Chương 4 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
4.4. Thực nghiệm
4.4.2. Chế tạo động cơ thực nghiệm
Dựa vào chương trình thiết kế trong mục 4.1.3 và kết quả mô phỏng trong mục 4.3.4. Động cơ BLDC rotor ngoài đề xuất trong nghiên cứu lý thuyết đã được chế tạo thành công với các kích thước tương ứng với kết quả tính toán giải tích và mô phỏng:
Hình 4.35. Chế tạo mạch từstator và dây quấn
Hình 4.36. Chế tạo gông từ rotor và gắn nam châm hình thành rotor
Hình 4.37. Lắp ráp hoàn thiện động cơ BLDCrotor ngoài - 12 rãnh, 16 cực
Động cơ nguyên mẫu với độ phủ nam châm α=1 (hình 4.38) và động cơ được chế tạo thử nghiệm với độ phủ nam châm α=0,7 (hình 4.39) đều được điều khiển bằng phương pháp FOC (Field Orientation Control) cho tải quạt. Dải tốc độ điều khiển của hai động cơ đều đảm bảo từ 54 rpm đến 187,5 rpm.
Hình 4.38. Động cơ BLDC nguyên mẫu với độ phủnam châmα= 1
Hình 4.39. Động cơ BLDC chế tạo thực nghiệm với độ phủnam châmα= 0,7
Kết quả đo các thông số động cơ sau khi chế tạo và vận hành theo bảng sau:
Bảng 4.8. Thông sốđộng cơ BLDCđược chế tạo với độ phủnam châmα=0,7
STT Dòng điện
dây (A)
Điện áp dây (V)
Công suất
3 pha (W) n (v/p) Hệ số công suất (Cosφ) ŋ
1 0,026 64,87 1,55 54 0,54 0,87 2 0,0352 73,54 2,55 65 0,58 0,85 3 0,0546 88,91 5,09 84 0,61 0,82 4 0,0692 98,63 7,34 97 0,63 0,80 5 0,0806 104,25 9,51 105 0,66 0,79 6 0,1211 124,09 18,94 134 0,74 0,77 7 0,1648 136,2 29,17 156 0,76 0,72 8 0,209 149,99 43,70 175 0,82 0,70 9 0,2574 164,33 56,58 189 0,78 0,65
Kết quả đo các thông số động cơ nước ngoài khi vận hành theo bảng sau:
Bảng 4.9. Thông sốđộng cơ Benney (Thailand) với độ phủnam châmα=1
STT Dòng điện dây (A) Điện áp dây (V) Công suất 3 pha (W) n (v/p) Hệ số công suất (Cosφ) ŋ
1 0,0321 53,84 1,43 54 0,485 0,99 2 0,0436 61,75 2,28 65 0,4948 0,99 3 0,0664 76,18 4,54 85 0,5252 0,98 4 0,0888 83,69 6,81 97 0,5356 0,98 5 0,1013 87,2 8,20 105 0,5426 0,97 6 0,1628 105,27 16,93 138 0,5778 0,94 7 0,2051 116,76 25,46 156 0,6218 0,92 8 0,2582 123,08 37,40 174 0,6882 0,89 9 0,314 129,96 51,11 191 0,7324 0,85
So sánh kết quả giữa bảng 4.8 thông số động cơ BLDC rotor ngoài được chế tạo thực nghiệm với kết quả bảng 4.9 thông số động cơ thương mại Benny do Thái lan sản xuất. Một lần nữa thể hiện sự hiệu quả của việc nghiên cứu về độ phủ nam châm. Theo đó, động cơ chế tạo thực nghiệm sử dụng độ phủ nam châm α = 0,7 có lợi về mô men đập mạch và tiết kiệm vật liệu chế tạo, song vẫn đảm bảo phát huy công suất tương tự với động cơ Benny sử dụng độ phủ nam châm α = 1,0.
