Bài toán thiết kế động cơ tối ưu với hàm mục tiêu là hiệu suất động cơ lớn nhất. Quá trình này thực hiện giải bài toán quy hoạch phi tuyến có dạng: Tìm giá trị của các biến số độc lập X = (x1, x2, …, xn) để hàm mục tiêu của đối tượng thiết kế là hiệu suất η(X) max t→ hỏa mãn các điều kiện:
gi(X) ≥ 0; i = 1, 2, …, m
trong đó:
- gi(X) là các ràng buộc để thiết kế được khả thi và có thể chấp nhận trong thực tiễn. Các ràng buộc bao gồm yêu cầu vật liệu, công nghệ của các nhà máy sản xuất và các chỉ tiêu kỹ thuật. Chúng bao gồm:
* Các yêu cầu về vật liệu:
1. Mật độ từ thông cực đại trên gông stato Bg1max
2. Mật độ từ thông cực tiểu trên gông stato Bg1min 3. Mật độ từ thông cực đại trên gông rôto Bg2max
4. Mật độ từ thông cực tiểu trên gông rôto Bg2min 5. Mật độ từ thông cực đại trên răng stato Bz1max
6. Mật độ từ thông cực tiểu trên răng stato Bz1min 7. Mật độ từ thông cực đại trên răng rôto Bz2max
8. Mật độ từ thông cực tiểu trên răng rôto Bz2min *Các yêu cầu về công nghệ:
9. Bề rộng răng tối thiểu stato bzsmin
10. Bề rộng răng tối thiểu rôto bzrmin
11. Đường kính đáy nhỏ tối thiểu của rãnh stato d1smin
12. Đường kính đáy nhỏ tối thiểu của rãnh rôto d2rmin 13. Hệ số lấp đầy rãnh klđ
14. Chiều dài khe hở không khí δ 15. Chiều dài lõi sắt qua hệ số λ 16. Hệ số ép chặt kc
* Các yêu cầu kỹ thuật:
17. Bội số mômen cực đại mmax 18. Bội số mômen khởi động mk
19. Bội số dòng điện khởi động ik 20. Hệ số công suất cosϕ
- Các biến số độc lập x1, x2, …, xn là các thông số thiết kế, bao gồm: 1. Đường kính ngoài lõi sắt stato Dn, tương ứng với x1.
2. Chiều dài lõi sắt stato, tương ứng với x2.
3. Mật độ từ thông khe hở không khí Bδ, tương ứng với x3. 4. Đường kính trong lõi sắt stato D, tương ứng với x4. 5. Tiết diện rãnh stato Srs, tương ứng với x5.
6. Chiều cao rãnh stato hrs, tương ứng với x6. 7. Bề rộng răng stato bzs, tương ứng với x7. 8. Chiều cao rãnh rôto hrr, tương ứng với x8. 9. Bề rộng răng rôto bzr, tương ứng với x9. Một số thông số được trình bày như hình 3.1.
Hình 3.1: Các biến số thiết kế x6 x7 x8 x9 x1 x4 x5
- Xmin ≤ X ≤ Xmax: là giới hạn trên và dưới của các thông số thiết kế, giá trị của chúng phụ thuộc vào công suất và tốc độ của động cơ. Nếu gọi ∆xi là khoảng cách giữa hai giá trị liên tiếp của biến xi thì số giá trị cần xét cho mỗi biến trong một lần thiết kế là:
i i i i x x x N ∆ − = max min (3.1)
Với giá trị cần xét cho một biến số như (3.1) thì tổng số vòng lặp (tương ứng với số phương án) khi xét hết các biến số là:
∏ = = 9 1 i i N N (3.2)
Số phương án cần tính toán theo (3.2) phụ thuộc vào độ chính xác cho phép của ∆xi, có thể lên đến hàng trăm tỷ phương án cần xét.
Vì lý do đó mà các công trình [29], [35], [38], [41] [42] [49] đã đưa ra , , các phương pháp tối ưu khác nhau nhằm làm giảm thời gian tính toán thiết kế. Tuy nhiên cũng chính điều này đã làm cho hàm mục tiêu nhiều khi không nhận được giá trị cực trị toàn cục. Khắc phục nhược điểm, với kết quả phân tích ở chương 2, tác giả đề xuất quá trình giải bài toán thiết kế tối ưu với hàm mục tiêu là hiệu suất lớn nhất gồm hai phần: một là phương pháp xác định kích thước chủ yếu và tải điện từ, hai là phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ. Quá trình này có sơ đồ khối như hình 3.2.
Với sơ đồ này, ngoài phần dữ liệu vào (các thông số cần thiết cho quá trình thiết kế) và phần dữ liệu ra (các thông số về kích thước mạch từ, cấu trúc răng rãnh, thông số dây quấn …) còn có hai phần chính.
Hình 3.2: Sơ đồ khối thiết kế tối ưu hiệu suất động cơ
Phần thứ nhất giải quyết vấn đề xác định nhóm thông số kích thước cơ bản, bao gồm các thông số thiết kế như đường kính ngoài lõi sắt stato Dn, chiều dài lõi sắt stato l, đường kính trong lõi sắt stato D và mật độ từ thông khe hở không khí Bδ tương ứng với các biến số của bài toán thiết kế là x1, x2, x3, x4. Giá trị Dnthông thường chọn theo chiều cao tâm trục và tốc độ đồng bộ của động cơ cần thiết kế, thông thường giá trị này ít thay đổi. Các thông số còn lại, như đã khảo sát ở chương 2, giá trị ban đầu được chọn: D nhỏ, l lớn, Bδ lớn sau đó được điều chỉnh lặp lại đến khi đạt được các tiêu chuẩn đặt ra.
Phần thứ hai phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từlà , thực hiện khi đã xác định được trị số của nhóm thông số kích thước cơ bản. Với mỗi bộ giá trị của nhóm thông số kích thước cơ bản thì ở phần này sẽ tìm được giá trị
Phương pháp chọn giá trị nhóm thông số kích thước
cơ bản: Dn, D, l, Bδ
Dữ liệu vào: các thông số định mức, hiệu suất yêu
cầu, tiêu chuẩn …
Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ
Dữ liệu ra: Các thông số thiết kế có hiệu suất η lớn nhất đồng thời đảm bảo ràng buộc về công nghệ, vật liệu và các chỉ
của các biến x5, x6, x7, x8, x9 sao cho có thể nhận được hiệu suất cao nhất đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật khác.
Trong chương này sẽ giải quyết vấn đề chính là xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ khi có giá trị các thông số Dn, D, l và Bδ.