Chương 4 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
4.1. Xây dựng thuật toán thiết kế động cơ
4.1.1. Các kích thước cơ bản
Cơ sơ thiết kế động cơ PMSM nói chung và động cơ BLDC nói riêng là dựa trên mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa công suất khe hở không khí (công suất điện từ) với thể tích của động cơ. Cụ thể là:
Pc = Dir2LPe (4.1)
Với công suất điện từ:
Pe = 3EfIf (4.2)
Công suất đầu vào động cơ:
S = 3UfIf= Pco
η cos φ (4.3)
Mối liên hệ giữa điện áp nguồn và sức điện động cảm ứng động cơ:
U = Ri + Ldi
dt+ e (4.4)
Để đơn giản hóa, ta quy đổi tỷ lệ giữa U và E theo hệ số:
kE= E
U (4.5)
Từ 3 phương trình (4.3, 4.4, 4.5) ta rút ra:
Pe = PcokE
η cos φ (4.6)
Từ đây ta suy ra được mô men điện từ:
Te =Pe
ω (4.7)
Ta tiếp cận quan điểm thiết kế theo chu vi bề mặt khe hở không khí σ của TS. TJE Miller. Quan điểm này chỉ ra rằng mô men điện từ sẽ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt khe hở không khí theo hệ số σ [70].
Te = 2σπDir
2L𝑟
Hệ số kinh nghiệm 𝜎 được xác định theo bảng sau:
Bảng 4.1. Giá trị chu vi bề mặt khe hởkhông khíở một sốđộng cơ [70]
Loại động cơ (kNm m )3
Động cơ kín loại nhỏ (Ferrite) 2,5-7
Động cơ kín (NdFeB) 7-21
Động cơ trong công nghiệp 3,5-15
Động cơ chấp hành hiệu suất cao 7,5-25
Máy điện dùng trong hàng không 15-37,5
Động cơ lớn làm mát bằng chất lỏng 50-125
Tỷ lệ giữa đường kính trong và chiều dài động cơ (chiều dài rotor Lr) thể hiện qua hệ số hình dáng:
khd =Dir
L𝑟 (4.9)
Khi đó, để tính toán đường kính trong, ta có thể áp dụng công thức cuối cùng sau:
Dir = √2Tekhd
σπ
3
(4.10) Để duy trì dòng pha cân bằng và giảm thiểu tiếng ồn âm thanh, động cơ cần một khe hở không khí đồng đều. Động cơ cũng yêu cầu một khe hở không khí nhỏ để tối đa hóa mô men điện từ. Tuy nhiên, sự uốn cong của trục và sự giãn nở của vật liệu với nhiệt độ tăng phải được xem xét trong quá trình thiết kế cùng với dung sai chế tạo. Vì vậy, khe hở không khí nên được chọn sao cho động cơ hoạt động đáng tin cậy trong các điều kiện chung ở mọi điểm vận hành. Sau khi chọn được chiều dài khe hở không khí, ta xác định được các kích thước cơ bản còn lại:
Đường kính ngoài stator:
Dos = Dir− 2g (4.11)
Đường kính trong stator:
Hệ số tỷ lệ kshaft được lựa chọn khéo léo sao cho không nhỏ quá để tránh ảnh hưởng đến cơ khí trục động cơ, không lớn quá để tránh làm giảm đi chiều dày gông stator 𝑤𝑦𝑠 gây nên bão hòa mạch từ gông.
Đường kính ngoài rotor:
Dor = Dir + 2. ℎm+ 2. 𝑤𝑦𝑟 (4.13) Chiều dày gông rotor 𝑤𝑦𝑟 được chọn phù hợp với những ảnh hưởng điểm làm việc của nam châm đã trình bày ở mục 2.3.2 - chương 2.