4.5. Kết luận
Nội dung chương 4 đã tính toán cụ thể thông số cơ bản trong động cơ BLDC rotor ngoài 12 rãnh - 16 cực, được luận án đề xuất với các số liệu yêu cầu thiết kế và thông số lựa chọn. Việc tính toán được tiến hành trên phần mềm bảng tính Microsoft Excell. Các kết quả tính toán cơ bản đạt đúng với yêu cầu giả thiết đầu ra. Xây dựng quy trình thiết kế động cơ BLDC rotor ngoài công suất nhỏ trên cơ sở thuật toán tối ưu điểm làm việc của vật liệu thép kỹ thuật điện chế tạo stator, gông rotor với nam châm vĩnh cửu mật độ từ thông thấp để giảm khối lượng động cơ khi các giá trị công suất, mô men không thay đổi. Theo đó, với vật liệu thép stator, gông rotor có sẵn đặc tính, các kích thước của hai bộ phận này sẽ được khảo sát, thiết kế.
Việc ràng buộc vật liệu nam châm ban đầu có mật độ từ dư thấp (Ferrite có Br=0,39 T) trong khi điểm làm việc của vật liệu thép stator cao hơn nhiều. Phương án giảm chiều dài stator so với chiều dài nam châm là một cách tiếp cận hiệu quả. Tỷ lệ giữa hai kích thước chiều dài này tùy thuộc vào việc lựa chọn nam châm có từ dư cao hay thấp và vật liệu thép có điểm làm việc là bao nhiêu. Trình tự lựa chọn và hiệu chỉnh tỷ lệ này được thực hiện theo lưu đô thuật toán thiết kế hình 4.2.
Chiều dày gông rotor có thể được giảm đáng kể bất chấp việc mật độ từ thông trên gông rotor ở điểm bão hòa. Điều này có được do hai yếu tố: Tổn hao trên rotor khi vận hành động cơ gần như bằng không và chiều dày gông chỉ ảnh hưởng đến điểm làm việc của nam châm. Đây là những luận điểm quan trọng trong việc thiết kế tối ưu để giảm khối lượng động cơ nhưng vẫn giữ được các giá trị công suất, mô men. Một mẫu động cơ đã được chế tạo thử nghiệm với ưu tiên giảm tối đa kích thước máy mà điểm làm việc vẫn trong phạm vi chấp nhận được và hoạt động hiệu quả.
Chỉ dẫn cơ sở toán học kiểm nghiệm thiết kế động cơ giữa phương pháp giải tích với phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell. Trình bày các bản vẽ thiết kế, chế tạo và 2 mẫu sản phẩm thực nghiệm được đánh giá các chỉ tiêu và so sánh với sản phẩm tương tự của nước ngoài.
Kết quả nghiên cứu trong chương 4 đã được tác giả và cộng sự công bố qua 2 công trình:
“Maximum Efficiency Design of an Exterior Rotor E-Motor Bike BLDC Motor
by Auto Design Progamp”, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và
Tự động hoá, VCCA 2017.
“Thiết kế động cơ một chiều không chổi than rotor ngoài cho xe đạp điện sử
dụng ansys” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội,
TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Tổng kết
Trong toàn bộ luận án này, tác giả đã có một số đóng góp mới với những kết quả đạt được như sau:
- Lựa chọn chiều rộng miệng rãnh bs0 và độ phủ nam châm α là hai thông số để nghiên cứu, thiết kế giảm mô men đập mạch trong động cơ BLDC rotor ngoài. - Sử dụng khai triển Fourier, tìm ra quan hệ giữa hệ số Kn-α với độ phủ nam châm α để giảm mô men đập mạch trong động cơ BLDC rotor ngoài.
- Tính toán từ trường nam châm trong động cơ BLDC rotor ngoài có xét đến phản ứng phần ứng.
- Đưa ra những bản vẽ cơ sở chế tạo. Nhận xét về thiết kế kết cấu và khối lượng sản phẩm khá tương đồng với những sản phẩm tương tự của nước ngoài.
