Qua các phân tích trên, ta thấy được tỷ lệ chiều dài nam châm Lm= 26mm so với Ls= 8mmlà hợp lý trong việc vừa tối ưu điểm làm việc vật liệu và giảm được
kích thước stator. Về phần gông rotor, ta có thể chọn đường kính ngoài
Dor=152mm. Kích thước này sẽgiúp ta chỉ phải thiết kế một vành rotor có chiều
dày từ w =2,5-yr 3 mm để giữnam châm. Mặc dù điều này khiến rotor dễ bịbão 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 từhoàn toàn. Nên không cần thiết phải tăng kích thước Dor, sẽlàm 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= 8mmđược mô tảnhư 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 ếđộng cơ BLDC với các thông sốđã 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 quảmô phỏng cho thấy động cơ làm việc ổn định với mômen được xác định ởcông thức 4.86.
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 từhoàn toàn nam châm. Do đó thiết kếđề xuất có thể chấp nhận
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 quảmô phỏng
Động cơ thiết kếđạt được công suấ ốc độ, mô men đềt, t ra. Cụ thểso sánh giữa
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 sẽgiúp 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 sẽlà tiền đềcho các phát triển đềtài tiếp theo. Điều
này được thể hiện rõ ởhình 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 quảtính toán (mục 4.2) cũng như mô hình liên kết mạch điện-từtrường (chương ), tác giả2 tiến hành chế ạo và lấy các đặc tính thự t c nghiệm từđó so sánh vớ ếi k t quảtính 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 vàmô phỏng.
Phần thứ nh t cấ ủa việc thực nghiệm làxác định đặc tính B-H c a v t liủ ậ ệu dùng để chế tạo thép statorvà việc tạo rãnhstator để ồng dây quấ l n sẽđược thực hiện
trên máy cắt dây CNC. Đối với cực từnam châm vĩnh cửu tác giả s dử ụng sản phẩm
thương mạ ới kích thướ theo đúng thiếi v c t kếđặt 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 giảđề cập đến các kết quảthu được giữa giá trị thực tếđo 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 trụkhép kín (hình
4.31) mục đích là để ả gi m ảnh hưởng 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
tựnhư 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 cốđịnh 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 ạ h mch và dùng volt kế đểđo 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 từtrường H và mật độ từthông B được xác định qua các biểu thức sau:
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 từđược 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 vòng200 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 quảđo đặ tính Bc -H theo bảng sau:
Bảng 4.6.Thông số B-H theo số lần đo
Số điểm 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
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 quảđo 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 quảmô 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 quảtính 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 phủnam châmα=1 (hình 4.38) và động cơ được chế
tạo th nghi m vử ệ ới độ phủnam châmα=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.
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 quảđo 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 quảđo 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 sốđộng 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 vềđộ 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 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 phủnam châm α 1,0. =
4.5. Kết lu n ậ
Nội dung chương 4đã tính toán cụ thể thông sốcơ 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 quảtính toán cơ bản đạt đúng v i yêu cớ ầu giả thiế ầt đ u 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 kỹthuật điện chế tạo stator, gông
rotor với nam châm vĩnh cửu mật độ ừ t thông thấ để ảp gi m 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 b phộ ần này sẽđược khảo sát, thiết kế. Việc ràng buộc v t li u ậ ệ nam châmban 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 án giảm chiều dài stator so với chiều dài nam châm là một cách tiếp cận hiệu quả. Tỷ l giệ ữa hai kích thước chiều dài này tùy thuộc vào việ ực l a chọn nam châm có từ dư cao hay thấp và vậ ệu thép có điểm làm việt li c là bao nhiêu. Trình tự lựa chọn và
hiệu chỉnh t l ỷ ệ này được th c hiự ện theo hình 4.2.
Chiều dày gông rotor có thểđược giảm đáng kể ấ b t ch p vi c mấ ệ ật độ ừ t thông trên gông rotor ở điểm bão hòa. Điều này có được do hai yếu tố: Tổn hao trên rotor
khi vận hành động cơ gần như bằng không và chiề dày gông chỉu ảnh hưởng đến
điểm làm việc của nam châm. Đây là những luận điểm quan trọng trong việc thiết kế tối ưu để ả gi m khối lượng động cơ nhưng vẫn giữđược các giá trịcông suất, mô
men. Một mẫu động cơ đã được ch t o ế ạ 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 kếđộng 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 vớ ải s n phẩm tương tự ủa nướ c c
ngoài.
Kết quảnghiên cứu trong chương 4 đã được tác giảvà cộng sựcông 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 kếđộng cơ một chiều không chổi than rotor ngoài cho xe đạp điện s ử
dụng ansys” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà
TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Tổng kết
Trong toàn bộ luận án này, tác giả đã có một sốđóng góp mới với những kết quảđạt được như sau:
- L a ch n ự ọ chiều r ng ộ miệng rãnh bs0và độ phủnam châm αlà hai thông sốđể nghiên cứu, thiết kế giảm mômen đập mạch trong động cơ BLDC rotor ngoài.
- S d ng khai triử ụ ển Fourier, tìm ra quan hệ ữ gi a h s Kệ ố n-α với độ ph nam ủ αchâm để giảm mômen đập mạch trong động cơ BLDC rotor ngoài.
- Tính toán từtrường nam châm trong động cơ BLDC rotor ngoài có xét đến phản
ứng phần ng. ứ
- Đề xu t thuấ ật toán phù hợp đểxác định điểm làm việc c a v t liủ ậ ệu thép kỹ thuật
điện trong thiết kếđộng cơ BLDC khi sử ụng nam châm vĩnh d cửu mật độ từdư
thấp.
- Đề xu t cấ ơ sởtoán học ki m nghi m thi t kể ệ ế ếđộng cơ trên nề ứn ng d ng sụ ốlà mô hình giải tích và phương pháp PTHH.
- Đưa ra những b n vả ẽcơ sở chế ạ t o. Nhận xét về thiế ế ế ấu và khối lượt k k t c ng sản phẩm khá tương đồng với những s n phả ẩm tương tự ủa nước ngoài. c
Những mặt hạn chế
Mặc dù đạt được một số kết quả khảquan 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 (vềtrình độ, năng lực nh n th c cậ ứ ủa
NCS) cho nên luận án này vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần được giải quyết và hoàn
thiện:
- Quy trình thiết kế động cơ chưa đạt được tính chuẩn hóa.
- Các phân tích FEM mới ch d ng lỉ ừ ại ởphân tích điện từtrường, chưa phân tích được đặc tính cơ- nhiệt của động cơ.
Khả năng phát triển từ uận ánl
- Phân tích chi tiết hơn và đề xuất các quy tắc thi t kế ếchung để ả gi m thiểu mô men