kính nam châm, lúc đó mô hình nguồn từnam châm vĩnh cửu là tập hợp các nguồn giống nhưhình 1.42b. Dođó sẽ dẫn tới sự sai khác từ thông phân bố theo chiều dài
của đố ượng, giá trịi t từ trường làm việc tỷ l nghệ ịch với chiều tăngbán kính vì với một từthông không đổi trong khi diện tích tăng lên.
Giá trị từ dẫn nam châm tính toán được là: Pm= μrμ0hmθp
ln( 1 + hm
ri) (1.34)
Giá trị nguồn từthông được tính toán là:
Φr= Brhm pθri (1.35)
Với 𝑟𝑖: Bán kính cong của nam châm, hmchiều dày của nam châm.
Khi chiều dà nam châm nhỏ hơn bán kính cong nam châm nhiềy u lần ℎ𝑚≪ 𝑟𝑖thì công thức 1.34 được tính toán gần đúng như công thức 1.35.
Pm= μrμ0hmθp(12 +ri
hm ) (1.36)
Xét mô hình mạch từnam châm với khe hởkhông khí đều như hình 1.45.
T l mỉ ệ ật độ ừ t thông giữa khe hở không khí và mật độ ừ thông nam châm là: t Bg= BmAm
Ag= BmCΦ (1.37)
Với: 𝐴𝑔: Ti t diế ện khe hởkhông khí. 𝐴 :𝑚 Tiết diện nam châm.
Từthông nam châm là: Φm=BBm
r = ΦmPPg
m+ Pg (1.38)
Tỉ số t ừ thông nam châm và nguồ ừn t thông nam châm: Φm
Φr =BBmr =1 + (μ1rg
ℎm)CΦ (1.39)
MMF gây ra bởi nam châm là: F = −ΦPm
g = − Φr
Pg+ Pm= −μ μ Brℎm
r 0 (1 + ℎm
μrgCΦ) (1.40)
Tỉ sốcường độ từ trường và lực kháng từ𝐻𝑐 của nam châm là: Hm Hc= Brℎm 1 + ℎm μrgCΦ = 1 −Bm Br (1.41) Hệ sốđộ dốc đặc tính tải làm việc: 𝑃𝐶 = −Bm μ0Hm=ℎgAmAg m =ℎm g C1Φ (1.42)
Hoặc tính hệ sốPC theo giá trịthểtích nam châm vĩnh cửu:
1.5. K t lu n ế ậ
Nội dung chươngnàyđã giới thiệu tổng quan vềđộng cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (BLDC) rotor ngoài, đặc điểm, ứng d ng cụ ủa động cơ
trong hệ thống truyền động trực tiếp.
Tiến hành phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nướ liên quan đếc n việc giảm mômen đập mạch ởđộng cơ BLDCrotor ngoài, tác giả nhận thấy rằng
có rất nhiều phương pháp nghiên cứu để giảm mô men đập mạch đối với động cơ
BLDC nhằm cải thi n chệ ất lượng mô men ủa máy bằng cách tối ưu thông số c thiết kếởstator và rotor.
Thông thường, các phương pháp hiệu quảđể giảm mô men đập mạch của PMSM
nói chung và BLDC nói riêng bao gồm nghiêng rãnh, nghiêng nam châm, định hình nam châm, chiều dày nam châm không bằng nhau, cấu trúc răng lệch tâm, thay đổi hệ số cung cực, thêm rãnh phụ, v.v…Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp trên
chưa đề ập đến động cơ BLDC rotor ngoài đượ c c đề xuất trong luận án.
Một phương pháp mớ ựa trên việc áp dụi d ng kết hợp chiều rộng miệng rãnh (bs0)
và tỷ lệ cung cực trên bước cực (α - độ phủnam châm) để giảm mô men đập mạch
được đề xuất trong luận án này. Chiều rộng miệng rãnh, độ phủnam châm là hai thông sốđại diện cho stator và rotor trong một động cơ. Khi lựa chọn các thông số này phù hợp sẽgóp phần quan trọng cho việc thiết kếnâng cao hiệu năng, cải thiện chất lượng mô men trong động cơ BLDC rotor ngoài với nam châm gắ phía n trong
gông rotor được chọn làm đối tượng nghiên cứ Tác giảu. đề xuất Phương pháp mô hình hóa mạch từvà phương pháp PTHHđểmô phỏng các kết quảtính toán.
Nam châm vĩnh cửu - một phần không thể thiếu trong động cơ BLDC cũng được giới thiệu và phân tích. T cừ ấu trúc mô hình vật li u t , khe hệ ừ ởkhông khí ã, r nh stator, nên v ệc xác định các thông sối cơ bả như độn từthẩm, từtrở, từ trường, sức từđộng và phân tích các ế y u tốảnh hưởng khi n cho mế ọi định nghĩa rõ rànghơn khi tính toán thông số mạch từởcác chương tiếp theo.