Những mặt hạn chế
Mặc dù đạt được một số kết quả khả quan đã nêu trong nội dung luận án, tuy nhiên với những lý do khách quan (về thời gian, kinh phí và điều kiện nghiên cứu thực nghiệm) cùng với các nhân tố chủ quan (về trình độ, năng lực nhận thức của NCS) cho nên luận án này vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần được giải quyết và hoàn thiện:
- Quy trình thiết kế động cơ chưa đạt được tính chuẩn hóa.
- Các phân tích FEM mới chỉ dừng lại ở phân tích điện từ trường, chưa phân tích được đặc tính cơ - nhiệt của động cơ.
Khả năng phát triển từ luận án
- Phân tích chi tiết hơn và đề xuất các quy tắc thiết kế chung để giảm thiểu mô men đập mạch.
- Đề xuất hướng tới một quy trình thiết kế tối ưu cho động cơ BLDC rotor ngoài với công suất vừa và nhỏ.
- Nghiên cứu về ảnh hưởng quá trình chuyển mạch đối với tiếng ồn âm thanh.
- Nghiên cứu tác động của vát mép cực từ stator đối với đặc tính của động cơ BLDC rotor ngoài.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Bùi Minh Định, Nguyễn Việt Anh, Phạm Hùng Phi (2017), “Maximum
Efficiency Design of an Exterior Rotor E-Motor Bike BLDC Motor by Auto Design Progamp”, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và Tự động hoá, VCCA 2017.
[2] Nguyễn Việt Anh (2020), “Thiết kế động cơ một chiều không chổi than rotor
ngoài cho xe đạp điện sử dụng ansys” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội, ISSN 1859 -3585, số 5(56), trang 22- 26.
[3] Nguyễn Việt Anh, Phùng Anh Tuấn, Phạm Hùng Phi, Nguyễn Mạnh Dũng (2020), “Phân tích tác động của độ mở miệng rãnh và chiều dài nam châm đến mô-men đập mạch ở động cơ BLDC rotor ngoài ứng dụng trong quân sự”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa Học và công nghệ quân sự năm 2020, ISSN 1859 -1043, số 70, trang 70-76.
[4] Nguyễn Việt Anh, Nguyễn Mạnh Dũng, Phạm HùngPhi, Triệu Việt Linh, Phùng Anh Tuấn,Nguyễn Vũ Thanh (2021), “Phân tích ảnh hưởng giữa dây quấn stator và mật độ từ thông đến điểm làm việc của nam châm trong quá trình quá độ” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội, ISSN 1859 -3585, số 1(57), trang 23-28.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R. Pool (2006), “Power electronics machines and drives 2006,” IET Power
Eng., vol. 20, no. 1, pp. 46–47.
[2] Z. Q. Zhu, A. S. Thomas, J. T. Chen, and G. W. Jewell (2009), “Cogging
Torque in Flux-Switching Permanent Magnet Machines,” IEEE Trans. Magn.,
vol. 45, no. 10, pp. 4708–4711.
[3] G. C. Lee and T. U. Jung (2013), “Optimal cogging torque reduction design
of dual stator radial flux permanent magnet generator,” 15th Eur. Conf. Power Electron. Appl. EPE 2013, pp. 85–89.
[4] J. L. Kirtley (2011), “Electric Power Principles: Sources, Conversion,
Distribution and Use,” in Electric Power Principles: Sources, Conversion, Distribution and Use.
[5] T. S. Low, M. A. Jabbar, and M. A. Rahman (1990), “Permanent-Magnet
Motors for Brushless Operation,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 26, no. 1, pp.
124–129.
[6] T. J. E. M. J. R. Hendershot (2010), “Design of Brushless Permanent Magnet
Machines”. Motor Design Books.
[7] R. Wrobel, P. H. Mellor, N. McNeill, and D. A. Staton (2010), “Thermal
performance of an open-slot modular-wound machine with external rotor,”
IEEE Trans. Energy Convers., vol. 25, no. 2, pp. 403–411.
