L ỜI CẢM ƠN
4.6 Kết luận chương 4
Một động cơ mẫu thửđã được chế tạo theo kết quả thiết kế tối ưu. Động cơ được thử nghiệm tại hệ thống test-bench của Công ty Cổ phần chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM). Kết quả thử nghiệm đo các thông số như mômen, dòng điện,... tại một số điểm hoạt động khác nhau khi so sánh với mô hình thiết kế tối ưu với sai sốđạt được nhỏhơn 5%. Kết quảđo nhiệt của động cơ được so sánh với kết quả mô phỏng trong Motor-CAD. Dựa trên kết quả thử nghiệm các thông số và nhiệt của động cơ mẫu thử, cho thấy phương pháp thiết kế tối ưu đề xuất là hoàn toàn phù hợp. Các kết quả chương 4 được công bố trong bài báo số [5], [6], [7].
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Nội dung luận án đã trình bày một phương pháp mới thiết kế tối ưu động cơ sử dụng các thuật toán trên cơ sở tối ưu các thông số kết cấu, điều khiển ứng dụng cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán tối ưu hóa, nhằm giảm các vòng lặp chế tạo mẫu thử tốn kém về chi phí và thời gian của phương pháp thiết kếthông thường.
Đặc tính Pareto đưa ra phương án lựa chọn tốt nhất giữa khối lượng điện từ và mômen cực đại sau khi đánh giá mô hình bằng thuật toán ɛ-constraint kết hợp thuật toán quy hoạch đa thức bậc 2 (SQP) trong Matlab. Kết quảPareto được đưa ra với hai mục tiêu trái ngược nhau, cực đại mômen và cực tiểu khối lượng điện từ, nhằm giúp người thiết kế lựa chọn động cơ phù hợp nhất về mặt chi phí và thời gian đáp ứng cho ứng dụng yêu cầu. Một thiết kế tối ưu được lựa chọn trên đặc tính phân bố Pareto với khối lượng điện từ là 9,52 kg, mômen cực đại đạt được là 15 N.m.
Mô phỏng FEA tại một sốđiểm hoạt động khác nhau (tốc độkhác nhau) để kiểm nghiệm mô hình thiết kế tối ưu với sai số giữa hai mô hình thấp hơn 10%. Kết quả mô phỏng nhiệt động cơ trong hai chếđộ hoạt động liên tục và cực đại cho thấy thiết kếđộng cơ hoàn toàn phù hợp và đáp ứng yêu cầu cách điện khi hoạt động. Một động cơ mẫu thử đã được chế tạo theo kết quả thiết kế tối ưu nhằm kiểm nghiệm các kết quảđạt được từ mô hình lý thuyết đề xuất. Kết quả thử nghiệm đo các thông số như mômen, dòng điện,... tại một sốđiểm hoạt động khác nhau khi so sánh với mô hình thiết kế tối ưu với sai sốđạt được nhỏhơn 5%. Kết quảđo nhiệt của động cơ được so sánh với kết quả mô phỏng trong Motor-CAD. Dựa trên kết quả thử nghiệm các thông số và nhiệt của động cơ mẫu thử, cho thấy phương pháp thiết kế tối ưu đề xuất là hoàn toàn phù hợp.
ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servokhông đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Đây là đóng góp quan trọng trong lí thuyết cũng như trong thực tế vì với kết quả nghiên cứu này cho phép việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng loại động cơ servo không đồng bộ sẽ có sựthay đổi về tỉ trọng ứng dụng cho loại động cơ servo. Mô hình mẫu thử ảo trong quá trình thiết kế, giảm bớt các chi phí trong qui trình chế tạo mẫu thử và hiệu chỉnh thông số mẫu thử. Cụ thể trong luận án đã đưa ra phương pháp và các kết quả cụ thể sau:
- Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu ngay từbước mô hình: cực đại mômen và cực tiểu khối lượng áp dụng cho động cơ servokhông đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
- Xây dựng thuật toán tối ưu hai hàm mục tiêu đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc theo phương pháp tối ưu SQP kết hợp với thuật toán ràng buộc ε-constraint nhằm đưa bài toán đa mục tiêu thành đơn mục tiêu với mục tiêu thứ hai trở thành một hàm ràng buộc. Kết quả tối ưu được thể hiện trên phân bổ tối ưu đa mục tiêu Pareto.
