4.3.1. RMxprt
RMxprt là công cụ cho phép nhập nhanh thông số để có cái nhìn tổng thể về động cơ thiế ế. Bên cạnh đó, công cụ này cho phép xuất k t ra một số kết quả đặc tính động cơ. Tuy nhiên, các kết quả này có độ tin cậy không cao. Dó đó, để đánh giá chính xác hơn, ta cần thực hiện kiểm nghiệm bằng công cụ Maxerll 2D sẽ được trình bày ở ụ m c dưới.
Hình 4.14. Động cơ BLDC thiết kếtrên môi trường RMxprt
Bên cạnh các thông số hình học động cơ, thì thông số vật liệu thép kỹ thuật điện cũng rất quan trọng (Tra số liệu theo hình 4.33, 4.34). Thông tin này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của mô phỏng.
4.3.2. Maxwell
Sau khi làm việc trên nền t ng RMxprt, ta xuả ất toàn bộ thông tin về động cơ sang môi trường Maxwell 2D để thực hiện phân tích bằng phương pháp PTHH cho kết quả chính xác hơn.
Hình 4.15. Động cơ BLDC thiết kếtrên môi trường Maxwell 2D
Do động cơ sử dụng với tải quạt gió (quạt trần) nên phương trình tải nhập vào trong môi trường Maxwell 2D có dạng.
(4.86)
115 UA= 105 sin (2πft) UB= 105 sin (2πft −2π3 ) UC= 105 sin (2πft −4π3 )
(4.87)
Quá trình tăng tần số từ 0 Hz lên đến 25 Hz được thực hiện theo hàm if (time < 0,4,time0,4 . 25 25, ) (4.88) 4.3.3. Kiểm nghi m kệ ết qu tả ối ưu đường kính ngoài rotor
Các số ệu mô phỏng được đượ li c thực hiện trong phụ lục A4 Trong . đó thiết kế chiều dài tác dụng stator L = 8mm nhs ỏ hơn nhiều so với chiều dài nam châm Lm = 26mm. Thông số này sẽ được giải thích ở phía dưới.
Từ những phân tích ở chương 2, ta l a ch n d i khự ọ ả ảo sát thông số đường kính ngoài rotor D như bảor ng (4.3). Việc thay đổi Dorthì chiều dày gông rotor wyr, mật độ từ thông tại gông rotor 𝐵𝑦𝑟thay đổ ẫn đếi d n từ trở gông rotor ℜ 𝑦𝑟sẽ thay đổi và mật độ t ừ thông tại khe hở không khí cũng sẽ thay đổi.
Bảng 4.3.Số liệu khảo sát đường kính ngoài rotor Dorđể thiết kếđiểm làm việc v t li u ậ ệ thép kỹ thuật điện
Thông số Ký hiệu Khoảng giá trị Bước khảo sát Đơn vị Đường kính ngoài rotor Dor 151-155 1 mm
Sử dụng phương pháp PTHH để có được kết qu ả mô phỏng c ụthể như sau:
Hình 4.17. Mật độ từthông tại gông rotor theo Dor
Với Dortăng dần từ 151 mm đến 156 mm thì mật độ từ thông trên gông giảm dần. Các giá trị 154, 155, 156 trên hình 4.16 chỉ ra điểm làm việc là 1,4T 1,2T, 1T tương ứng, đều nằm trong vùng tuyến tính của vật liệu thép rotor được đo thực nghiệm (hình 4.33).
Các giá trị 151, 152, 153 trên hình 4.17 chỉ ra mật độ từ thông nằm trong vùng phi tuyến, bão hòa. Điều này dẫn đến độ ừ thẩm thép rotor giảm đáng kể theo hình t 4.33, k t h p vế ợ ới chiề dày gông wu yr nh dỏ ẫn đến từ trở gông rotor ℜ𝑦𝑟tăng dần theo thứ t 153, 152, 151. ự
Kết qu trong ả hình 4.16 chỉ ra mật độ ừ thông tạ t i khe hở không khí tương ứng với các giá trị Dor. Với các điểm trong vùng tuyến tính 154, 155, 156, mật độ ừ t thông gần như không bị suy giảm, nghĩa là giá trịℜ𝑦𝑟coi như bằng không. Các điểm 153, 152, 151 nằm trong vùng phi tuyến, bão hòa nên mật độ ừ t thông bị suy giảm tương ứng. Nghĩa là giá trị ℜ𝑦𝑟 tăng dần theo thứ tự 153, 152, 151.
