Hiện nay các nghiên cứu trên thế giới về SRM rất phong phú và đa dạng do những ưu điểm vượt trội của SRM. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào vấn đề giảm thiểu độ ồn, độ nhấp nhô mômen cho SRM.
Lực điện từ của động cơ gồm hai thành phần:
- Lực hướng tâm, tác động lên trục và ổ trục không tạo mômen quay mà gây ồn và rung. Lực hướng tâm phụ thuộc vào kết cấu động cơ và phương pháp điều khiển.
- Lực tiếp tuyến, tạo mômen quay. Nếu lực tiếp tuyến có chứa điều hòa bậc cao sẽ gây nhấp nhô mômen. Thành phần điều hòa bậc cao trong lực tiếp tuyến cũng phụ thuộc vào kết cấu động cơ và phương pháp điều khiển.
Việc giảm thiểu tiếng ồn, độ rung và độ nhấp nhô mômen của SRM được thực hiện trên cả hai phương diện tối ưu hóa lực hướng tâm và tối ưu hóa lực tiếp tuyến. Và trên cả hai phương diện này chủ yếu có phương án tối ưu hóa kết cấu động cơ và tối ưu các phương pháp điều khiển. Các nghiên cứu có thể tóm tắt như trên sơ đồ Hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ các phương án nghiên cứu giảm độ nhấp nhô mômen và độ ồn SRM
Các nghiên cứu về tối ưu hóa kết cấu SRM để giảm thiểu nhấp nhô mômen và tiếng ồn của của động cơ có các kết quả đáng chú ý như:
Tài liệu [15], tác giả nghiên cứu lựa chọn hình dạng các phiến xếp chồng của stator và sử dụng vật liệu gốm sứ không dẫn từ chèn vào giữa các cực của stator (Hình 1.2a). Sử dụng phương pháp này đã tăng cường độ cứng của stator, giảm biến dạng stator và do đó giảm tiếng ồn động cơ (trên 10% so với cấu hình truyền thống).
Tài liệu [16], tác giả đã đã sử dụng Matlab Simulink để phân tích và mô phỏng kết cấu stator hình chữ U cho SRM 24/22. Kết quả SRM có cấu trúc stator hình chữ U giảm được 70% độ nhấp nhô mômen. Tuy nhiên sử dụng phương pháp này lại làm giảm hiệu suất động cơ, do tổn hao đồng tăng lên 40%.
a) b)
Hình 1.2 Kết cấu chèn phiến ngăn stator (a) và stator kép (b)
Tài liệu [20][21], các tác giả đưa ra giải pháp kết cấu cực nghiêng cho stator và rotor của SRM (Hình 1.3). Bằng phương pháp phân tích FEM trên phần mềm Ansys maxel, các tác giả đã phân tích và so sánh ba phương án nghiêng khác nhau của SRM: SR-SRM - chỉ nghiêng cực rotor, SS-SRM - chỉ nghiêng cực stator, SSR-SRM - nghiêng cả cực stator và rotor. Kết quả phương án nghiêng cả stator và rotor là phương án có khả năng giảm thiểu độ rung ồn và nhấp nhô mômen tốt nhất. Tuy nhiên mômen trung bình và hiệu suất của động cơ lại giảm đi rất nhiều. Ở mức chấp nhận được thì cần phải đạt được tỉ lệ giảm của mômen trung bình và hiệu suất sẽ phải nhỏ hơn tỉ lệ giảm độ nhấp nhô mômen và tiếng ồn.
Tài liệu [22], tác giả đề xuất phương án làm giảm tiếng ồn cho SRM bằng cách xếp nghiêng cực stator. Bằng phương pháp phân tích FEM trên phần mềm Ansys Maxel tác giã đã tính được góc nghiêng tối ưu là 200. Phương án này hiệu quả trong việc giảm độ ồn cho động cơ nhưng đồng thời cũng làm giảm mômen trung bình.
Tài liệu [23], nhóm tác giả đã đề xuất phương án đục lỗ rotor để làm giảm thành phần lực hướng tâm, từ đó từ đó giảm được độ nhấp nhô mômen cho SRM 8/6 (Hình 1.4). Bằng việc xây dựng mô hình trên Ansys Maxcel, sử dụng phương pháp phân tích FEM và thực nghiệm, tác giả khảo sát các kích thước, vị trí khác nhau của lỗ đục. Kết quả vị trí các lỗ đục với kích thước h =19 mm và r = 7 mm thì độ ồn giảm đi 63,32 dB và độ rung giảm đi 1,6 mm/s. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy phương án đục lỗ đã làm giảm được độ rung ồn của động cơ mà vẫn giữ được công suất đầu ra.
Hình 1.4 Kết cấu đục lỗ trên gông rotor SRM 8/6
Phương án tạo khía rãnh trên rotor theo hướng thuận chiều quay (Hình 1.5) cũng là một phương pháp hữu hiệu để giảm độ nhấp nhô mômen cho SRM [24]. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra với việc tạo các rãnh có chiều sâu 2 mm làm nhấp nhô mômen giảm 4,4% nhưng mômen trung bình chỉ giảm 0,8%.
