Động cơ BLDC nối tải trực tiếp là cánh quạt (quạt trần) có công suất 38W, lưu lượng gió 230 m3/1 phút, 9 cấp tốc độ ứng với dải tần số từ 7,2 Hz đến 25 Hz có thông số yêu cầu thiết kế và thông số lựa chọntrong bảng 4.2.
Bước 1: Xác định mật độ từthông stator - Mật độ từthông khe hở không khí:
𝐵𝑔 = 𝐵𝑟.𝐿𝑚 𝐿𝑠 . ℎ𝑚 1,1𝐿𝑚 ℎ𝑚 1,1𝐿𝑚+ 𝑔 𝐿𝑚 + 𝐿𝑠 2 =26.0,39 8 . 8,25 1,1.26 8,25 1,1.26+ 0,25 8 + 26 2 . 0,95 = 1,21T (4.61)
Do một lượng từ thông móc vòng từ nam châm đến mặt cực stator rồi đến luôn nam châm bên cạnh mà không đi xuống răng stator nên xét hệ số 𝑘𝜙 ≈ 1 là tỷ lệ từ thông đi vào được răng so với tổng từ thông sinh ra
- Mật độ từthông tại stator được xác định theo biểu thức:
Bstator = Bg. πDosα Nr bz = 1,21. 3,14.132.0,7 16 15,6 = 1,4 T (4.62) Bước 2: Lựa chọn các thông số kE, η và k - Chọn hệ sốđiện áp kE = 0,623 - Chọn hiệu suất máy cần đạt được là: η=0,67. - Chọn hệ số tỷ lệ giữa hệ sốđiện áp kEvà hiệu suất η là k= 0,93. Bước 3: Công suất điện của động cơ BLDC.
Pđiện =Pco
η =
38
0,67= 57,142 W (4.63)
Bước 4: Xác định điện áp pha và sức điện động pha - Điện áp pha sẽxác định theo biểu thức:
Uph =Udây √3 = Pđiện 3Iph = 57,142 3.0,26 = 73,3 V (4.64) - Với hệ số kEđã được chọn thì sức điện động cảm ứng là: Eph = kEUph = 0,623.73,3 = 45,65 V (4.65)
Bước 5: Tính toán số vòng dây trên mỗi pha và mỗi cực
- Số vòng dây quấn trên mỗi pha được xác định theo biểu thức:
Tph = Eph 4.44fBg−avgAgkT = 45,65 4,44.25.0,871.8.3,14.13216 . 1,43 = 3258,264 Vòng (4.66)
- Sốvòng dây mỗi cực: Tp = Tph Ns m = 3258,264 12 3 = 815 vòng (4.67) - Chọn 800 vòng/ bối dây.
- Bốtrí dây quấn theo trình tự ABC-ABC-ABC-ABC (hình 4.11).
Hình 4.11. Sơ đồdây quấn động cơ BLDC - 12 rãnh, 16 cực
Bước 6; Xác định hình dạng và kích thước rãnh - Lựa chọn rãnh động cơ có dạng hình thang. - Dòng điện định mức: Iđm = Id = If = 0,26A (4.68) - Chọn mật độdòng điện: 𝐽 = 6 𝐴/𝑚𝑚2 - Tiết diện dây dẫn: Aw =If J = 0,26 6 = 0,0433mm 2 (4.69) - Đường kính dây dẫn: d = √4Aw π = √ 4.0,0433 π = 0,234mm (4.70) - Chọn hệ sốđiền đầy rãnh: 𝑘𝑑𝑑 = 0,3 - Tiết diện rãnh stator:
Kết quảđo các thông sốđộng cơ nước ngoài khi vận hanh 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 hiểu quả của việc nghiên cứu về độ phủ nam châm. Theo đó, động cơ chế tạo thực nghiệm sử dụng độ phủnam châm α = 0,7 có lợi vềmô 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 phủnam 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 dưới dạng bảng trên phần mềm Office Excell. Các kết quảtính toán cơ bản đạt đúng với yêu cầu giả thiết đầu ra.
Xây dựng quy trình thiết kếđộng cơ BLDC rotor ngoài công suất nhỏtrên 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 từthông thấp để giảm khối lượng động cơ khi các giá trịcông 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 phần này sẽđược 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 lệnày được thực hiện theo hình 4.2.
Chiều dày gông rotor có thể được giảm đáng kể bất chấp việc mật độ từthông trên gông rotor ởđiểm 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 giữđược 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.
Đưa ra cơ sở toán học kiểm nghiệm thiết kế động cơ giữa phương pháp giải tích và phương pháp PTHH. Trình bày các bản vẽ thiết kế, chế tạo và 2 mẫu sản phẩm thực nghiệm được đánh giá các chỉtiêu 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 vềĐiều khiển và Tựđộng 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, ISSN 1859 -3585, số 5(56), trang 22-26.
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 quảđạt 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 mômen 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 αchâm để giảm mômen 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.
- Đề xuất thuật toán phù hợp để xác định điểm làm việc của vật liệu thép kỹ thuật điện trong thiết kế động cơ BLDC khi sử dụng nam châm vĩnh cửu mật độ từ dư thấp.
- Đề xuất cơ sởtoán học kiểm nghiệm thiết kế động cơ trên nền ứng dụng sốlà mô hình giải tích và phương pháp PTHH.
- Đưa ra những bản vẽcơ 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 kếđộng 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 kếchung 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 vềảnh hưởng quá trình chuyển mạch đối với tiếng ồn âm thanh.
- Nghiên cứu tác động của vát mép cực từstator 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 Hùng Phi, 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 nghệTrường 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 Motor,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 45, no. 6, pp. 1954–1960.
[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 phốHà 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 sỹTrường 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