ nhật hở là bề rộng của răng không đều.
Hình 3.2 - Rãnh chữ nhật hở cho lá tôn stato
Rãnh chữ nhật hở còn đƣợc dùng trong dây quấn roto của máy điện một chiều có công suất trung bình trở lên và có số rãnh nguyên tố lớn. Ngoài ra còn dùng trong roto máy phát điện đồng bộ cực ẩn có bối dây cứng làm từ dây dẫn chữ nhật.
3.2.1.2. Rãnh hình chêm, hình chai
Rãnh hình nêm hình chai là dạng rãnh khá đặc biệt sử dụng để chế tạo rô to động cơ không đồng bộ công suất lớn nhằm tăng cƣờng mômen khởi động do ứng dụng hiệu ứng mặt ngoài. Loại rãnh này còn có thể áp dụng cho cuộn dây khởi động ở các máy điện đồng bộ công suất lớn.
3.2.1.3. Rãnh quả lê
Là dạng rãnh nửa kín (hình 3.1 d) thƣờng sử dụng chế tạo rãnh Stato các máy công suất dƣới 100kW, dây quấn có tiết diện tròn. Loại rãnh này cũng có thể dùng làm rãnh rôto động cơ không đồng bộ công suất 40kW trở xuống.
Do đƣờng bao rãnh là những cung tròn nên độ bền khuôn dập tăng và dễ chế tạo rãnh. Khi tính toán, thiết kế thì cần làm sao cho các răng có bề rộng đều để mật độ từ cảm phân bố đều trên răng và tránh tình trạng phát nóng cục bộ.
Bởi vì loại rãnh này chỉ phù hợp với việc sử dụng dây quấn có tiết diện tròn nên nó thƣờng đƣợc dùng trong các máy điện công suất nhỏ và trung bình, có điện
áp thấp. Tuy nhiên một số nƣớc nhƣ Mỹ đã ứng dụng rãnh quả lê cho động cơ công suất lớn tới 500kW và có điện áp 3,3kV.
3.2.1.4. Rãnh chữ nhật nửa kín
Rãnh chữ nhật nửa kín có thể dùng cho cả rãnh roto và rãnh stato (hình 3.3 a). Loại rãnh này khi dùng trong roto động cơ không đồng bộ thì sẽ chế tạo kiểu rãnh sâu với bề ngang hẹp để tận dụng hiệu ứng mặt ngoài làm tăng mômen lúc khởi động. Khi dùng làm rãnh stato thì do kích thƣớc răng không đều nên loại rãnh này thƣờng dùng trong các loại động cơ điện áp thấp và dây quấn tròn. Nếu dùng dây dẫn chữ nhật thì việc lồng dây rất khó khăn bởi cách sắp xếp các sợi dây trong rãnh. Với rô to máy điện không đồng bộ sử dụng thanh dẫn đồng thì ƣu điểm lớn khi dùng loại rãnh này đó là thuận lợi trong chế tạo các thanh dẫn.
a) (b)
Hình 3.3 - Rãnh ô van và chữ nhật
a) Lá tôn stato rãnh chữ nhật nửa kín, (b) Lá tôn roto rãnh ô van
3.2.1.5. Rãnh ô van
Rãnh ô van ít đƣợc dùng làm lõi thép stato mà chủ yếu dùng chế tạo lõi thép roto động cơ không đồng bộ (hình 3.3 b). Ƣu điểm của loại rãnh này là dễ chế tạo nhƣ rãnh quả lê do có các đƣờng cong làm tăng độ bền khuôn dập. Khi sử dụng loại rãnh này làm rãnh rôto lồng sóc thì nhờ đƣờng cong đáy và đỉnh rãnh mà quá trình đúc nhôm dễ dàng hơn. Nó là dạng rãnh nửa kín, nhƣng do kích thƣớc răng không đều làm cho sự phân bố từ cảm không đồng đều trong răng và có thể gây nóng cục bộ lõi thép roto.
3.2.1.6. Rãnh chữ nhật nửa hở
Rãnh chữ nhật nửa hở chủ yếu dùng chế tạo lá tôn stato các động cơ công suất 75kW trở lên, điện áp hạ thế và sử dụng dây dẫn tiết diện chữ nhật đƣợc quấn thành bối định hình.
