L ỜI CẢM ƠN
2.1.3.1. Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế
Thiết kếđộng cơ servo xoay chiều 3 pha, thỏa mãn các yêu cầu sau: - Công suất cực đại 1 HP (750W) trong dải tốc độ [500 : 1000] rpm; - Công suất liên tục 0,5HP (375W);
- Dòng điện cực đại ≤ 3 A; - Điện áp dây cực đại ≤ 380V; - Tốc độ lớn nhất 3500 rpm; - Động cơ làm mát tự nhiên; - Chi phí sản xuất thấp nhất.
2.1.3.2. Xây dựng bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha
Động cơ servo hoạt động cần thời gian đáp ứng nhanh và mômen quá tải lớn. Vì vậy động cơ cần có khối lượng nhỏ và mômen lớn. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu của động cơ ba pha servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc nhôm, tốc độ tối đa 3500 rpm được xây dựng thể hiện nhưlưu đồ thuật toán Hình 2.8:
Trong đó:
- 02 hàm mục tiêu:
+ Tối thiểu hóa khối lượng điện từ động cơ servo
Welectrom =f (D, L, U, f2)
+ Tối đa hóa mômen cực đại của động cơ Tm = f (D, L, U, f2)
- Với các biến thiết kế:
+ D: Đường kính trong của stator D = [40 – 150] (mm)
+ L: Chiều dài lõi sắt L = [30 – 180] (mm) +U: Điện áp dây
U=[70 – 380](V) +f2: Tần số trượt của động cơ
+ Dòng điện cực đại cấp cho động cơ ≤ 3 A. + Mật độ dòng điện cực đại ≤ 9 A/mm2
+ Hệ số lấp đầy rãnh (sản xuất) ≤ 75% + Điện áp dây cực đại ≤ 380 V
Hình 2.8. Lưu đồ thuật toán tối ưu hai mục tiêu SQP kết hợp ɛ-constraint
Trình tự các bước tính toán trong mô hình động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor [44,], [61] thể hiện như Hình 2.9. Vật liệu sử dụng thép M800-50A, dây dẫn
bằng đồng và lồng sóc nhôm. Chi tiết mô hình tính toán thiết kế xem Phụ lục C của luận án.
Hình 2.9. Trình tự các bước thiết kế
Hai mục tiêu mâu thuẫn nhau được chọn: tối đa hóa mômen cực đại và giảm thiểu khối lượng điện từ của động cơ (mạch từ stator/rotor, dây quấn stator bằng đồng và lồng rotor bằng nhôm). Các biến thiết kế thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng và mômen cực đại của động cơ..
Xuất phát từ các yêu cầu thiết kếđộng cơ servo, tiến hành xây dựng mô hình giải tích động cơ servo không đồng bộ 3 pha trong môi trường matlab với các biến thiết kế, ràng buộc và hàm mục tiêu như trên.
Áp dụng thuật toán tối ưu hóa ɛ-constraint chuyển hàm mục tiêu cực đại mômen
Sử dụng thuật toán fmincon (SQP) tích hợp trong matlab để chạy tối ưu (Phụ lục D). Nếu quá trình chạy thuật toán ứng với từng bước nhảy ɛi (Tmi) hội tụ, kết quả tối ưutương ứng đạt được chính là khối lượng cực tiểu (Wi) thỏa mãn các ràng buộc yêu cầu.
Tập hợp các điểm khối lượng – mômen (Wi, Tmi) tạo thành đặc tính phân bổ tối ưu Pareto. Nếu quá trình chạy thuật toán không hội tụ về kết quả tối ưu, tiến hành lựa chọn lại điểm ban đầu và lặp lại quy trình.
Kết quả phân bổ tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu khối lượng và mômen cực đại được biễu diễn ở Hình 2.10.
Hình 2.10. Đặc tính phân bố tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu
Trên đồ thị đặc tính phân bố tối ưu Pareto, điểm (♦) là điểm lựa chọn thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha. Động cơ được chọn có mômen cực đại là 15 N.m với khối lượng điện từ tối thiểu là 9,52 kg.