- Khẳng định tính đúng đắn của mô hình mẫu thiết kế ảo trong thiết kế động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu tối ưu động cơ servo và kết cấu làm mát với chu trình hoạt động xác định.
- Nghiên cứu tối ưu tiêu thụnăng lượng của động cơ servo với chu trình hoạt động xác định.
- Nghiên cứu sựảnh hưởng của nhiệt độđến mômen.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Krzysztof, O. (2018), “Control and diagnostics of an AC servo drive in selected operation modes”. Applications of Electromagnetics in Modern Techniques and Medicine (PTZE) pp. 171–174.
2. Ebel F., P. M. (2010), “Fundamentals of Servo Motor Drive Technology”. Festo Didactic GmbH & Co., Germany, Denkendorf.
3. B, J. (2017), “The utilisation of industrial process models in acquiring the practical skills of PLC programming”. Society. Integration. Education pp. 483–491.
4. G. Cheng, W. Y. and J. H. (2018), “Improving the performance of motor drive servo systems via composite nonlinear control”. CES Transactions on Electrical Machines and Systems vol.2, pp. 399–408.
5. C. Du, Y. Zhang, A. K. and Z. Y. (2017), “High-Precision and Fast Response Control for Complex Mechanical Systems—Servo Performance of Dedicated Servo Recording Systems”. IEEE Transactions on Magnetics, vol.3, pp. 1–5. 6. N. Saha, B. M. and D. P. (2014), “Modeling of Maximum Solar Power Tracking
using servomotor by incremental conductance method”. 2014 Annual IEEE India Conference (INDICON) pp. 1–6.
7. Y. Demir, O. O. and M. A. (2013), “Design, optimization and manufacturing of a spoke type interior permanent magnet synchronous motor for low voltage- high current servo applications”. 2013 International Electric Machines & Drives Conference pp. 9–14.
8. J. Lanlong, C. Rongmin, Z. H. and H. Z. (2015), “Servo system design and implementation based on position and speed control for the linear motor”. 34th Chinese Control Conference (CCC) pp. 4223–4227.
9. Hao, J. W. and W. (2010), “Design of three-axis servo system based on linear motor”. 2010 International Conference On Computer Design and Applications pp. 182–185.
10. H. M. Flieh, R. D. Lorenz, E. Totoki, S. Y. and Y. N. (2018), “Investigation of Different Servo Motor Designs for Servo Cycle Operations and Loss Minimizing Control Performance”. IEEE Transactions on Industry Applications vol.54, pp. 5791–5801.
11. Eurodrive, S. (2006), “Servo Technology”. Drive Engineering - Practical Implementation SEW-Eurodvive.
12. Y. Yasa, E. Sincar, B. T. E. and E. M. (2014), “Design considerations of electromagnetic brakes for servo applications”. 2014 IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE) pp. 768–774.
13. A Hughes, B. D. (2019), “Electric motors and drives: fundamentals, types and applications”. Elseviel Ltd.
15. C. Liu, G.-H. C. and Y.-Y. Q. (2019), “Research on Servo Control System of Embedded AC Permanent Magnet Synchronous Motor”. 2019 IEEE 8th Joint International Information Technology and Artificial Intelligence Conference (ITAIC) pp. 1622–1626.
16. Kloucek, Z. B. and P. (2015), “System of measurement and evaluation of AC servo motor’s mechanic, electric and control quantities”. 2015 IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics (ECMSM) pp. 1–5.
17. A. Basu, SA Moosavian, R. M. (2005), “Mechanical Optimization of Servo Motor”. Journal of Mechnical Design vol.127, pp. 58–61.