Ƣu điểm của rãnh chữ nhật nửa hở là tiết diện đỉnh răng đƣợc tăng lên nhƣng việc chế tạo và lồng các bối dây có phần hơi phức tạp. Nhƣợc điểm của loại rãnh này đó là có kích thƣớc răng không đồng đều, dễ dấn đến phát nóng cục bộ lõi thép.
Hình 3.4 - Rãnh chữ nhật nửa hở lõi thép stato
Từ các phân tích đã trình bày trên đây ta có thể nhận thấy ƣu nhƣợc điểm của từng loại rãnh, từ đó việc lựa chọn loại rãnh nào thì cũng cần phải cân nhắc kỹ lƣỡng giữa yêu cầu kỹ thuật cũng nhƣ công nghệ chế tạo. Do hình dạng rãnh quyết định tới hình dạng răng, từ đó ảnh hƣởng đến sự phân bố mật độ từ thông trong lõi thép. Do đó chúng sẽ ảnh hƣởng đến tính năng cũng nhƣ các đặc tính, hiệu suất của máy điện trong quá trình vận hành.
Đối với các máy điện công suất nhỏ thì thƣờng sử dụng dây quấn có tiết diện tròn do đó nên áp dụng loại rãnh quả lê. Mặt khác, nhƣ đã phân tích ở trên, chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế sao cho kích thƣớc răng đồng đều để hạn chế sự phân bố mật độ từ cảm không đều trong phần răng lõi thép.
3.2.2. Tính toán stato động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW
a) Hằng số máy điện và các hệ số kết cấu
Các yêu cầu đề ra cho động cơ công suất nhỏ thƣờng mâu thuẫn nhau, vì vậy việc xác định kích thƣớc chủ yếu trở nên phức tạp. Kích thƣớc chủ yếu gồm đƣờng kính trong stato D hoặc đƣờng kính ngoài Dn và chiều dài tính toán l của lõi thép stato. Ngoài ra cần chú ý đến sự liên quan giữa các kích thƣớc chủ yếu ấy, thể hiện ở các hệ số kết cấu nhƣ: tỷ lệ giữa đƣờng kính trong và đƣờng kính ngoài kD = D/Dn, tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép với đƣờng kính trong stato λ = ls/D hay với đƣờng kính ngoài stato λ = ls/Dn.
Quan hệ giữa các kích thƣớc chủ yếu của động cơ đƣợc biểu thị bằng hằng số máy điện, còn gọi là hằng số Arnold
2 4 4 3 1 2 8, 6.10 8, 6.10 , . . A db s s D l cm vg C n P B A B A VA ph Trong đó : D – Đƣờng kính trong stato, cm L – Chiều dài lõi thép stato, cm nđb – Tốc độ đồng bộ, vg/ph
Ps – Công suất tính toán (công suất biểu kiến mà động cơ điện lấy từ lƣới vào), VA
B – Mật độ từ thông khe hở không khí, Tesla A – Tải đƣờng của stato, A/cm
βs = β1. β2 là hệ số quy đổi, với máy 3 pha 1 = 2 = s = 1
1 là hệ số biểu thị tỷ số giữa công suất có ích của máy điện 3 pha với máy điện thiết kế có cùng kích thƣớc: dm3 1 dm P P
2 là hệ số biểu thị tỷ số giữa tích số hiệu suất η và cos của động cơ một pha và 3 pha: 1 1 2 3 3 . os . os c c
Tích số .cos có thể tra theo đồ thị đƣợc tổng kết từ các động cơ đã chế tạo trong nƣớc và quốc tế.
b) Tải điện từ
Kích thƣớc chủ yếu của động cơ công suất nhỏ (D và l) phụ thuộc vào việc chọn tải điện từ mà thông số này lại có quan hệ với vật liệu dẫn từ, cấp cách điện, kết cấu và cách làm mát máy.
Tải điện từ gồm có các thông số sau:
- Mật độ từ thông khe hở không khí B đối với hệ thống mạch từ.