[8] L. Jian, K. T. Chau, and J. Z. Jiang (2009), “A magnetic-geared outer-rotor
permanent-magnet brushless machine for wind power generation,” IEEE
Trans. Ind. Appl., vol. 45, no. 3, pp. 954–962.
[9] C. Peter (1995), “Analysis and design considerations of a high-power density,
dual air gap, axial-field, brushless, permanent magnet motor,” University of
New Hampshire, Durham.
[10] N. Ertugrul and P. P. Acarnley (1997), “Indirect rotor position sensing in
real-time for brushless permanent magnet motor drives,” Conf. Proc. - IEEE
Appl. Power Electron. Conf. Expo. - APEC, vol. 2, pp. 736–742.
[11] J. Ikäheimo (2002), “Permanent magnet motors eliminate gearboxes,” ABB Rev., no. 4, pp. 22–25.
[12] T. Haring, K. Forsman, T. Huhtanen, and M. Zawadzki (2003), “Direct drive
- Opening a new era in many applications,” IEEE Conf. Rec. Annu. Pulp Pap.
Ind. Tech. Conf., pp. 171–179.
[13] A. Bianchi and L. Buti (2003), “Three-Phase A.C. Motor Drive and
Controller for Clothes Washers,” Appliance, vol. 60, no. 6, pp. 32–35.
[14] L. Electronics, “www.lge.com”.
[15] S. H. Lee, J. P. Hong, S. M. Hwang, W. T. Lee, J. Y. Lee, and Y. K. Kim (2009), “Optimal Design for Noise Reduction in Interior Permanent-Magnet
[16] Benny, “http://benny.com.vn/san-pham/quat-tran-bf-c54he”.
[17] A. Holzknecht (2003), “Torque motors do the trick _ Machine Design,” Mach. Des., vol. Apr 03.
[18] M. Aydin, S. Huang, and T. A. Lipo (2006), “Torque quality and comparison
of internal and external rotor axial flux surface-magnet disc machines,” IEEE
Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 3, pp. 822–830.
[19] Bùi Đức Hùng và cộng sự (2013) Đề tài cấp Thành phố Hà Nội, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dải công suất đến 1 kW,” Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[20] Nguyễn Vũ Thanh (2015), “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ đồng bộ 3 pha
nam châm vĩnh cửu,” Luận án tiến sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[21] Lê Anh Tuấn (2018), “Nghiên cứu đặc tính khởi động động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài,” Luận án tiến sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[22] T. Srisiriwanna and M. Konghirun (2012), “A study of cogging torque
reduction methods in brushless DC motor,” ECTI Trans. Electr. Eng. Electron. Commun., vol. 10, no. 2, pp. 138–144.
[23] Z. Q. Zhu and D. Howe (2000), “Influence of design parameters on cogging
torque in permanent magnet machines,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 15, no. 4, pp. 407–412.
[24] L. Zhu, S. Z. Jiang, Z. Q. Zhu, and C. C. Chan (2011), “Optimal slot opening
in permanent magnet machines for minimum cogging torque,” Prz. Elektrotechniczny, vol. 87, no. 3, pp. 315–319.
[25] N. Levin, S. Orlova, V. Pugachov, B. Ose-Zala, and E. Jakobsons (2013), “Methods to reduce the cogging torque in permanent magnet synchronous
machines,” Elektron. ir Elektrotechnika, vol. 19, no. 1, pp. 23–26.
[26] T. Tudorache and M. Modreanu (2013), “Design solutions for reducing the
cogging torque of PMSM,” Adv. Electr. Comput. Eng., vol. 13, no. 3, pp. 59–
64.
[27] W. Fei and P. C. K. Luk (2010), “A new technique of cogging torque
suppression in direct-drive permanent-magnet brushless machines,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 46, no. 4, pp. 1332–1340.
