Thông số Ký hiệu Khoảng giá trị Bước khảo sát Đơn vị
Số thanh dẫn TS 1600 - 2000 50 -
Khi cấp nguồn điện xoay chiều ba pha cho động cơ. Do sự đảo chiều liên tục của dòng điện dẫn đến sự đảo chiều liên tục của Fs ở biểu thức (2.52). Nên trong động cơ luôn tồn tại phản ứng phần ứng trợ từ và khử từ.
Sử dụng công cụ phần mềm Ansys Maxwell để mô phỏng thông số động cơ BLDC, có thể quan sát ảnh hưởng khi thay đổi Ts đến thông số Bm.
Hình 2.20.Mật độ từthông tại điểm làm việc nam châm theo thông số khảo sát bảng 2.3 (---: Bỏ qua phản ứng phần ứng; —: Có xét đến phản ứng phần ứng khử từ)
Khi chưa xét đến phản ứng phần ứng thì mật độ từ thông đạt giá trị cao. Với nam châm có chiều dày càng lớn thì giá trị này càng tiến gần đến (Br =0,39 T). Điều này hoàn toàn phù hợp với biểu thức (2.54).
Hình 2.21. Mật độ từthông tại điểm làm việc tương ứng thông số khảo sát tại bảng 2.3
(xét đến phản ứng phần ứng khử từ)
Khi xét đến phản ứng phần ứng khử từ thì mật độ từ thông lúc này sẽ giảm xuống. Mức độ suy giảm mạnh mẽ khi số lượng thanh dẫn tăng. Điều này phù hợp với biểu thức (2.55).
Hình 2.22. Mật độ từthông tại điểm làm việc nam châm theo thông số khảo sát bảng 2.3. (---: Bỏ qua phản ứng phần ứng; —: Có xét đến phản ứng phần ứng trợ từ)
Hình 2.23. Mật độ từthông tại điểm làm việc tương ứng thông số khảo sát tại bảng 2.3
(xét đến phản ứng trợ từ)
Khi xét đến phản ứng phần ứng trợ từ thì mật độ từ thông lúc này sẽ tăng lên. Mức độ gia tăng mạnh mẽ khi số lượng thanh dẫn tăng. Điều này phù hợp với biểu thức (2.53).
Hình 2.24. Đặc tính dòng điện và mô men khởi động theo thông số khảo sát bảng 2.3.
Kết quả trong hình 2.24 cho ta thấy dòng điện khởi động và mô men khởi động giảm dần theo chiều tăng của số thanh dẫn.
Việc lựa chọn số thanh dẫn sẽ được ràng buộc tương ứng với nhiệt độ phát nóng và công suất của động cơ. Với ưu tiên hạn chế nguy cơ bị khử từ hoàn toàn của nam châm ta sẽ chọn số thanh dẫn/rãnh là Ts=1600. Kết quả mô phỏng tại hình (2.25- 2.27) sẽ kiểm chứng thông số này.
Hình 2.25. Mật độ từthông tại điểm làm việc nam châm ở chếđộxác lập. (---: Bỏ qua phản ứng phần ứng; —: Có xét đến phản ứng phần ứng)
Hình 2.26. Phân bố mật độ từthông tại điểm làm việc nam châm ở chếđộxác lập.
Hình 2.27. Mật độ từthông tại điểm làm việc nam châm ở chếđộquá độ. (---: Bỏ qua phản ứng phần ứng; —: Có xét đến phản ứng phần ứng)
Kết quả mô phỏng sự khử từ, trợ từ ở hai chế độ quá độ và xác lập cho thấy rằng độ suy giảm và gia tăng từ thông không đáng ngại đến mức nam châm bị khử từ hoàn toàn. Do vậy, cấu trúc động cơ thiết kế có thể chấp nhận được.
2.5. Kết luận
Nội dung chương 2 đã giới thiệu mô hình toán khi xét tới ảnh hưởng của sự dịch chuyển cực từ đi qua miệng rãnh động cơ BLDC rotor ngoài để làm cơ sở nghiên cứu giảm mô men đập mạch. Từ đây tác giả xây dựng mô hình mạch từ tương đương cho đối tượng nghiên cứu để xem xét ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng như: Chiều rộng miệng rãnh, độ phủ nam châm, từ trường điểm làm việc nam châm, gông rotor, khe hở không khí. Cách tiếp cận mô hình mạch từ tương đương có thể được thực hiện dễ dàng và đạt được độ chính xác. Tính toán giải tích mạch từ tương đương so sánh với mô phỏng FEM đạt kết quả sai số trong phạm vi cho phép.
Tác giả xây dựng mạch từ tương đương đại diện ¼ động cơ BLDC rotor ngoài 12 rãnh – 16 cực. Thành lập sơ đồ tương đương khi chưa xét đến phản ứng phần ứng để xác định từ trường tại điểm làm việc nam châm và xây dựng công thức tính từ trường ở gông rotor. Xét sự ảnh hưởng của từ trường gông rotor đến tổn hao của máy, điểm làm việc nam châm. Mô phỏng và phân tích kết quả từ trường tại điểm làm việc nam châm với những độ phủ nam châm khác nhau. Đề xuất biểu thức tính từ thông điểm làm việc, từ trường nam châm và từ trường tại khe hở không khí trong trường hợp không xét đến phản ứng phần ứng.