- Tải đƣờng A và mật độ dòng điện J đối với mạch điện (dây quấn). Các tham số A, J, B có thể biểu thị tình hình sử dụng dây quấn và hệ thống mạch từ, còn A và B có thể quyết định đặc tính làm việc và mở máy của động cơ điện.
Trị số A, B của các động cơ công suất nhỏ tƣơng đối bé do mật độ từ thông B bị hạn chế bởi mật độ từ thông cho phép trong răng. Do bƣớc cực của máy tƣơng đối nhỏ, từ thông ít nên số dây dẫn tƣơng đối nhiều. Mặt khác, tiết diện dây quấn nhỏ, vì vậy cách điện dây dẫn trong rãnh chiếm một không gian tƣơng đối lớn, hệ số lấp đầy không cao, do đó việc nâng cao tải đƣờng đối với loại động cơ công suất nhỏ bị hạn chế.
Tải nhiệt cho phép của động cơ W đƣợc quyết định bởi phƣơng pháp làm mát máy và cấp cách điện lựa chọn. Nó tỷ lệ với tải đƣờng và mật độ dòng điện lựa chọn. 2 W . , W / 100J A cm
Trong đó: là điện trở suất của vật liệu dẫn điện.
Với một tải nhiệt cho phép, mật dộ dòng điện J cho phép có thể tăng lên khi giảm tải đƣờng A. Mật độ dòng điện của các động cơ công suất nhỏ thƣờng chọn
cao hơn các động cơ công suất lớn. Đối với động cơ điện m pha đối xứng, tải đƣờng đƣợc tính theo công thức sau:
2. .W.
Am m I
D
Tuy nhiên trên thực tế, tải điện từ đƣợc chọn trong giới hạn sau: Bδ = 0,3÷ 1 Tesla
A = 105 – 150 A/cm khi 2p = 2 A = 120 – 200 A/cm khi 2p = 4
Mật độ dòng điện có thể chọn trong khoảng J = 5 ÷ 8,5A/mm2.
Khi chọn mật độ từ thông khe hở không khí B đối với các động cơ công suất nhỏ có thể phải xét đến những yếu tố sau:
1) Độ bão hòa răng và gông
2) Yêu cầu của đặc tính làm việc và mở máy 3) Yêu cầu về tiếng ồn.
Muốn thỏa mãn yêu cầu thứ hai thì phải tăng B và nhƣ vậy sẽ mâu thuẫn với yêu cầu thứ nhất và thứ ba.
Tải đƣờng A thay đổi không nhiều trong khoảng 100 – 200 A/cm còn mật độ từ thông khe hở B lại phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu đặc biệt là kiểu răng, rãnh nên có thể thay đổi từ 0,3 – 0,8Tesla. Với máy 4 cực thƣờng chọn trong phạm vi 0,5 – 0,6T.
c) Xác định đƣờng kính trong, đƣờng kính ngoài lõi thép
Để đảm bảo tính kinh tế, giữa kích thức D và l phải có một tỷ lệ nhất định và A, B cũng tỷ lệ với D. Sử dụng hằng số máy điện và dựa vào các hệ số kết cấu kD, λ có thể xác định đƣợc đƣờng kính ngoài lõi thép theo công thức:
3 . 44 . . . s n D db P p D k B A n
Trong đó: dm s P P .cos
là công suất biểu kiến động cơ nhận từ lƣới, VA l
là tỷ số giữa chiều dài lõi thép với bƣớc cực Khi 2p = 2 = 0,45 – 1,0 tb = 0,75 Khi 2p = 4 = 0,8 – 1,4 tb = 1,1 Hệ số kD = 0,485 … 0,615 khi 2p = 2
kD = 0,495 … 0,655 khi 2p = 4
Khi số cực đã xác định thì kD xác định và đƣờng kính ngoài có thể xác định đơn giản theo công thức sau:
Với máy 2 cực, đƣờng kính ngoài bằng:
3 11, 25 . . s n P D cm B A
Với máy 4 cực, đƣờng kính ngoài bằng:
3 14,9 . . s n P D cm B A
Nếu máy 2 cực và 4 cực dùng chung 1 khuôn dập (với kD = 0,6) thì đƣờng kính ngoài stato có thể đƣợc tính theo công thức: 3
3 9,38 . . s n P D cm B A
Đƣờng kính ngoài sau khi tính toán phải đƣợc chuẩn hóa theo kích thƣớc tôn hay công nghệ dập và hệ số sử dụng vật liệu. Ngày nay, công nghệ hiện đại thƣờng dập tự động với tôn silic đƣợc cắt thành băng có kích thƣớc tính trƣớc. Lá thép stato bên ngoài sẽ không tròn đều mà bị vát 4 góc.