Hình 1.5 Kết cấu khía rãnh trên cực rotor SRM 8/6
Thiết kế cực rotor SRM theo kiểu tạo cánh trên mỏm cực rotor (Hình 1.6) cũng giảm thiểu độ nhấp nhô mômen cho SRM [25][26]. Với phương án này, độ nhấp nhô mômen
Hình 1.6 Hình dạng tạo cánh trên mỏm cực rotor
Một phương án khác như làm lõm mặt cực stator và tạo cạnh chữ T cho cực rotor (Hình 1.7) cũng giảm thiểu độ nhấp nhô mômen một cách đáng kể [27]. Thông số tối ưu của phần lõm trên mặt cực stator là 0,26mm và bề mặt cực rotor chữ T rộng thêm 1,350 mỗi bên, độ nhấp nhô mômen giảm được 23%.
Hình 1.7 Kết cấu dạng lõm bề mặt cực stato và cực rotor chữ T
Theo tài liệu [28][29][30], các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cực stator, rotor đến độ nhấp nhô mômen. Bằng phương pháp xây dựng mô hình 3D trên Simulink, phân tích FEM và thực nghiệm, tác giả đã kết luận: số cực rotor nhiều hơn số cực stator thì SRM có khả năng tăng mômen, giảm được độ nhấp nhô mômen; kết cấu SRM 6/10 (6 cực stator và 10 cực rotor) có mômen cực đại tăng 30 ÷ 47% và mômen trung bình tăng 24 ÷ 51% so với động cơ 6/4. Tuy nhiên kết cấu SRM 6/10 thích hợp với những ứng dụng tốc độ thấp.
Tài liệu [31], nhóm tác giả đề xuất cực stator, cực rotor có dạng hình thang và khảo sát các góc cực stator, rotor khác nhau của SRM 8/6 (Hình 1.8) sử dụng phần mềm Ansys Maxcel và phân tích FEM.
Hình 1.8. Kết cấu hình thang cực stator, rotor SRM 8/6
Khi góc cực stator được giữ cố định là 20,20 và thay đổi góc cực ngoài của rotor (βr_outer) từ 180 đến 340, nhận được kết quả βr_outer = 300 là góc tối ưu của rotor.
Khi giữ cực rotor ở 23,50; thay đổi góc cực trong của stator (βs_iner) từ 150 ÷ 260; với góc cực stator βs_iner = 250 thì đạt được mômen trung bình lớn nhất và phần trăm nhấp nhô mômen nhỏ nhất.
Trong tài liệu [32], nhóm tác giả đã đề xuất hàm tối ưu đa mục tiêu: tối ưu tỉ số giữa đường kính ngoài lõi thép stator và chiều dài trục (kDL); tối ưu tỉ số giữa đường kính ngoài rotor và đường kính ngoài stator (kRS). Kết quả đạt được: tỉ số giữa đường kính ngoài lõi thép stator và chiều dài trục bằng 2,64 và tỉ lệ giữa đường kính ngoài của rotor với đường kính ngoài stator bằng 0,65 thì động cơ SRM có mômen trung bình lớn nhất, tỉ lệ mômen trên chiều dài lõi thép là cao nhất.
Tài liệu [33], nhóm tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, tính toán tối ưu chiều dài lõi thép và chiều dài khe hở không khí để tối đa hóa mômen, hiệu suất của động cơ SRM 18/12 – 50 kW. Kết quả đạt được: chiều dài lõi thép là 156 mm; khe hở không khí là 0,5; hiệu suất đến 95%.
Tài liệu [34], nhóm tác giả khảo sát trên mô hình động cơ SRM ứng dụng cho xe điện với nhiều cấu trúc khác nhau: 6/4; 12/8; 18/12; 24/16; 30/20; 36/24. Sử dụng thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu: tối thiểu hóa nhấp nhô mômen, tối đa hóa hiệu suất động cơ. Với kết cấu SRM 12/8 tác giả đã chỉ ra góc cực stator bằng 150thì đạt được hàm mục tiêu: độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất, hiệu suất cao nhất.
Tài liệu [35], nhóm tác giả sử dụng thuật toán tối ưu GA tính toán tối ưu góc cực stator và góc cực rotor để giảm thiểu nhấp nhô mômen. Tác giả thực hiện trên mô hình SRM 8/6, 4 pha 1,0 kW, 1500 vòng/phút với hàm mục tiêu hai biến là từ thông cực đại và tỉ số điện cảm đồng trục/ điện cảm lệch trục cực đại. Kết quả tác giả đạt được góc cực stator βs = 29.530 và góc cực rotor βr = 35.920thì có độ nhấp nhô mômen giảm còn trên 70% so với kết cấu ban đầu βs = 280; βr =320.
Tài liệu [36], nhóm tác giả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor đến đặc tính mômen tĩnh của SRM 6/4. Tác giả khảo sát từng giá trị của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator trong khoảng 0,45 đến 0,60 với bước nhảy 0,05 và tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor thay đổi từ 0,45 đến 0,55 với bước nhảy 0,05. Các tác giả kết luận: với giá trị tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor bằng 0,45 và tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator bằng 0,5 thì điểm cực đại trên đường đặc tính mômen tĩnh là cao nhất; tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor là 0,6; tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator bằng 0,45 thì điểm cực đại của mômen tĩnh ở vị trí thấp nhất.