Xây dựng mô hình mạch từ tương đương khi xét đến phản ứng phần ứng để xác định từ trường tại điểm làm việc nam châm với trường hợp khử từ và trợ từ trong quá trình quá độ. Nội dung nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của dây quấn đến phản ứng phần ứng trợ từ, khử từ thông qua hàm liên hệ giữa từ thông tại điểm làm việc nam châm với số thanh dẫn dưới một cực stator và vật liệu thép kỹ thuật điện:
ɸm(Ts, ℜ). Đây là cơ sở để giảm mô men đập mạch khi căn cứ vào lựa chọn điểm làm việc của nam châm.
Các kết quả mô phỏng đưa ra giá trị phù hợp với các công thức giải tích đã dẫn dắt. Theo đó, mức độ ảnh hưởng của phản ứng phần ứng trợ từ và khử từ sẽ làm cho mật độ từ thông tại điểm làm việc nam châm gia tăng và suy giảm tương ứng. Ảnh hưởng này tỷ lệ thuận với số vòng dây quấn và rất đáng kể trong quá trình khởi động máy (do dòng điện khởi động cao).
Kết quả nghiên cứu trong chương 2 đã được tác giả và cộng sự công bố qua 1 công trình “Phân tích ảnh hưởng giữa dây quấn stator và mật độ từthông đến điểm
làm việc của nam châm trong quá trình quá độ” đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội, ISSN 1859 -3585, số 1(57), trang 23-28.
Chương 3: MÔ MEN ĐẬP MẠCH (COGGING TORQUE) TRONG ĐỘNG CƠ BLDC
3.1. Mô men đập mạch
Hoạt động cơ bản của động cơ điện dựa vào sự tương tác giữa nam châm vĩnh cửu rotor và năng lượng được cung cấp bởi các cuộn dây phía stator. Nhưng ngay cả khi động cơ không được cấp điện và không có dòng điện chạy trong các cuộn dây thì vẫn có lực hút từ trường giữa nam châm vĩnh cửu và răng sắt từ. Lực hút từ trường này thay đổi tùy thuộc vào mật độ từ thông hoặc cường độ từ trường, sự biến đổi này tạo ra mô men xoắn không đồng đều, được gọi là “mô men đập mạch – cogging torque” hoặc “gợn mô men – torque ripple”.
Mô men đập mạch là sản phẩm của tương tác từ trường giữa nam châm vĩnh cửu với răng stator. Nói cách khác, khi cực từ rotor thẳng hàng với răng stator tạo ra một lực hút và để phá vỡ lực hút tương tác này thì cần một lực đủ lớn gọi là mô men đập mạch. Nó là thành phần chu vi lực hấp dẫn cố gắng duy trì sự liên kết giữa răng stator và nam châm vĩnh cửu. Hình 3.1 hiển thị hai vị trí của nam châm vĩnh cửu liên quan đến ba răng stator. Nam châm vĩnh cửu trong hình 3.1 đại diện cho một cực của máy điện đa cực.
(a) Thành phần mô men đập mạch bằng 0
(b) Thành phần mô men đập mạch lớn hơn 0
Hình 3.1.Vịtrí tương đối giữa nam châm và răngstator sinh mômen đập mạch
Trong hình 3.1a, nam châm vĩnh cửu được căn chỉnh thẳng hàng với số lượng răng stator. Ở vị trí này, các thành phần theo chu vi của lực sinh ra bởi từ thông đi vào răng stator sẽ bị loại bỏ, do đó không có thành phần mô men đập mạch được tạo ra. Đối với hình 3.1b, rotor đã được quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Tại vị trí này, từ thông ở mép trước của nam châm vĩnh cửu tạo ra một thành phần lực theo chu vi không bị loại bỏ, do đó, tồn tại một giá trị của mô men đập mạch. Trong trường hợp này, mô men đập mạch cố gắng đưa nam châm vĩnh cửu trở lại vị trí ban đầu như hiển thị trong hình 3.1a
Mô men đập mạch phụ thuộc vào vị trí của răng stator so với nam châm vĩnh cửu, vì nam châm liên tục tìm kiếm vị trí có từ trở nhỏ nhất. Hình dạng mô men đập mạch trong động cơ phụ thuộc vào số lượng nam châm vĩnh cửu và số răng stator. Mô men đập mạch có thể được giảm thiểu thông qua các phương tiện cơ học bằng cách tối ưu hóa số cực từ và răng, hoặc bằng cách nghiêng hay tạo hình các nam châm vĩnh cửu để làm sự chuyển đổi giữa chúng với răng stator một cách từ từ.
Mô men đập mạch sinh ra trong động cơ nam châm vĩnh cửu, bao gồm động cơ DC có chổi than, không chổi than và động cơ AC đồng bộ. Bởi vì nó xảy ra trong một động cơ không được cung cấp năng lượng, nên đôi khi được gọi là "mô men hở mạch."