[28] A. Ghasemi (2014), “Cogging torque reduction and optimization in surface-
mounted permanent magnet motor using magnet segmentation method,”
Electr. Power Components Syst., vol. 42, no. 12, pp. 1239–1248.
[29] L. Dosiek and P. Pillay (2007), “Cogging torque reduction in permanent
magnet machines,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 43, no. 6, pp. 1565–1571.
[30] D. A. González, J. A. Tapia, and A. L. Bettancourt (2007), “Design
consideration to reduce cogging torque in axial flux permanent-magnet machines,” IEEE Trans. Magn., vol. 43, no. 8, pp. 3435–3440.
[31] Y. Özoǧlu (2017), “New magnet shape for reducing torque ripple in an outer-
rotor permanent-magnet machine,” Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol.
25, no. 5, pp. 4381–4397.
[32] C. Y. Hsiao, S. N. Yeh, and J. C. Hwang (2011), “A novel cogging torque
simulation method for permanent-magnet synchronous machines,” Energies, vol. 4, no. 12, pp. 2166–2179.
[33] I. Trifu (2015), “Research on reducing cogging torque in permanent magnet
synchronous generators,” UPB Sci. Bull. Ser. C Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 77, no. 3, pp. 225–234.
[34] J. W. Jiang, B. Bilgin, Y. Yang, A. Sathyan, H. Dadkhah, and A. Emadi (2016), “Rotor skew pattern design and optimisation for cogging torque
reduction,” IET Electr. Syst. Transp., vol. 6, no. 2, pp. 126–135.
[35] S. Jagasics and I. Vajda (2016), “Cogging torque reduction by magnet pole
pairing technique,” Acta Polytech. Hungarica, vol. 13, no. 4, pp. 107–120.
[36] V. Zamani Faradonbeh, S. Taghipour Boroujeni, and N. Takorabet (2020), “Optimum arrangement of PMs in surface-mounted PM machines: cogging
torque and flux density harmonics,” Electr. Eng., vol. 102, no. 3, pp. 1117– 1127.
[37] L. J. Wu, Z. Q. Zhu, D. A. Staton, M. Popescu, and D. Hawkins (2012), “Comparison of analytical models of cogging torque in surface-mounted PM
machines,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 6, pp. 2414–2425.
[38] S. Taghipour Boroujeni and V. Zamani (2016), “Influence of magnet shaping
on cogging torque of surface-mounted PM machines,” Int. J. Numer. Model. Electron. Networks, Devices Fields, vol. 29, no. 5, pp. 859–872.
[39] S. T. Boroujeni, N. Takorabet, S. Mezani, T. Lubin, and P. Haghgooie (2020), “Using and enhancing the cogging torque of PM machines in valve
positioning applications,” IET Electr. Power Appl., vol. 14, no. 12, pp. 2516–
2524.
[40] J. Gao, G. Wang, X. Liu, W. Zhang, S. Huang, and H. Li (2017), “Cogging
Torque Reduction by Elementary-Cogging-Unit Shift for Permanent Magnet Machines,” IEEE Trans. Magn., vol. 53, no. 11.
[41] W. Ren, Q. Xu, Q. Li, and L. Zhou (2016), “Reduction of Cogging Torque
and Torque Ripple in Interior PM Machines with Asymmetrical V-Type Rotor Design,” IEEE Trans. Magn., vol. 52, no. 7.
[42] J. Ou, Y. Liu, R. Qu, and M. Doppelbauer (2018), “Experimental and
Theoretical Research on Cogging Torque of PM Synchronous Motors Considering Manufacturing Tolerances,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 65,
no. 5, pp. 3772–3783.
[43] J. Si, S. Zhao, L. Zhang, R. Cao, and W. Cao (2019), “The characteristics
analysis and cogging torque optimization of a surface-interior permanent magnet synchronous motor,” Chinese J. Electr. Eng., vol. 4, no. 4, pp. 41–47.
