Vật liệu nam châm Br (T) Hc (KA/m) BHmax (KJ/m3) Nhiệt độ hoạ ột đ ng tối đa 0 C 𝜶𝑩𝒓%/℃ chKhốảng khnăng ử từ NdFeB (45/12) 1,3 1011 335 150 0C -0,1 Rất tốt SmCo 18/30 0,87 2387 140 3000C -0,03 Rất tốt Alnico 0,82 51 79 5500C -0,02 Kém Ferrite c ng ứ (gốm) 0,4 255 31 250 0C -0,2 Bình thường 1.4.4. Mô hình mạch từ của nam châm vĩnh cửu
Xét mạch từnam châm được nối ngắn mạch như hình 1.39a, được gọi là phương pháp lưu trữ từtrường (độ từ thẩm bằng ∞). Khi đó cường độ từtrường của nam
châm tạo ra 𝐻 = 0. Mật độ từthông trong mạch từ ngắn mạch bằng với giá trị từdư 𝐵 = 𝐵𝑟 của nam châm vĩnh cửu.
Xét mạch từnam châm được hở mạch như hình 1.39b, có độ từ thẩm bằng 0. Lúc đó từ thông không ra khỏi nam châm, giá trị ật độ m từthông bề mặt namchâm 𝐵 = 0, khi đó độ lớn của cường độ từtrường gây ra bởi nam châm tiệm cận bằng giá trị
của lực kháng từ𝐻 = −𝐻𝑐.
Giá trị của từ dẫn nằm trong khoảng (0, ∞), điểm làm việc của nam châm nằm
trên góc phần tư thứ hai của đường cong từ trễ giữa giá trị từdư 𝐵𝑟 và lực kháng từ 𝐻𝑐. Độ ố d c của đường đặc tính tải là đường n i giố ữa điểm làm việc và gố ọa độc t ,
xác định qua 𝜇0được gọi hệ sốđộ dốc của đặc tính tải làm việc PC. Tại điểm từdư trên đồ thị𝐵 − 𝐻giá trị PC bằng vô cùng (∞), tại điểm lực kháng từ trên đồ thị𝐵 − 𝐻giá trị PC bằng 0, giá trịđiểm giữa thì PC bằng 1 như hình 1.40
Hình 1.40. Đặc điểm đường từdư nam châm vĩnh cửu theo nhiệt độ[62] Với các loại nam châm đất hiếm như SmCo, NdFeB đặc tính nam châm làm việc lập thành họcác đường thẳng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độmôi trường khác nhau.
Độ dốc của đường làm việc nam châm bằng tích của 𝜇0 𝜇 𝑟𝑒𝑐v i ớ 𝜇𝑟𝑒𝑐là độ t ừ
thẩm dao động, giá trị đơn vịđộ từthẩm này nằm trong đoạn [1,0 – 1,1], đại lượng
này đại diện cho việc dao động từtính của nam châm quanh điểm làm việc. Khi ở
nhiệt độ cao, đường cong khử từcó chiều giảm xuống vềphía gố ọa độc t . Ví dụ thể
hiện trên hình 1.40, đồng thời các giá trị 𝐵𝑟, 𝐻𝑐cũng thay đổi theo chiều dịch chuyển. V i chiớ ều hướng đó giá trị ừ t thông của nam châm giảm xuống gây ra giảm hiệu su t cấ ủa nam châm. Tuy nhiên đây là quá trình thuận nghịch với s biự ến đổi nhiệt độ không quá lớn, khi trở lại giá trị cũ, nhiệt độ giảm xuống. Ngoài việc suy giảm theo nhiệt độ ủa đườ c ng kh tử ừ, giá trị ủa điể c m uốn cũng dịch chuyển như
thể hi n ệ ởgóc phần tư thứ hai của hình 1.40. T i nh ng vạ ữ ịtrí điểm uốn này giá trị
từtrường nam châm giảm xuống rất nhanh (-Hc) hay độ ốc đường làm việ d c nam
châm mang tính khử từtăng. Khi giá trị điểm làm việc giảm quá điểm uốn trên đường khử từthì việc ph c hụ ồi trạng thái làm việc của nam châm với những điều kiện ban đầu khó xảy ra, khi đó giá trị mới của đường khử từ thấp hơn ới giá trị v
làm việc (PC) của nam châm phải chú ý đến giá trịđiểm uốn nhằm đảm bảo tính ổn
định cũng như hiệu suất của nam châm khi làm việc.