Với nam châm có mật độ từ dư nhỏ Br=0,39 T mà mật độ từ thông tại khe hở không khí vẫn tăng lên từ 1,15 T – 1,2 T. Đây chính là cơ sở cho việc giảm chiều dài tác dụng stator xuống. Lúc này, mật độ từ thông trên răng stator theo (4.17) cũng sẽ có giá trị cao hơn nhiều so với từ dư nam châm. Điều này là phù hợp để tránh lãng phí vật liệu thép stator.
Hình 4.18. Mật độ từthông tại răng stator theo Dor
117
kích thước stator. Về phần gông rotor, ta có thể chọn đường kính ngoài Dor=152mm. Kích thước này sẽ giúp ta chỉ phải thiết kế một vành rotor có chiều dày từ w =2,5-yr 3 mm để giữ nam châm. Mặc dù điều này khiến rotor dễ bị bão hòa. Nhưng do động cơ BLDC có ổn hao trên rotor bằng 0, trong khi điểm làm việ t c của nam châm vẫn đủ ớn để không bị l khử từ hoàn toàn. Nên không cần thiết phải tăng kích thước Dor, sẽ làm tiêu tốn vật liệu và tăng chi phí sản phẩm.
Kết quả chế t o th c nghi m vạ ự ệ ới Lm= 26mmvà Ls= 8mm được mô tả như hình 4.19.
Hình 4.19. Kích thước mạch từstator được chế tạo theo thông sốở phụ lục A4
4.3.4. K t qu ế ả mô phỏng thiết kế
Thực hi n mệ ô phỏng thi t kế ế động cơ BLDC với các thông số đã được tính toán bằng phương pháp giải tích. Số liệu được thực hi n trong ph l c A5. ệ ụ ụ
4.2.4.1 Kết quả mô phỏng động cơ khi cực từ stator chưa được vát mép.
Hình 4.20. Đặc tính mô men và ốc độ động cơt BLDC được thiết kếtương ứng với
giá trị 187,5 rpm
Kết quả mô phỏng cho thấy động cơ làm việc ổn định với mô men được xác định công thức 4.86. ở
Hình 4.21. Đặc tính dòng điện, điện áp động cơ thiết kếtương ứng với tốc độ 187,5 rpm
Hình 4.22. Đặc tính công suất cơ, công suất điện, hiệu suất động cơ tương ứng với tốc độ 187,5 rpm
Hình 4.23. Mật độ từthông tại khe hởkhông khí tương ứng với tốc độ 187,5 rpm tại thời điểm t=0s và t=0,7s
Ảnh hưởng của phản ứng phần ứng trong quá trình vận hành động cơ không gây nên nguy cơ khử từ hoàn toàn nam châm. Do đó thiết kế đề xuất có thể chấp nhận được.
119
Hình 4.24. Mật độ từthông trên động cơ BLDC tương ứng với tốc độ 187,5 rpm 4.2.4.2. Kết quả mô phỏng động cơ sau khi cực từ stator được vát mép
(a) (b)
Hình 4.25. Cấu trúc cực từđộng cơ BLDC: (a) cực từnguyên bản; (b) cực từđược vát mép
Hình 4.27. Đặc tính dòng điện, điện áp động cơ thiết kế với tốc độ 187,5 rpm
Hình 4.28. Đặc tính công suất cơ, công suất điện, hiệu suất động cơ với tốc độ 187,5 rpm
Hình 4.29. Mật độ ừ thông tạ t i khe h ở không khí với tốc độ 187,5 rpm t i thạ ời điểm t=0s
và t=0,7s
4.3.5. Đánh giá kết quả mô phỏng
Động cơ thiết kế đạt được công suấ ốc độ, mô men đềt, t ra. Cụ thể so sánh giữa mô phỏng và tính toán được thể hiện trong bảng 4.4
121
Bảng 4.4.So sánh kết quảtính toán và mô phỏng
Thông số Đơn vị Tính toán giải tích Mô phỏng
Bg T 1,21 1,17 If A 0,26 0,253 Rf Ω 88,528 76.9 Laa H 0,397 0,37 Lslot H 0,12 0,035 Lend H 0,023 % η 66 70 cosφ Chọn 1.0 0,98 kE Chọn 0,565 -
Việc vát mép cực từ stator sẽ giúp từ trường t i khe hạ ở không khí gần sine hơn. Qua đó sẽ giúp giảm mô men đập mạch. Hướng tiếp cận này chưa được phân tích trong ph m vi luạ ận văn, nhưng sẽ là tiền đề cho các phát triển đề tài tiếp theo. Điều này được thể hiện rõ ở hình 4.30
Hình 4.30. So sánh đặc tính mô men, dòng điệ trước và sau khi vát mép n cực stator
4.4. Thực nghiệm
Để chứng minh tính đúng đắn của thuật toán thiết kế (mục 4.1.3), kết quả tính toán (mục 4.2) cũng như mô hình liên kết mạch điện-từ trường (chương ), tác giả2 tiến hành chế ạo và lấy các đặc tính thự t c nghiệm từ đó so sánh vớ ếi k t quả tính toán
lý thuyết. Mục đích chính của nghiên cứu thử nghiệm dưới đây là chứng minh tính đúng đắn giữa mô hình thiế ết k và mô phỏng.
