Các kết quả từ hình 3.13-3.15 với thiết kế độ phủ nam châm dải từ 0,5-1 thì động cơ đều đạt được tốc độ ổn định tại 187,5 rpm và 1,5N.m. Như vậy, chất lượng thiết kế có thể được đánh giá bởi thông số mô men đập mạch và dòng điện (hình 3.16-3.17)
Hình 3.16. Đặc tính mômen đập mạch động cơ BLDC theo độ phủnam châmα= 0,5-1
Mô men đập mạch có giá trị nhỏ trong khoảng α=0,65-0,70. Tại các điểm này, giá trị sóng điều hòa bậc 3 xấp xỉ bằng 0, phù hợp với bảng 3.2
Hình 3.17. Đặc tính dòng điện (mA) động cơ BLDCtheo độ phủnam châmα= 0,5-1
Từ kết quả so sánh, nhận thầy rằng độ phủ nam châm tại điểm α=0,7 có khối lượng nam châm và có biên dạng mô men đập mạch nhỏ hơn so với điểm α=1 mà vẫn đảm bảo tốc độ, mô men điện từ và công suất điện (hình 3.18)
Về cơ bản, mô men được sinh ra do sự tương tác giữa từ thông nam châm và dòng điện dây quấn stator. Vì vậy khi tăng độ phủ nam châm 𝛼, nghĩa là tăng từ thông nam châm thì dòng điện sẽ có xu hướng giảm đi. Từ các phân tích trên, dải α=0,675-0,70 được cân nhắc khi thiết kế động cơ.
3.5. Kết luận
Nội dung chương 3 đã trình bày khái niệm về mô men đập mạch và phân tích nguyên nhân hình thành mô men đập mạch trong động cơ. Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc của việc giảm mô men đập mạch qua việc khai triển chuỗi lượng giác Fourier theo biến không gian từ đó tìm ra hệ số Kn-α liên quan đến độ phủ nam châm.
Có thể nhận thấy rằng hai thông số chiều rộng miệng rãnh và độ phủ nam châm là những thành phần công nghệ ảnh hưởng lớn nhất tới mô men đập mạch. Phân tích ảnh hưởng của hai thông số đến các đặc tính của động cơ theo các quan hệ sau:
• Sự thay đổi của thông số chiều rộng miệng rãnh và độ phủ nam châm làm ảnh hưởng lớn tới giá trị của mô men đập mạch. Với một thiết kế, sự thay đổi thông số này có thể khiến mô men đập mạch thay đổi hàng chục lần.
• Ảnh hưởng của độ phủ nam châm cao hơn so với của chiều rộng miệng rãnh. • Thông số chiều rộng miệng rãnh và độ phủ nam châm ảnh hưởng trực tiếp tới các thông số: mô men, tốc độ, hiệu suất, công suất động cơ.
Việc phối hợp lựa chọn thiết kế đảm bảo yêu cầu giá trị đập mạch của mô men nằm trong vùng mong muốn là một công việc rất khó. Tuy nhiên, thông qua các phân tích ở trên, tác giả đã chỉ ra những thông số ảnh hưởng lớn nhất đến mô men đập mạch nhằm đưa ra những gợi ý liên quan đến tính toán thông số động cơ đạt giá trị phù hợp. Nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men giúp cho việc ứng dụng loại động cơ BLDC rotor ngoài trong thực tế trở nên dễ dàng hơn. Giảm mô men đập mạch cho phép sự kỳ vọng việc áp dụng động cơ vào trong những ứng dụng dân dụng và công nghiệp cần độ yên tĩnh lớn.
Kết quả nghiên cứu trong chương 3 đã được tác giả và cộng sự công bố qua 1 công trình “Phân tích tác động của độ mở miệng rãnh và chiều dài nam châm đến
mômen 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.
Chương 4. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1. Xây dựng thuật toán thiết kế động cơ
4.1.1. Các kích thước cơ bản
Cơ sơ thiết kế động cơ PMSM nói chung và động cơ BLDC nói riêng là dựa trên mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa công suất khe hở không khí (công suất điện từ) với thể tích của động cơ. Cụ thể là:
Pc = Dir2LPe (4.1)
Với công suất điện từ:
Pe = 3EfIf (4.2)
Công suất đầu vào động cơ:
S = 3UfIf= Pco
η cos φ (4.3)
Mối liên hệ giữa điện áp nguồn và sức điện động cảm ứng động cơ:
U = Ri + Ldi
dt+ e (4.4)
Để đơn giản hóa, ta quy đổi tỷ lệ giữa U và E theo hệ số:
kE= E
U (4.5)
Từ 3 phương trình (4.3, 4.4, 4.5) ta rút ra:
Pe = PcokE
η cos φ (4.6)
Từ đây ta suy ra được mô men điện từ:
Te =Pe
ω (4.7)
Ta tiếp cận quan điểm thiết kế theo chu vi bề mặt khe hở không khí σ của TS. TJE Miller. Quan điểm này chỉ ra rằng mô men điện từ sẽ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt khe hở không khí theo hệ số σ [70].