Sau khi chọn đƣờng kính ngoài thì đƣờng kính trong sẽ tính đƣợc theo công
thức: D = kD.Dn
Đối với các động cơ công suất dƣới 100W, phải lƣu ý chọn đƣờn kính trong phải phù hợp với số rãnh lựa chọn để răng không quá yếu. Chiều rộng răng bz tối thiểu phải từ 2 – 3mm. Do đó sau khi tính toán phải kiểm tra lại theo công thức:
Trong đó: Zs là số rãnh stato
bz là bề rộng tối thiểu của răng
Công thức này đƣợc đƣa ra dựa trên giả thuyết mật độ từ thông trong răng gấp 2,5 lần mật độ từ thông khe hở B và hệ số ép chặt tối thiểu là 0,93.
d) Xác định chiều dài stato và bƣớc cực
Bƣớc cực đƣợc tính toán theo công thức sau: . 2 D cm p
Đối với các máy công suất nhỏ, bƣớc cực có sự thay đổi rất lớn. Với máy có công suất dƣới 500W cần tham khảo theo đồ thị = f(Pđm) nhƣ hình 3.5.
Hình 3.5 - Quan hệ = f(Pđm) của động cơ điện công suất nhỏ 3 pha
khi 2p = 2 và 2p =4
Chiều dài lõi thép đƣợc tính theo công thức sau: l = .
Nhƣ vậy, với cùng một công suất, kiểu máy điện khác nhau thì chiều dài lõi sắt cũng khác nhau. Mặt khác trong thiết kế dãy với cùng một đƣờng kính lõi sắt có thể có 2 – 3 chiều dài lõi khác nhau để đạt những công suất khác nhau. Vì vậy trong dải công suất đến 500W bƣớc cực thay đổi rất ít.
Thƣờng bƣớc cực trung bình nằm trong khoảng: Khi 2p = 2 tb = 8,5÷ 10cm
e) Xác định khe hở không khí
Khe hở không khí trong động cơ công suất nhỏ thƣờng chọn trong khoảng: δ = 0,2 ÷ 0,3 mm
Với động cơ ba pha, khe hở không khí thƣờng đƣợc tính theo công thức kinh nghiệm:
D
δ = 0,2 + (mm)
200 , ở đây D tính theo cm
Với động cơ đồng bộ, do rôto dùng nam châm vĩnh cửu nên khe hở có thể chọn lớn hơn từ 10 – 20%.
3.2.2.2. Dây quấn, rãnh và gông stato a) Chọn số rãnh stato và roto
Việc chọn số rãnh của động cơ điện đồng bộ tƣơng tự nhƣ động cơ không đồng bộ. Chỉ lƣu ý đặc biệt là rô to của động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu nên dây quấn lồng sóc ở rôto chỉ phục vụ cho mục đích khởi động. Việc chọn số rãnh yêu cầu trƣớc hết phải đảm bảo gia công đƣợc và phải hạn chế tối đa mômen ký sinh khi động cơ mở máy. Kinh nghiệm cho thấy giữa số rãnh stato Zs và số rãnh rô to Zr cần tuân thủ theo nguyên tắc sau đây:
Zr ≠ Zs Zr ≠ 1/2 Zs
Zr ≠ 2Zs Zr ≠ 2mpg, với g là một số nguyên
Để tránh sự xuất hiện của lực hƣớng kính phải tuân thủ theo các bất đẳng thức sau: Zr ≠ 2mpg + 1
Zr ≠ 2mpg + p + 1 Zr ≠ 2mpg + 2p + 1
Bảng 3.1 – Sự phối hợp rãnh stato và roto các động cơ công suất nhỏ
Số cực 2p Số rãnh stato Zs Số rãnh roto Zr
2 24 18 (17,19, 22, 30, 36) 2 30 (36)