Tài liệu [37], nhóm tác giả tính toán thiết kế tối ưu SRM 12/10 bốn pha, sử dụng thuật toán tối ưu GA. Nhóm tác giả đặt ra hàm mục tiêu là tối thiểu hóa nhấp nhô mômen với hai biến là góc cực stator, góc cực rotor. Tác giả khảo sát trong giới hạn: góc cực rotor lớn hơn hoặc bằng góc cực stator; tỉ số góc cực stator/ bước cực stator, tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor bằng 0,3 đến 0,5. Các tác giả kết luận: tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor đều bằng 0,4 thì SRM 12/10 có độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất.
Tài liệu [38], nhóm tác giả tính toán thiết kế tối ưu SRM 16/20 bốn pha bằng thuật toán tối ưu GA. Nhóm tác giả đặt hàm đa mục tiêu: tối thiểu hóa nhấp nhô mômen, tối đa hóa hiệu suất và mômen trung bình động cơ với nhiều biến: khe hở không khí (g), đường kính trong stator (Dis), đường kính ngoài stator (Dos), bề dầy gông stator (bsy), bề dầy gông rotor (bry), chiều cao cực stator, rotor (hs, hr), đường kính trong rotor (Dir), góc cực stator (βs), góc cực rotor (βr), góc đóng dòng điện θon, góc mở dòng điện θoff . Nhóm tác giả kết luận giá trị của các biến là: Dis = 25mm; Dos =179,5mm; Dir =180mm; g =0,25mm; bsy =31,75mm; bry =10mm; hs =45,5mm; hr =10mm; βs = 90; βr =6,50; θon
=500; θoff =700 thì hiệu suất, mômen trung bình lớn nhất và nhấp nhô mômen nhỏ nhất. Các phương án như thiết kế tối ưu SRM, thiết kế hình dạng khác nhau của cực stator, cực rotor thì phương án gắn nam châm vĩnh cửu trợ giúp nhằm giảm thiểu độ nhấp nhô mômen, nâng cao mômen trung bình cho SRM cũng được nhiều nhà nghiên cứu chú ý đến, điển hình có các công trình như:
Tài liệu [39], nhóm tác giả khảo sát hai mô hình SRM 12/8 và SRM 12/10 có gắn nam châm vĩnh cửu trên bề mặt rãnh stator (Hình 1.9). Các tác giả kết luận: SRM có gắn nam châm vĩnh cửu ít có khả năng bị bão hòa hơn, có từ thông tổng cao hơn và giảm độ nhấp nhô mômen so với SRM không gắn nam châm và SRM 12/10 có điện cảm lớn hơn SRM 12/8 khi đều gắn nam châm vĩnh cửu.
Hình 1.9 Hình ảnh SRM 12/8 và SRM 12/10 có gắn nam châm vĩnh cửu
Tài liệu [40], nhóm tác giả đề xuất phương án gắn nam châm vĩnh cửu trên gông stator (Hình 1.10). Nhóm tác giả đưa ra kết luận mômen trung bình của SRM có gắn nam châm cao hơn 75,9% so với của SRM không gắn nam châm.
Hình 1.10 Kết cấu stator có gắn nam châm trên gông stator
Tài liệu [41], nhóm tác giả, đề xuất gắn nam châm vĩnh cửu vào giữa các đầu cực của stator và so sánh với kết cấu SRM gắn nam châm vĩnh cửu trên gông stator. Kết quả tác giả kết luận: việc gắn nam châm vĩnh cửu vào bên giữa các đầu cực stator đã đạt mômen và hiệu suất của cao hơn khi gắn nam châm vĩnh cửu trên gông stator.
Như vậy có thể thấy có rất nhiều các phương pháp để giảm thiểu độ rung ồn, độ nhấp nhô mômen cho động cơ. Tuy nhiên mỗi phương pháp khi cải thiện được về độ rung ồn hay độ nhấp nhô thì đồng thời cũng phải chấp nhận sự suy giảm về mômen trung bình, hay hiệu suất của SRM.
Các nghiên cứu về cải thiện phương pháp điều khiển SRM để giảm thiểu nhấp nhô mômen và tiềng ồn có các kết quả đáng chú ý như:
Tài liệu [42][43], các tác giả đề xuất phương thức điều khiển kết hợp với biến tần để giảm độ nhấp nhô mômen, sử dụng phương pháp FEM để đánh giá, phân tích. Phương pháp này giảm được độ nhấp nhô mômen đáng kể mà không làm giảm nhiều mômen trung bình. Ngoài ra phương án ngắt dòng điện vào mỗi pha dây quấn stator bằng cách chuyển pha hai bước cũng làm suy yếu sự biến đổi đột ngột của dòng điện pha, từ đó triệt tiêu tiếng ồn và giảm độ nhấp nhô mômen[44][45][46].