Vật liệu nam châm vĩnh cửu có tính dịhướng cao. Độ ừ t thẩm theo hướng từhóa
sẽ nhỏhơn so với các hướng khác. Vì vậy ph i n p tả ạ ừcho nam châm đúng với chiều s dử ụng. Qua đó thấy r ng tằ ừthông rò rỉ ẽ s ít, nếu độdài nam châm không quá lớn.
Giá trị tích năng lượng lớn nhất (BH)𝑚𝑎𝑥là cơ sở kỹ thuật để so sánh với giá trị
kinh t khi l a chế ự ọn nam châm. Giá trịnày không phải giá trịđiểm làm việc nam
châm, nhưng điểm làm việc của nam châm càng gần điểm này thì hiệu suất sử dụng
nam châm càng lớn. Như phân tích đường khử từởtrên thì giá trị( )BH𝑚𝑎𝑥 phụ
thuộc vào kích thước nam châm và nhiệt độ.
Khi làm việc điểm hoạt động của nam châm sẽ chuyển từđiểm làm việc không
tải đến điểm làm việc dướ ải. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu, điểi t m hoạt động
này nằm ởgóc phần tư thứ hai với giá trịPC ≥ 4. Khi các cuộn dây động cơ được cấp điện, các vòng từ trễ nhỏxung quanh điểm làm việc như hình 1.41.
Các vòng từ trễnày nhỏ và có độ dốc gần với độ ốc đườ d ng khử từđược tính toán theo công thức:
Bm= Br+μrμ0 mH (1.29)
Từphương trình 1.29 giảthiết rằng điểm làm việc nam châm ằnm trong vùng
tuyến tính đường khử từ. Giá trị từtrường không quá giá trị từdư 𝐵𝑟vì hoạt động theo chi u c a s tề ủ ự ừhóa vật liệu. Tuy nhiên, nế ừu t trường ngoài ngược hướng với chiều từhóa, điểm hoạt động của nam châm nằm ởgóc phần tư thứba, khi đó đường đặc tính từ trễ sẽ bịthay đổi tương tự với sựthay đổi ởđiểm uốn.
Hình 1.41. Sựdao động quanh điểm làm việc nam châm vĩnh cửu [62] Mô hình hóa mạch từ của nam châm vĩnh cử có dạng như hình u 1.42a. Từ thông
dịch chuyển qua nam châm theo biểu thức 1.30.
Với 𝐴𝑚 : Ti t diế ện cắt ngang có pháp tuyến trùng với chiều t ừ hóa. Sử dụng công thức (1.4), (1.5), (1.6) có được: Φm= Φ + Pr mFm (1.31) Với nguồn t ừ thông cốđịnh:Φr= B Pr m (1.32) Và từ dẫn nam châm:Pm=μrμ0Am Lm (1.33)
Công thức 1.33 được gọi là từ rònam châm hay từ ẫn nam châm. d Khi xác định được thông số mô hình hóa nam châm vĩnh cử thì mạu, ch từtương đương gồm nguồn từthông cố định và từ ẫ d n nội t i cạ ủa nam châm vĩnh cửu như hình 1.42b.
Hình 1.42. Nam châm vĩnh cửu dạng khối (a) và mô hình mạch từ thay thế (b)
Với động cơ nam châm vĩnh cửu không chổi than nói chung thì hình học của nam
châm rất đa dạng như hình 1.43, với động cơ BLDC rotor ngoài được nghiên cứu trong luận án thì có hình dạng như hình 1.44.
Hình 1.44. Hình dạngnam châm vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ BLDC Khi cần xác định các thông số ề v độdài nam châm ta th c hi n ự ệ vi phân đường Khi cần xác định các thông số ề v độdài nam châm ta th c hi n ự ệ vi phân đường
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