[44] D. Wang, H. Lin, H. Yang, Y. Zhang, and K. Wang (2016), “Cogging torque
optimization of flux memory pole-changing permanent magnet machine,”
IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 26, no. 4.
[45] X. Zhu and W. Hua (2017), “An Improved Configuration for Cogging Torque
Reduction in Flux-Reversal Permanent Magnet Machines,” IEEE Trans. Magn., vol. 53, no. 6.
[46] K. J. Han, H. S. Cho, D. H. Cho, H. R. Cho, H. S. Lee, and H. K. Jung (1999), “Core shape optimization for cogging torque reduction of BLDC
motor,” IEEE Int. Electr. Mach. Drives Conf. IEMDC 1999 - Proc., pp. 416–
418.
[47] T. Liu, S. Huang, Q. Deng, Q. Pu, and K. Huang (2011), “Effect of the
number of slots per pole on performance of permanent magnet generator direct-driven by wind turbine,” Int. Conf. Electr. Mach. Syst. ICEMS, pp. 1–
4.
[48] L. Zhu, S. Z. Jiang, Z. Q. Zhu, and C. C. Chan (2009), “Analytical methods
for minimizing cogging torque in permanent-magnet machines,” IEEE Trans.
Magn., vol. 45, no. 4, pp. 2023–2031.
[49] M. Fazil and K. R. Rajagopal (2010), “Development of external rotor single-
phase PM BLDC motor based drive for ceiling fan,” Jt. Int. Conf. Power Electron. Drives Energy Syst., pp. 1–4.
[50] J. Lee, H. W. Lee, Y. Do Chun, M. Sunwoo, and J. P. Hong (2000), “The
Performance Prediction of Controlled-PM LSM in Various Design Schemes by FEM,” IEEE Trans. Magn., vol. 36, no. 4 PART 1, pp. 1898–1901.
[51] D. C. Hanselman (1994), “Brushless permanent-magnet motor design.”. [52] N. Bianchi and S. Bolognani (2002), “Design techniques for reducing the
cogging torque in surface-mounted PM motors,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol.
38, no. 5, pp. 1259–1265.
[53] S. M. Hwang, J. B. Eom, G. B. Hwang, W. B. Jeong, and Y. H. Jung (2000), “Cogging torque and acoustic noise reduction in permanent magnet motors
by teeth pairing,” IEEE Trans. Magn., vol. 36, no. 5 I, pp. 3144–3146.
[54] D. Hanselman (2006), “Brushless Permanent Magnet Motor Design Second
Edition,” in Magna Physics Publishing, vol. 2, Magna Physics Publishing, p.
392.
[55] J. F. G. and M. Wing (2010), “Chapter 2, Permanent Magnet Motor
Techlonogy Design and Application 3nd Edition,” Marcel Dekker.
[56] Lưu Mỹ Thuận, Phạm Văn Chới, Bùi Hữu Tín, Phạm Tố Uyên (1986), “Giáo trình Thiết kếkhí cụđiện hạáp,” Đại học Bách khoa Hà Nội.
[57] D. Duane and H. (2006), “Chapter 2, Brushless Permanent Magnet Motor Design 2nd Edition.” Magna Physics Publishing.
[58] V. X. HÙNG (2018), “Modeling of Exterior Rotor Permanent Magnet Machines With Concentrated Windings,” vol. 11, no. 6.
[59] N. H. Nghị (2012), “Cơ sở từ học và các vật liệu từtiên tiến.” Nhà xuất bản khoa học và Kỹ Thuật.
[60] T. Kenjō and S. Nagamori (1985), “Permanent-magnet and brushless DC
motors.” .
[61] J. F. Gieras (2013), “Permanent Magnet Motor Technology,” J. Chem. Inf. Model., vol. 53, pp. 1689–1699.
[62] T. Miller (2014), “Chapter 2, SPEED’s Electric Machines with problems and solutions.” .
[63] J.R and H. J. and T. M. (1994), “Chapter 4& 6& 8& 9, Design of Brushless