Te = 2σπDir
2L𝑟
Hệ số kinh nghiệm 𝜎 được xác định theo bảng sau:
Bảng 4.1. Giá trị chu vi bề mặt khe hởkhông khíở một sốđộng cơ [70]
Loại động cơ (kNm m )3
Động cơ kín loại nhỏ (Ferrite) 2,5-7
Động cơ kín (NdFeB) 7-21
Động cơ trong công nghiệp 3,5-15
Động cơ chấp hành hiệu suất cao 7,5-25
Máy điện dùng trong hàng không 15-37,5
Động cơ lớn làm mát bằng chất lỏng 50-125
Tỷ lệ giữa đường kính trong và chiều dài động cơ (chiều dài rotor Lr) thể hiện qua hệ số hình dáng:
khd =Dir
L𝑟 (4.9)
Khi đó, để tính toán đường kính trong, ta có thể áp dụng công thức cuối cùng sau:
Dir = √2Tekhd
σπ
3
(4.10) Để duy trì dòng pha cân bằng và giảm thiểu tiếng ồn âm thanh, động cơ cần một khe hở không khí đồng đều. Động cơ cũng yêu cầu một khe hở không khí nhỏ để tối đa hóa mô men điện từ. Tuy nhiên, sự uốn cong của trục và sự giãn nở của vật liệu với nhiệt độ tăng phải được xem xét trong quá trình thiết kế cùng với dung sai chế tạo. Vì vậy, khe hở không khí nên được chọn sao cho động cơ hoạt động đáng tin cậy trong các điều kiện chung ở mọi điểm vận hành. Sau khi chọn được chiều dài khe hở không khí, ta xác định được các kích thước cơ bản còn lại:
Đường kính ngoài stator:
Dos = Dir− 2g (4.11)
Đường kính trong stator:
Hệ số tỷ lệ kshaft được lựa chọn khéo léo sao cho không nhỏ quá để tránh ảnh hưởng đến cơ khí trục động cơ, không lớn quá để tránh làm giảm đi chiều dày gông stator 𝑤𝑦𝑠 gây nên bão hòa mạch từ gông.
Đường kính ngoài rotor:
Dor = Dir + 2. ℎm+ 2. 𝑤𝑦𝑟 (4.13) Chiều dày gông rotor 𝑤𝑦𝑟 được chọn phù hợp với những ảnh hưởng điểm làm việc của nam châm đã trình bày ở mục 2.3.2 - chương 2.
4.1.2. Ứng dụng thiết kế cho quạt trần
Trong thiết kế giải tích máy điện thì việc đầu tiên cần xác định đó là thông số yêu cầu thiết kế và thông số chọn lựa. Vì đối tượng nghiên cứu trong luận án (quạt trần) đã có sẵn cấu trúc kích thước cánh (tải) do đó các kích thước cơ bản được chọn cũng là thông số yêu cầu thiết kế.
Do điều kiện về vật liệu chế tạo nên các thông số nam châm, dây dẫn cũng được lựa chọn ngay từ lúc ban đầu (bảng 4.2)
Bảng 4.2. Thông sốyêu cầu thiết kếvà thông số lựa chọn
Tốc độ, mô men
Thông số Đơn vị Giá trị
Tốc độ rpm 187,5
Tần số điện Hz 25
Mô men cơ N.m 1,95
Nam châm
Mật độ từ dư T 0,39
Độ từ thẩm tương đối - 1,1
Chiều dài hướng trục mm 26
Chiều dày nam châm mm 8,25
Độ phủ nam châm - 0,7
Chiều dài khe hở không khí mm 0,25
Đường kính ngoài rotor mm 152
Đường kính trong rotor mm 132,5
Đường kính ngoài stator mm 132
Đường kính trong stator mm 17,5
Các thông sốkhác
Hệ số công suất - 1,0
Mật độ dòng điện A/mm2 6
Đường kính dây dẫn mm 0,235
Dòng điện pha A 0,26
4.1.3. Lưu đồ thuật toán thiết kế