18. Brisset, S., Tudorache, T., Tran, T. V., Brochet, P. & Fireteanu, V. (2007), “Finite element analysis of a brushless DC wheel motor with concentrated winding”. International Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics and Electromotion ACEMP’07 and Electromotion’07 Joint Conference pp. 337–342.
19. Dogan, H. và c.s. (2013), “Multistatic reluctance network modeling for the design of permanent-magnet synchronous machines”. IEEE Transactions on Magnetics vol.49, pp. 2347–2350.
20. G. Pellegrino, A. Vagati, B. Boazzo, and P. G. (2012), “Comparison of Induction and PM Synchronous Motor Drives for EV Application Including Design Examples”. IEEE Transaction Industrial Application vol.48, pp. 2322– 2332.
21. Kim, B. và c.s. (2012), “Development of 50kW traction induction motor for electric vehicle (EV)”. 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 2012 pp. 142–147.
22. Le Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., Romary, R. & Brochet, P. (2009), “Optimal slot opening width for magnetic noise reduction in induction motors”. IEEE Transactions on Energy Conversion vol.24, pp. 869–874. 23. Lee, J. Y., Woo, B. C., Kim, J. M. & Oh, H. S. (2017), “In-wheel motor design
for an electric scooter”. Journal of Electrical Engineering and Technology vol.12, pp. 2307–2316.
24. Kanokvate Tungpimolrut, Vu Tran Tuan, S. K. and P. N. H. (2018), “Design of E-scooter motor with thermal analysis based on driving cycle”. Grand renewable energy 2018 Proceedings.
25. Pil-Wan Han, Jae-Hak Choi, Dong-Jun Kim, Y.-D. C. & Bang, D.-J. (2015), “Thermal Analysis of High Speed Induction Motor by Using Lumped-Circuit Parameters”. J Electr Eng Technol vol.10, pp. 709–714.
26. M. Imran, H. Jabeen, M. Ahmad, Q. A. and W. B. (2010), “Opposition based PSO and mutation operators”. trong 2010 2nd International Conference on Education Technology and Computer pp. 506–512 (2010).
27. Brisset, S. & Tran, T. V. (2018), “Pareto-based branch and bound algorithm for multiobjective optimization of a safety transformer”. COMPEL - The
International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering vol.37, pp. 617–629.
28. Buschbeck, J., Vogelsberger, M., Orellano, A. & Schmidt, E. (2016), “Pareto Optimization in Terms of Electromagnetic and Thermal Characteristics of Air- Cooled Asynchronous Induction Machines Applied in Railway Traction Drives”. IEEE Transactions on Magnetics vol.52, pp. 3–6.
29. Centner, M. (2014), “Basics and application of motor design optimization in an industrial environment”. Proceedings - 2014 International Conference on Electrical Machines, ICEM 2014 pp. 1008–1012.
30. Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S. & Meyarivan, T. (2002), “A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II”. IEEE Transactions on Evolutionary Computation vol.6, pp. 182–197.
31. Di Barba, P. & Mognaschi, M. E. (2009), “Sorting Pareto solutions: A principle of optimal design for electrical machines”. COMPEL - The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering vol.28, pp. 1227–1235.
32. Duan, Y. & Harley, R. G. (2011), “A novel method for multiobjective design and optimization of three phase induction machines”. IEEE Transactions on Industry Applications vol.47, pp. 1707–1715.
33. Fazlipour, Z., Kianinezhad, R. & Razaz, M. (2015), “Genetic algorithm based design optimization of a six phase induction motor”. Journal of Electrical Engineering and Technology vol.10, pp. 1007–1014.
34. Fodorean, D., Idoumghar, L. & Szabó, L. (2013), “Motorization for an electric scooter by using permanent-magnet machines optimized based on a hybrid metaheuristic algorithm”. IEEE Transactions on Vehicular Technology vol.62, pp. 39–49.
35. Tran, T. V., Brisset, S. & Brochet, P. (2009), “A new efficient method for global discrete multilevel optimization combining branch-and-bound and space- mapping”. IEEE Transactions on Magnetics vol.45, pp. 1590–1593.