Các giá trị hàm mục tiêu và các thông số thiết kế chính của động cơ này được trình bày chi tiết trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Kết quả một số thông số chính của thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ
Thông số Đơn vị Thiết kế tối ưu Thiết kế tối ưukhông
Mômen cực đại N.m 15 15,1
Khối lượng phần điện từ kg 9,52 12,4
Khối lượng rotor kg 2,8 3,9
Đường kính ngoài/trong stator mm 140,4 / 83,2 154 / 91,3
Đường kính ngoài/trong rotor mm 82,2 / 17 90,4/18,7
Số rãnh của stator/rotor - 36 / 48 36/48
Số cực - 6 6
Chiều dài mạch từ mm 90,1 99,2
Số vòng dây quấn trong 1 rãnh - 105 94
Điện áp dây đặt vào động cơ servo V 360 380
Mật độ dòng điện stator A/mm2 9 9
Dòng điện stator A 2,99 3
Chiều dày răng stator mm 3,3 3,6
Chiều cao rãnh stator mm 18,1 18
Chiều dày răng rotor mm 3,02 4,9
Chiều cao rãnh rotor mm 8,05 8,7
2.1.3.3. Đặc tính động cơ tối ưu
- Xây dựng các đặc tính chếđộ làm việc cực đại (đường nét đứt ----).
Đặc tính mômen cực đại – tốc độđược biểu diễn như Hình 2.11 là tập hợp các giá trị mômen cực đại tại các điểm tốc độ khác nhau. Tại mỗi điểm tốc độ, mômen cực đại được xác định thông qua việc lựa chọn giá trị điện áp (U) và tần số (f) phù hợp thỏa mãn các ràng buộc vềdòng điện trong dây quấn stator Is≤ 3 A, điện áp dây U≤ 380 V.
- Xây dựng các đặc tính chếđộ làm việc liên tục (đường nét liền ). Chếđộ làm việc liên tục phải được tính toán và lựa chọn đểcho độtăng nhiệt của vật liệu cách điện của động cơ không vượt qua độtăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài. Lựa chọn mật độdòng điện J = 4,5 A/mm2 (Theo
các điểm tốc độ khác nhau. Tập hợp các giá trị mômen tại các điểm, xây dựng được đặc tính mômen – tốc độ của động cơ hoạt động ở chếđộ liên tục như Hình 2.11.
Bảng 2.4. Lựa chọn phương thức làm mát và mật độ dòng điện [62] Phương thức làm mát Tự nhiên Quạt Chất lỏng Mật độdòng điện (A/mm2) 1,5 – 5 1 - 10 10 - 30
Hình 2.11. Đặc tính mômen theo tốc độ của động cơ tối ưu
Dựa vào kết quả các giá trị mômen tại các điểm tốc độ khác nhau, sẽ tính toán được công suất của động cơ tương ứng ở chếđộ làm việc liên tục và ngắn hạn. Tập hợp các giá trị công suất tại các điểm tốc độ khác nhau, xây dựng được đặc tính công suất tại các điểm làm việc ngắn hạn và liên tục như Hình 2.12. Công suất động cơ thỏa mãn yêu cầu đề bài đưa ra.
Hình 2.13, Hình 2.14 là các đặc tính điện áp và dòng điện tại các điểm tốc độ khác nhau, thỏa mãn các ràng buộc vềđiện áp U≤ 380 V, dòng điện Is≤ 3 A.
Trên Hình 2.13, tại các điểm hoạt động ngắn hạn với n < 550 rpm, điện áp tối ưu
U < 380V. Đối với các điểm n ≥ 550 rpm, điện áp U= 380V. Tương tựđối với các điểm hoạt động ở chế độ liên tục, với n < 1000 rpm, điện áp tối ưu U < 380V, n ≥ 1000 rpm, U = 380V.
Hình 2.12. Đặc tính công suất theo tốc độ
Trên Hình 2.14 tại tất cảcác điểm hoạt động đều thỏa mãn ràng buộc dòng điện stator Is≤ 3 A. Tại các điểm làm việc trên đường đặc tính cực đại, khi n≥ 550 rpm, dòng điện stator Is giảm dần.
Hình 2.14. Đặc tính dòng điện stator theo tốc độ
2.2 Mô phỏng phần tử hữu hạn
ANSYS Electronics là phần mềm mô phỏng trường điện từhàng đầu cho các kỹ sư thiết kế và phân tích các thiết bịđiện 3D và 2D, khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải các bài toán trường điện từ. Một trong những ưu thế quan trọng của ANSYS Electronics là quá trình tính toán tựđộng: chỉ cần xác minh hình học, tính chất vật liệu và đầu ra mong muốn. ANSYS tựđộng tạo và chia lưới thích hợp, hiệu quả và chính xác để giải bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEA). [63]. Phần mềm này được thiết kếđặc biệt để mô phỏng trường điện từ [64] chính xác cho phép dựđoán hoạt động của các thiết bịđiện và cơ điện.