Mặc dù BLDC được đánh giá là động cơ có hiệu suất cao, tuy nhiên trong động cơ luôn tồn tại thành phần mô men đập mạch là một trong những nguồn gây ra rung động, tiếng ồn ảnh hưởng đến hiệu suất đầu ra và gây ra sự cố khi khởi động. Đây là vấn đề quan trọng đặt ra đối với thiết kế động cơ BLDC sử dụng cho quạt trần.
Như vậy có thể thấy rằng dạng sóng mô men đập mạch phụ thuộc vào các thông số sau: Chiều dày nam châm, chiều dài khe hở không khí và chiều rộng miệng rãnh. Trong chương này luận án sẽ trình bày một cách tiếp cận mới để giảm thành phần mô men đập mạch dựa trên sự hiểu biết về mô hình mạch từ tương đương, tính toán giải tích và phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell.
3.2. Cơ sở hình thành mô men đập mạch
Động cơ BLDC được mô hình hóa bởi 2 thành phần tương tác lẫn nhau là: nam châm và cuộn dây. Năng lượng trong đó được sinh ra bởi 3 yếu tố: năng lượng tự cảm cuộn dây, năng lượng nam châm, năng lượng hỗ cảm giữa cuộn dây và nam châm. Và mô men điện từ được sinh ra nhờ sự biến thiến năng lượng theo vị trí góc rotor. Wc =1 2Li 2+1 2∑ ℜ ϕg2+1 2Mi 2 (3.1) T =∂Wc ∂θ = 1 2i 2∂L ∂θ+ 1 2∑ ℜ ∂ ∂θϕg 2+1 2i 2∂M ∂θ (3.2)
Mô men đập mạch phát sinh có thể được tính toán bằng cách đưa dòng điện i=0 trong biểu thức (3.2). Tcogging =∂Wc ∂θ i=0 = 1 2∑ ℜ ∂ ∂θi=0ϕg 2 (3.3)
Các giai đoạn của chu kỳ mô men đập mạch được thể hiện trong hình 3.2. Để đơn giản hóa việc thảo luận về chu kỳ mô men đập mạch, ta sử dụng một stator 4 cực lồi và rotor là một thanh nam châm.
(a)Vị trí cân bằng không ổn định.
(b)Vị trí mô men đập mạch đạt đỉnh
(d)Vị trí cân bằng không ổn định
Hình 3.2. Các giai đoạn điển hình của chu kỳmô men đập mạch
Khi nam châm dịch chuyển, mô men đập mạch được tạo ra ở vị trí bất lợi mà nam châm không thẳng hàng với cực từ stator. Vị trí lệch nam châm vào giữa hai cực từ stator là vị trí mà kết quả mô men đập mạch bằng không.
Mô men đập mạch được tạo ra để cố gắng căn chỉnh rotor ở một vị trí ổn định. Nghĩa là ở vị trí mà từ trở trong khe hở không khí nhỏ nhất.
Khi nam châm quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ giữa điểm a và d (hình 3.2d) mô men đập mạch tạo ra bởi từ thông sẽ cố gắng căn chỉnh rotor ở vị trí c. Mô men đập mạch dương được tạo ra khi từ thông cố gắng “kéo” rotor theo hướng chuyển động. Tương tự như vậy, mô men đập mạch âm được tạo ra khi từ thông cố gắng kéo rotor ngược với hướng chuyển động của nó. Do đó, khi nam châm quay từ điểm a đến điểm d theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, một dạng sóng mô men đập mạch hình sin được tạo ra.
Chu kì của mô men đập mạch phụ thuộc vào cấu trúc hình học của máy. Cụ thể là số cực rotor (số nam châm gắn trên rotor) và số rãnh stator.
βcogging−period = 360°
BCNN(Ns, Nr) (3.4) Để nghiên cứu ảnh hưởng của mô men đập mạch đến biên dạng mô men điện từ thì ta cần xem xét mối quan hệ giữa mô men đập mạch với các thông số thiết kế.
Từ thông dưới một bước cực gồm hai phần, một phần đi trực tiếp giữa stator và rotor qua khe hở không khí (Pc) và một phần kéo dài qua miệng rãnh hở (Pa,b) như trong hình 1.25a (mục 1.4.1.4-chương 1). Khi động cơ làm việc, do cấu trúc của rãnh không phải là rãnh thẳng, các đường sức từ sẽ phân bố sao cho đạt được đường đi ngắn nhất. Điều này sẽ dẫn tới sự bão hòa một phần mũ răng (hình 3.3)
Hình 3.3.Từtrường tản trong rãnh và giản đồđường đi từthông
Như vậy từ biểu thức (3.3) để khảo sát được mô men đập mạch trong máy, tác giả thực hiện khảo sát từ thông khe hở không khí.
3.3. Ảnh hưởng của chiều rộng miệng rãnh
Sử dụng công cụ phần mềm Ansys Maxwell để mô phỏng động cơ BLDC rotor ngoài (Thông số động cơ được thể hiện ở phần phụ lục 3) với hai thông số khảo sát: chiều rộng miệng rãnh bs0và độ phủ nam châm α theo bảng 3.1