36. Tran, T. V., Moussouni, F., Brisset, S. & Brochet, P. (2010), “Adapted output space-mapping technique for a bi-objective optimization”. IEEE Transactions on Magnetics vol.46, pp. 2990–2993.
37. Xia, B., Ren, Z., Zhang, Y. & Koh, C. S. (2014), “An adaptive optimization algorithm based on kriging interpolation with spherical model and its application to optimal design of switched reluctance motor”. Journal of Electrical Engineering and Technology vol.9, pp. 1544–1550.
38. Andersson, S. (2000), “Optimization of a servo motor for an industrial robot application”. Printed in Sweden by Universitetstryckeriet, Lund University. 39. Staton, D. a. (2001), “Servo Motor Size Reduction - Need for Thermal CAD”.
genetic algorithm and comparison with existing motor”. Mathematical and Computational Applications vol.11, pp. 193–203.
41. Zarko, D., Ban, D. & Goricki, D. (2009), “Improvement of a Servo Motor Design Including Optimization and Cost Analysis”. pp. 302–307.
42. Stipetic, S., Miebach, W. & Zarko, D. (2016), “Optimization in design of electric machines: Methodology and workflow”. Joint International Conference - ACEMP 2015 pp. 441–448.
43. Mese, E., Yasa, Y., Ertugrul, B. T. & Sincar, E. (2014), “Design of a high performance servo motor for low speed high torque application”. Proceedings - 2014 International Conference on Electrical Machines, ICEM 2014 pp. 2014– 2020.
44. Xiaoyu Liu, Q. L. and W. F. (2017), “Optimal Design of Permanent Magnet Arrangement in Synchronous Motors”. Department of Electrical Engineering, the Hong Kong Polytechnic University pp. 1–16.
45. Abbas Shiri, A. S. (2012), “Multi-objective optimal design of low-speed linear induction motor using genetic algorithm”. (Electrical Review, ISSN 0033-2097 vol.88, pp. 185–190.
46. A. Messac, A. Ismail-Yahaya, C. A. M. (2003), “The normalized normal constraint method for generating the Pareto frontier”. Struct. Multidiscipl. Optim vol.25, pp. 86–98.
47. R.T. Marler, J. S. A. (2004), “Survey of multi-objective optimization methods for engineering”. Struct. Multidiscp. Optim. vol.26, pp. 369–395.
48. Kenneth Chircop, D. Z. (2013), “On Ɛ-constraint based methods for the generation of Pareto frontiers.pdf”. Journal of Mechanics Engineering and Automation vol.3, pp. 279–289.
49. Miettinen, K. (2008), “Introduction to multiobjective optimization: Noninteractive approaches”. Lecture Notes in Computer Science vol.5252, pp. 1–26.
50. Dong-Kuk Lim, Kyung-Pyo Yi, Sang-Yong Jung, Hyun-Kyo Jung, and J.-S. R. (2015), “Optimal Design of an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor by Using a New Surrogate-Assisted Multi-Objective Optimization”. IEEE Transactions on Magnetics vol.51, pp. 1–4.
51. Gao, F. & Han, L. (2012), “Implementing the Nelder-Mead simplex algorithm with adaptive parameters”. Computational Optimization and Applications vol.51, pp. 259–277.
52. Venkataraman, P. (2002), “Applied Optimization with Matlab Programming”. A Wiley-Interscience publication, John Wiley & Sons, New York.
53. K. Deb, S. Agrawal, A. Pratap, and T. M. (2002), “A fast elitist nondominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-I”. IEEE Trans. on Evol. Comp vol.Vol. 6,.
Machine, a State of the Art Study”. International Journal of Computer Applications (IJCA) vol.56,.
55. Georgilakis, P. S. (2009), “Spotlight on modern transformer design”. Power Systems vol.38,.
56. Gill, P. E., Kungurtsev, V. & Robinson, D. P. (2017), “A stabilized SQP method: Global convergence”. IMA Journal of Numerical Analysis vol.37, pp. 407–443.