Lý thuyết nghiêng rãnh rotor
Từ thông khe hở không khí gây ra bởi dây quấn stator 3 pha mang dòng điện hình sin. Thực chất, dạng sóng có thểđược phân tích dưới dạng chuỗi Fourier tức bằng tổng các sóng sin của tần số bậc 1 (bậc cơ bản) và các bậc sóng hài cao hơn. Do tính đối xứng trong dạng sóng nên các sóng hài bậc chẵn (2,4,6, …) bị loại bỏ trong chuỗi Fourier. Như vậy, sóng không sin sẽ bằng tổng các sóng hài bậc lẻ (3, 5, 7, 9, 11, …) Mômen của sóng hài sẽ làm cho máy bị rung, gây tiếng ồn, tổn hao nhiều hơn cũng như hiệu suất của động cơ thấp hơn [65],[66].
Để có thể triệt tiêu những thành phần của tần số bậc cao này, người ta sẽ sử dụng phương pháp là nghiêng rãnh rotor. Bằng cách này, sóng hài sẽ bị giảm thiểu đáng kể. Tuy nhiên, nghiêng rãnh rotor sẽ làm giảm một lượng suất điện động cảm ứng của tần số cơ bản trong thanh dẫn rotor, làm yếu đi liên kết điện từ giữa dây quấn stator với rotor. Khi làm nghiêng rãnh, thanh dẫn sẽdài hơn so với thanh dẫn thẳng. Do vậy, điện trở thanh dẫn nghiêng sẽ lớn hơn dẫn đến tăng tổn hao, mômen giảm.
Để giảm các dao động mômen, cần phải giảm các sóng hài của sức điện động (EMF). Một giải pháp hữu hiệu là làm nghiêng thanh dẫn rotor [67]. EMF (Hình 2.15) với rotor rãnh nghiêng có thểđược biểu thịnhư sau:
𝑒𝑒𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = 𝐵𝐵𝑚𝑚.𝐿𝐿.𝑣𝑣. 𝑠𝑠𝑖𝑖𝑛𝑛 �𝑣𝑣𝑣𝑣2𝜏𝜏 �ξ 𝑣𝑣𝑣𝑣ξ
2𝜏𝜏
(2.37)
Trong đó: mật độ từ thông (Bm), chiều dài rotor (L), vận tốc tiếp tuyến rotor (v), bước cực (τ), khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối của thanh rotor (ξ).
Hình 2.15. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn rotor [67]
Mô phỏng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh thẳng
các phần tử nhỏ. Các giá trịsau đó được giảđịnh là hàm đơn giản của vị trí bên trong các phần tử này, cho phép nội suy kết quả. FEA có thể tính toán các thông số và đặc tính của động cơ servo, như mật độ từthông, điện cảm, mômen,…. Phương pháp mô hình hóa này có khảnăng mô tảchính xác và đầy đủ vềđộng cơ servo thiết kế.
Tiến hành mô phỏng FEA tương ứng với các giá trị góc nghiêng rotor khác nhau. Kết quảmômen và độ nhấp nhô thu được như trong Bảng 2.5.
Bảng 2.5. Giá trị mômen và độ nhấp nhô theo góc nghiêng rotor
Góc nghiêng (độ) Mômen trung bình (N.m) Độ nhấp nhô (%) 0 15,01 10,66 2,5 14,97 10,29 5 14,85 8,22 7,5 14,66 5,46 10 14,4 4,72 15 13,7 4,38
Hình 2.16 biểu diễn kết quảmômen trung bình và độ nhấp nhô theo góc nghiêng rotor. Dựa vào đồ thị có thể chọn góc nghiêng tối ưu nhất. Tại điểm góc nghiêng 7,50
(tương ứng góc nghiêng 1 rãnh), độ nhấp nhô mômen giảm nhiều trong khi mômen trung bình giảm không đáng kể. Khi tăng góc nghiêng, độ nhấp nhô giảm tiếp tuy nhiên không nhiều. Vì vậy, động cơ được lựa chọn nghiêng 1 rãnh rotor cho thiết kế tối ưu.
Hình 2.17, Hình 2.18 cho thấy mô phỏng FEA 2D của mômen cực đại tại n = 500rpm trong trường hợp rãnh thẳng và rãnh rotor nghiêng. Kết quả mômen trung bình thu được là 14,66 N.m, với 2,98 A, dao động mômen là 0,8 N.m khi rãnh nghiêng (Hình 2.17) so với 15,01 N.m (cùng dòng điện) và dao động mômen cực đại là 1,6 N.m khi rãnh thẳng (Hình 2.18). Dao động mômen giảm 50% với giá trị mômen trung bình giảm chỉ 2,3%.