Phần thứ nh t cấ ủa việc thực nghiệm là xác định đặc tính B-H c a v t liủ ậ ệu dùng để chế tạo thép stator và việc tạo rãnhstator để ồng dây quấ l n sẽ được thực hiện trên máy cắt dây CNC. Đối với cực từ nam châm vĩnh cửu tác giả s dụng sản phẩm ử thương mạ ới kích thướ theo đúng thiếi v c t kế đặt tại nơi sản xuất có tem kiểm định chất lượng (Nam châm Đại Việt). Phần gông rotor s dử ụng thép khối C45, gia công bằng máy tiện vạn năng.
Phần hai tác giả đề cập đến các kết quả thu được giữa giá trị thực tế đo được với giá trị mô phỏng và lý thuyết thiết kế.
4.4.1. Đặc tính B-H thép kĩ thuật điện Posco 1300 chế ạ t o mạch từ stator
Đặc tính B-H của vật liệu chế tạo lõi thép stator có ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của bài toán mô phỏng. Sau khi chế tạo hình dạng lõi thép stator sẽ tiến hành cắt toàn bộ răng và rãnh của stator, tạo thành kết cấu dạng trụ khép kín (hình 4.31) mục đích là để ảm ảnh hưở gi ng của răng và rãnh stator trong quá trình đo đặc tính B-H.
Trên lõi sắt này tạo hai dây quấn (một sơ cấp và một thứ cấp), dây quấn tương tự như biến áp lõi hình xuyến [20]. Cuộn sơ cấp được nối với một biến áp tự ngẫu 1 pha có nguồn cấp với tần số cố định 50 Hz, nhằm mục đích thay đổi điện áp sơ cấp U1, dẫn đến thay đổi dòng điện sơ cấp I . Cu n th c1 ộ ứ ấp để ở ạch và dùng volt kế h m để đo điện áp thứ cấp cảm ứng U . T2 ại từng thời điểm ghi lại các giá trị U , I , U 1 1 2
tương ứng.
Hình 4.31. Sơ đồ nguyên lý đo đặc tính B H thép - Posco 1300 [20]
Cường độ từ trường H và mật độ từ thông B được xác định qua các biểu thức sau:
123 H =wImag1I1
(4.89)
B =√2πfwu2 2S (4.90)
Để đảm bảo đo được đến điểm bảo hòa, tính toán tại điểm cực đại H=2500A/m, B=1,65T. Kích thước mạch từ được xác định theo bảng 4.5.