Chương MÔ HÌNH MẠ2: CH TỪĐỘNG CƠ BLDC
2.1. Giới thiệu
Đểnghiên cứu sựphân bố từtrường trong động cơ BLDC ần phân tích hiệ, c u
ứng do các rãnh stato gây ra. Đố ới động cơ r i v BLDC ro r to ngoài có nam châm gắn
phía trong gông rotor, quá trình dịch chuyển nam châm được đề cập tới vùng khe hở không khí giữa hai cực. Chiều rộng miệng rãnh stator sẽảnh hưởng đến việc giảm từthông trên mỗ ực mà có thểi c được tính bởi hệ số Carter. Tuy nhiên, chiều rộng miệng rãnh stato còn ảnh hưởr ng đến mật độ từthông, những yếu tố cần thiết cho việc tính toán mô men đập mạch, vẫn chưa được nghiên cứu. Trong chương này, ảnh hưởng do chiều rộng miệng rãnh stato gây ra ới nam châm vĩnh cửr v u sẽđược
nghiên cứu thông qua việc khảo sát quá trình dịch chuyển nam châm đi qua miệng
rãnh.
Thành phần lực tiếp tuyến do sự dịch chuyển nam châm qua khe hở không khí được nghiên cứu chi tiết. Một phương pháp hiệu quảđể dựđoán mô men đập mạch
được phát triển trong động cơ BLDC sẽđược trình bày. Phương pháp này được xác
minh bằng cách sử dụng mộ ốt s nghiên cứu điển hình.
Đối v i ớ BLDC không có rãnh trên stator, từ tr ởtheo hướng xuyên tâm không thay đổi dọc theo khe hởkhông khí của động cơ. Theo quan điểm của mạch từ, sự phân bố từthông sẽ chỉđược xác định bởi các nguồn sức từđộng (MMF) đặt dọc theo chu vi c a khe hủ ởkhông khí. Tuy nhiên, tình hình sẽthay đổi khi stator có các rãnh, từ trở khe hởkhông khí sẽ tăng lên trên vùng rãnh, điều này sẽlàm giảm từ thông.
Đã có những mô hình trình bày hiệu ứng xẻrãnh bởi các nhà nghiên cứu trước
đây. Trong [64], hệ sốCarter đã được giới thiệu với động cơ cảm ứng, khi cả hai
phía của khe hởkhông khí là vùng sắt. Do đó, ranh giới của khe hởkhông khí là các
từtrường b mề ặt tương đương. Sự ả gi m từthông có thểđược tính theo hệ ố s Carter
và dễdàng tính toán được với sự trợgiúp của phương pháp ánh xạ hình dạng. Tuy
nhiên, hệ sốnày được suy ra với giảđịnh có sự sụt giảm MMF không đổi giữa ro r to
và stato . Trong động cơ PM, mộr t giảđịnh như vậy là không chính đáng. Động cơ PM, MMF được cung cấp bởi các nam châm vĩnh cửu có điểm làm việc được xác định b i tở ừ trở của mạch từbên ngoài. Zhu đã cung cấp một mô hình rãnh hiệu quả hơn trong [65]. Trong công trình của ông, hàm dẫn từtương đối 2-d được giới thiệu
như một hệ số hiệu chỉnh cho mật độ từthông thay vì từ thông trên mỗi cực. Chiều
dài khe hở không khí tương đương được định nghĩa là chiều dày nam châm cộng với chiều dài khe hởkhông khí. Phương pháp ánh xạhình dạng cũng được s dử ụng
đểtính toán sự s t giụ ảm mật độ ừ t thông tối đa ở trung tâm miệng rãnh. Chức năng
dẫn từtương đối được mô phỏng bằng hàm sin trên diện tích miệng rãnh. Mật độ ừ t
thông hướng tâm trong động cơ có rãnh thu được bằng tích mật độ từthông phân bố hướng tâm trong động cơ không có rãnh và hàm dẫn từtương đối.