Hình 2.17. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh nghiêng
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 D òng đi ện (A ) M ô me n ( N .m) Thời gian (ms)
Mô phỏng FEA 2D, mômen tại 500 rpm Mômen Ia Ib Ic -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 D òng đi ện (A ) M ô me n ( N .m) Thời gian (ms)
Mô phỏng FEA 2D, mômen tại 500 rpm Mômen Ia Ib Ic
Tương tự, khi so sánh kết quả mô phỏng FEA 2D của mômen tại n = 3500rpm. Kết quả mômen trung bình thu được là 0,4 N.m, dao động mômen 0,056 N.m khi rãnh nghiêng (Hình 2.19) so với 0,43 N.m (cùng dòng điện) và dao động mômen cực đại là 0,125 N.m khi rãnh thẳng (Hình 2.20). Dao động mômen giảm 55% với giá trị mômen trung bình giảm 7%.
Hình 2.19. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 3500 rpm, rotor rãnh nghiêng
Tiến hành mô phỏng FEA tại một sốđiểm hoạt động (tốc độ) khác nhau. So sánh với thiết kế tối ưu, kết quảđược thể hiện như trong Hình 2.21. Các kết quả mô phỏng FEA ở chếđộ cực đại và liên tục khi so sánh với kết quả thiết kế tối ưu, sai số nhỏ hơn 10%.
Hình 2.21. So sánh mô phỏng FEA và thiết kế tối ưu
2.3 Kết luận chương 2
Nội dung chương 2đã 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 kếmáy điện “truyền thống”. Dựa trên phân bổ 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. 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. Một
động tối ưu của chếđộ làm việc liên tục và chếđộ cực đại. Thiết kế rotor rãnh nghiêng được so sánh với rotor rãnh thẳng nhờ phân tích mô phỏng FEA. Góc nghiêng tối ưu lựa chọn cho thiết kế động cơ là 7,50C (tương ứng góc nghiêng 1 rãnh). Mô phỏng FEA tại một số điểm hoạt động khác nhau (tốc độ khác nhau) để kiểm nghiệm mô hình thiết kế tối ưu. Kết quả sai số giữa hai mô hình thấp hơn 10%. Các kết quả chương 2 được công bố trong bài báo số [3], [6].
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO
3.1 Phân tích nhiệt trong động cơ
Đặt vấn đề
Khi động cơ làm việc sẽ sinh ra tổn hao, biến thành nhiệt năng và làm nóng các bộ phận của động cơ, làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ cách điện. Tổn hao càng lớn thì hiệu suất động cơ càng thấp. Khi trạng thái nhiệt trong động cơổn định thì toàn bộ nhiệt lượng thoát ra môi trường xung quanh nhờ sự chênh lệch nhiệt giữa các bộ phận của động cơvà môi trường bên ngoài.
Tổn hao trong động cơ không đồng bộ gồm các loại sau: - Tổn hao đồng trên dây quấn stator pCu
- Tổn hao đồng trên thanh dẫn rotor pAl
- Tổn hao sắt trong stator và rotor do từ trễ và dòng điện xoáy của từ trường chính sinh ra trong lõi sắt pFe.
- Tổn hao cơ do ma sát, quạt gió pmv. - Tổn hao phụ pstray.
Tản nhiệt trong động cơ thông qua hai hình thức: truyền nhiệt trong vật rắn và tản nhiệt nhờ bức xạ, đối lưu [70],[71]. Giải quyết bài toán tản nhiệt cho động cơ là vấn đề quan trọng khi thiết kế. Quá trình tính toán nhiệt liên quan chặt chẽđến việc làm nguội và xác định độtăng nhiệt θ cho phép giữa dây quấn động cơvà môi trường bên ngoài.
Vật liệu cách điện là một trong những vật liệu chủ yếu dùng trong ngành chế tạo máy điên. Khi thiết kế, lựa chọn vật liệu cách điện là một khâu rất quan trọng vì phải đảm bảo máy làm việc tốt với tuổi thọ nhất định, đồng thời giá thành của máy lại không cao [72]–[74].
Khi chọn vật liệu cách điện cần chú ý đến những vấn đề sau:
- Vật liệu cách điện phải có độ bền cao, chịu tác dụng cơ học tốt, chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt lại ít thấm nước.
- Phải chọn vật liệu cách điện có tính cách điện cao đểđảm bảo thời gian làm