57. Jiang, X., Yang, Y. & Lu, Y. (2012), “A feasible SQP method using augmented Lagrangian function for general constrained optimization”. Proceedings of the 2012 5th International Joint Conference on Computational Sciences and Optimization, CSO 2012 pp. 226–229.
58. Mikami, H., Ide, K., Shimizu, Y., Senoo, M. & Seki, H. (2011), “Historical evolution of motor technology”. Hitachi Review vol.60, pp. 38–45.
59. Tran, T. V., Brisset, S. & Brochet, P. (2007), “Combinatorial and multi-level optimizations of a safety isolating transformer”. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics vol.26, pp. 201–208.
60. Murthy, K. M. V. (2008), “Computer Aided Design of Electrical Mach”. BS Publications.
61. Trần Khánh Hà, N. H. T. (2006), “Thiết kế máy điện”. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
62. Fatemi, A., Ionel, D. M., Demerdash, N. A. O. & Nehl, T. W. (2016), “Optimal Design of IPM Motors with Different Cooling Systems and Winding Configurations”. IEEE Transactions on Industry Applications vol.52, pp. 3041–3049.
63. Tikhonova, O., Malygin, I. & Plastun, A. (2017), “Electromagnetic calculation for induction motors of various designs by ’ANSYS maxwell”. 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2017 - Proceedings pp. 1–4.
64. Tikhonova, O., Malygin, I., & Plastun, A. (2017), “Electromagnetic calculation for induction motors of various designs by “ANSYS maxwell.” trong 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). (2017).
65. [8] D. G. Dorrell, P. J. Holik, C. B. R. (2007), “Analysis and Effects of Inter- Bar Current and Skew on a Long Skewed-Rotor”. Rotor Induction Motor for Pump Applications. IEEE Transactions on Magnetics vol.43, pp. 2534–2536. 66. Carbonieri, M., Bianchi, N. & Alberti, L. (2019), “Induction motor analysis
using magnetostatic finite element simulations considering skewing”. 2019 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2019 pp. 147–153.
68. Arkkio, [10] A. Tenhunen and A. (2001), “Modelling of induction machines with skewed rotor slots”. IEE Proceedings - Electric Power Applications vol.148(1), pp. 45–50.
69. M. Carbonieri, N. B. and L. A. (2019), “Induction Motor Analysis Using Magnetostatic Finite Element Simulations Considering Skewing”. IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). San Diego. CA. USA pp. 147–153.
70. Maximilian Schrittwieser, Oszkar Br, Ernst Farnleitner, G. K. (2015), “Analysis of Temperature Distribution in the Stator of Large Synchronous Machines Considering Heat Conduction and Heat Convection”. IEEE Trans. on Magnetics vol.51, pp. 1–4.
71. D. A. Howey, P. R. N. Childs, and A. S. H. (2012), “Air-gap convection in rotating electrical machines”. IEEE Trans. Ind. Electron vol.59, pp. 1367– 1375.
72. Hsieh, T. A. H. and M.-F. (2020), “Improvement of Traction Motor Performance for Electric Vehicles Using Conductors With Insulation of High Thermal Conductivity Considering Cooling Methods”. IEEE Transactions on Magnetics vol.57, pp. 1–5.
73. Y. Yoshitake, K. Obata, Y. Enomoto, and Y. O. (2011), “Experiment and Calculation on Insulation / Thermal Characteristics of High Thermal Conductive Motors”. Proc. Inter. Symp. Elec. Insula.
74. Z. A. A. Karima, and A. H. M. Y. (2014), “Cooling System for Electric Motor of an Electric Vehicle Propulsion”. Adv. Mater. Res vol.903, pp. 209–214. 75. Whitaker, S. (2013), “Fundamental Principles of Heat Transfer”. Pergamon
Press.
76. Boglietti, A. và c.s. (2009), “Evolution and modern approaches for thermal analysis of electrical machines”. IEEE Transactions on Industrial Electronics
vol 56 pp. 871–882.
77. A. Boglietti, A. Cavagnino, M. Pastorelli, D. S. and A. V. (2006), “Thermal analysis of induction and synchronous reluctance motors”. IEEE Transactions