Bảng 4.5. Thông số ạch đo đặc tính B H thép Posco 1300 m -
Thông số Din Dout Lmag S W1 W2 U2 I1
Giá trị 100 mm 150 mm 393 mm 200 mm2 200 vòng 200 vòng 20,69 V 5,1 A Quá trình đo được thực hiện tại phòng thí nghiệm máy điện 106 nhà C1 trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
Kết quả đo đặ tính Bc -H theo bảng sau:
Bảng 4.6.Thông số B-H theo số lần đo
Sốđiểm đo I1 (A) U2 (V) B(T) H(A/m)
1 0,75 12,28 0,924 314,219 2 0,755 12,975 0,976 343,494 3 0,75 15,43 1,161 341,219 4 0,75 17,69 1,331 341,219 5 0,75 19,29 1,452 341,219 6 0,735 19,745 1,486 334,395 7 0,71 20,185 1,519 323,021 8 0,665 20,77 1,563 302,548 9 0,655 21,03 1,583 297,998 10 0,64 21,24 1,599 291,174 11 0,64 21,53 1,620 291,174 12 0,625 21,525 1,620 284,349 13 0,615 21,695 1,633 279,8 14 0,6 21,685 1,632 272,975 15 0,61 21,855 1,645 277,525 16 0,6 21,91 1,649 272,975 17 0,595 21,85 1,645 270,701 18 0,59 21,74 1,636 268,426 19 0,575 21,51 1,619 261,601 20 0,575 21,27 1,601 261,601 21 0,575 20,905 1,573 261,601 22 0,61 20,685 1,557 277,525 23 0,625 19,21 1,446 284,349 24 0,655 18,145 1,366 297,998 25 0,685 15,87 1,194 311,647 26 0,775 15,4 1,159 352,593
125
Hình 4.33. Đặc tính B H và độ- từ thẩm tương đố ủa thép C45i c
Hình 4.34. Đặc tính B H và độ- từ thẩm tương đố ủa thép Poscoi c 1300
Kết quả đo mật độ t ừ thông nam châm chế ạ t o cực từtheo bảng sau:
Bảng 4.7.Thông số ật độ m từthông của nam châm Ferrite
Loại S STT Giá trị (mT) Loại N STT Giá trị (mT) Mặt lớn Mặt bé Mặt lớn Mặt bé 1 104,3 91,5 1 105,2 91,2 2 104,8 90,2 2 103,4 91,3 3 102,8 90,2 3 104,2 91,9 4 104,3 91,1 4 103,9 90,5 5 103,7 91,7 5 103,2 90,3 6 103,7 90,4 6 103,7 90,1 7 103,1 90,5 7 102,8 91,4 8 105,4 90,5 8 103,7 90,3
4.4.2. Ch tế ạo 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 cứ lý thuyết đã đượu c chế tạo thành công với các kích thước tương ứng với kết quả tính toán giải tích và mô ph ngỏ :
Hình 4.35. Chế t o m ch t ạ ạ ừ stator và dây quấn
Hình 4.36. Chế t o ạ gông ừ t rotor và gắn nam châm hình thành rotor
Hình 4.37. Lắp ráp hoàn thiện động cơ BLDC rotor ngoài 12 rãnh, 16 cự - c
Động cơ nguyên mẫu với độ phủ nam châm α=1 (hình 4.38) và động cơ được chế tạo th nghi m vử ệ ới độ phủ nam châm α=0,7 (hình 4.39) đều được điều khi n b ng ể ằ phương pháp FOC (Field Orientation Control) cho tải quạt. Dải tốc độđiều khiển của hai động cơ đều đảm bảo t 54 ừ rpm đến 187,5 rpm.
127
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 số sau khi chế tạo động cơ BLDC ới độ v 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 hanh theo b ng sau: ả
Bảng 4.9.Thông số động 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 nghi m v i k t qu bệ ớ ế ả ảng 4.9 thông số động cơ thương mại Benny do Thái lan sản xu t. Mấ ột l n n a th hi n s hi u qu cầ ữ ể ệ ự ể ả ủa 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 ki m v t li u ch t o, song vệ ậ ệ ế ạ ẫn đảm bảo phát huy công suất tương tự với động cơ Benny sử dụng độ phủ nam châm α 1,0. =
129
4.5. Kết lu n ậ
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 thi t k ế ế và thông số lựa chọn. Việc tính toán được tiến hành dưới dạng bảng trên phần mềm Office Excell. Các kết quả tính toán cơ bản đạt đúng v i yêu cớ ầu giả thiế ầt đ u 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 kỹthuật điện chế tạo stator, gông rotor với nam châm vĩnh cửu mật độ ừ thông thấ để ả t p gi m 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 b phộ ần này sẽ được khảo sát, thiết kế.
Việc ràng buộc v t li u ậ ệ nam châm ban đầu có mật độ ừ t dư thấp (Ferrite có Br=0,39 T) trong khi điểm làm việc c a v t liủ ậ ệu thép stator cao hơn nhiều. Phương