Mô hình của Zhu hoạt động tốt cho các tính toán mật độ từthông xuyên tâm
trong h u hầ ết các trường hợp. Tuy nhiên, mật độ ừ t thông tiếp tuyến không thể thu
được trong mô hình này. Trong [66], [67] các tác giả đã mở ộng mô hình củ r a Zhu
để mật độ ừ t thông tiếp tuyến cũng có thểđược tính toán. Ởđó, mật độ từthông hướng tâm thu từ hàm dẫn từtương đối trên bề mặt stator được coi như một điều kiện biên cho từtrường khe hởkhông khí. Bằng cách giải các phương trình Laplace và Poisson, mật độ từthông tiếp tuyến đã được tìm ragiá trị. Tuy nhiên, người ta nhận th y r ng mấ ằ ật độ ừ t thông tiếp tuyến không chính xác ở những vùng mà quá trình dịch chuyển nam châm đi qua miệng các rãnh. Do đó, mật độ từthông trong các vùng miệng rãnh là cần thiết phải được nghiên cứu cẩn thận. Trong chương này, ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh được xem xét bằng cách sử dụng một mô hình toán học mới đểnghiên cứ ảnh hưởu ng của dịch chuyển cực từđi qua miệng rãnh, phân bố từtrường vô hướng trên miệng rãnh được dự đoán đối với vịtrí dịch chuyển nam châm khác nhau và mật độ từthông trong khe hở không khí cũng thu được. Do đó, ảnh hưởng chiều rộng miệng rãnh được nghiên cứu chi tiết.
2.2. Mô hình dịch chuyển nam châm vĩnh cửu qua rãnh stator
Trong phần này, một mô hình toán học sẽđược trình bày. Sựphân bố ừ t trường
và tính toán lực từ sẽđược thảo luận. Kết quả sẽđược so sánh với các mô phỏng FEM.
2.2.1. Mô hình toán học
Đối với động cơ PM dùng trong quạt trần, chiều dài khe hởkhông khí rất nhỏ so với chiều rộng miệng rãnh. Do đó, các kết quảthu được trong hệ tọa độ Descartes
có thể dễdàng áp dụng. Trong phần này, từtrường các vùng rãnh sẽ được nghiên
cứu trong hệ tọa độ Descartes [68]. Ảnh hưởng c a m t cong sủ ặ ẽđược th o luả ận ở
phần sau.
Hình 2.1.Các vùng năng lượng giữa nam châm và rãnh stator [68]
Mô hình được sử dụng để nghiên cứu (hình .1), phân tích ảnh hưở2 ng khi chuyển dịch c c tự ừnam châm qua miệng rãnh. Từmô hình trên ta thấy năng lượng được
chia thành 3 tiểu vùng: Vùng 1 là vùng nam châm, ùng 2 là vùng khe hở không khí v
và ùng 3 là vùng miệng rãnh. Gố ọa độ được đặv c t t ởtâm của rãnh. Nam châm
rotor và gông stato đượr c giảđịnh là vô hạn, độsâu rãnh là vô hạn và nam châm có độ từ thẩm tương đối th ng nhố ất. Chiều dày nam châm được ký hiệu là ℎ𝑚, chiều
dài khe hở không khí là g và chiều rộng miệng rãnhlà 𝑏0
Như chúng ta đã biết, mật độ từthông và cường độ từtrường có mối quan hệ sau: B = μ0H trong vùng hở không khe khí (2.1) 𝐵 = 𝜇0𝐻 + 𝜇0𝑀 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑣ù 𝑛𝑎𝑚 𝑐ℎâ𝑚 𝑣ĩ𝑛ℎ 𝑐ử𝑢𝑛𝑔 (2.2)
Trong đó 𝑀là vectơ mật độ ừ hóa nam châm. t
Trong điều kiện của năng lượng từtính vô hướng 𝜙, cường độ từtrường được
xác định bởi:
H = −∇ϕ (2.3)
Toàn bộ miền được nghiên cứu là không có nguồ dòng điệ . Do đó, năng lượn n ng từtính vô hướng thỏa mãn phương trình Laplace là:
∇2ϕ = 0 trong không khí (2.4)
và phương trình Poisson
𝛻2𝜙 = ∇𝑀 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑛𝑎𝑚 𝑐ℎâ𝑚 𝑣ĩ𝑛ℎ 𝑐ử𝑢 (2.5)
Trong hệ tọa độ Descartes, vectơ từhóa 𝑀được cho bởi:
𝑀 = 𝑀𝑥𝑖 + 𝑀𝑦𝑗 (2.6)
𝑖 và 𝑗 lần lượt là vectơ chỉphương x và y tương ứng.
Trong nghiên cứu này, các nam châm được giảđịnh có từ hóa theo hướng y. Khi
đó, sự phân kỳ ủa vectơ từ hóa có thể được tính bằ c ng:
∇𝑀 =𝜕𝑀𝜕𝑦 +𝑥 𝜕𝑀𝜕𝑥 = 0𝑦 (2.7)
Do đó, các phương trình điều chỉnh trong vùng nam châm và vùng khe hở không khí là:
2
(2.8)
Giả s rử ằng quá trình chuyển dịch nam châm ban đầu được căn chỉnh với tâm rãnh, sựphân bố từhóa trục tọa độ y d c theo tr c tọ ụ ọa độ x được thể hiện trong hình