Truyền động trực tiếp có nhiều ưu điểm hơn so với truyền động hộp số, phần lớn đến từ việc đơn giản hóa hệ thống truyền động. Những lợi thế này bao gồm [11][12]:
✓ Giảm chi phí bảo dưỡng.
✓ Độ tin cậy cao hơn và động cơ có tuổi thọ lâu hơn.
✓ Giảm tiếng ồn - Hộp số và các bộ phận cơ học khác của hệ thống truyền động như dây đai hoặc ròng rọc là nguồn gây ra tiếng ồn. Nên truyền động trực tiếp đã khắc phục được nhược điểm này.
✓ Hiệu quả cao hơn - Loại bỏ hộp số cũng đồng nghĩa với việc loại bỏ nguồn tổn thất tiềm ẩn. Tổn hao trong hộp số phần lớn sinh ra do ma sát giữa các bánh răng.
✓ Giảm trọng lượng - Truyền động trực tiếp có thể nhẹ hơn truyền động thông qua hộp số.
Một số ví dụ về truyền động trực tiếp sử dụng động cơ BLDC rotor ngoài đã chỉ ra các lợi thế khác biệt so với truyền động qua hộp số.
1.1.3.4. Máy giặt
Máy giặt truyền động trực tiếp đang dần thay thế máy giặt thông thường dùng động cơ điện một chiều hoặc động cơ cảm ứng dẫn động lồng giặt thông qua dây đai và ròng rọc (hình 1.11.a). Ưu điểm chính của máy giặt truyền động trực tiếp (hình 1.11b) đến từ sự triệt tiêu của dây curoa, ròng rọc và cuối cùng là chổi than của động cơ DC. Những thiết bị này là những bộ phận yếu của máy giặt và thường là nguyên nhân gây ra hỏng hóc.
Động cơ máy giặt dành cho thiết bị gia dụng thường có công suất nhỏ hơn 1 kW. Lồng giặt của máy quay khoảng 50 vòng/phút trong quá trình giặt và lên đến 1500 vòng/ phút hoặc cao hơn trong quá trình vắt [13]. Do đó, động cơ truyền động trực tiếp của máy giặt được hoạt động trên một dải tốc độ lớn, điều này đạt được bằng cách hoạt động trong điều kiện từ trường yếu. Động cơ BLDC được kết nối trực tiếp với lồng giặt. Động cơ này có dạng sóng sức phản điện động (Back-EMF) hình thang và được cung cấp dòng điện hình chữ nhật.
(a) (b)
Hình 1.11. a) Máy giặt thông thường; b) Máy giặt truyền động trực tiếp [14]
1.1.3.5. Quạt trần
Truyền động trực tiếp có trong quạt trần truyền thống, hoạt động dựa trên động cơ điện không đồng bộ xoay chiều, mức tiêu thụ năng lượng dao động từ 60-80W, với kích thước động cơ lớn và hiệu suất không quá 50%. Vì hiệu suất thấp nên nhiều hãng sản xuất quạt đã nhận thấy rằng động cơ điện nam châm vĩnh cửu có công suất định mức thấp hơn 40-50% so với động cơ không đồng bộ mà vẫn có thể cung cấp cùng một lưu lượng gió đầu ra. Điều đó có nghĩa là hệ thống quạt sử dụng động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (BLDC-hình 1.12) có công suất khoảng 30-40W sẽ thay thế mức tiêu thụ điện 60-80W ở động cơ không đồng bộ xoay chiều. Đây là một sự tiết kiệm điện năng rất lớn. Hơn nữa, kích thước, khối lượng động cơ BLDC nhẹ hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ xoay chiều.
Tuy nhiên khi quạt trần hoạt động, có thể nghe thấy tiếng ồn được tạo ra do cánh quạt cắt qua không khí. Nguyên nhân gây ra tiếng ồn có thể là điện từ hoặc cơ học [15]. Trong khi đó thì bộ điều khiển điện tử được giữ bên ngoài quạt, nên không thể góp phần tạo ra tiếng ồn trong quạt. Vì vậy cần nghiên cứu để giảm tiếng ồn từ cấu tạo quạt trần để nâng cao chất lượng sử dụng.
1.1.3.3. Một số ứng dụng khác
Truyền động trực tiếp cũng trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ và vị trí chính xác. Các ứng dụng này bao gồm máy công cụ, bàn quay, radar, kính thiên văn…v.v.
Động cơ được sử dụng trong các ứng dụng này được gọi là động cơ servo DC không chổi than với nam châm gắn trên bề mặt rotor. Động cơ có kích thước từ 100mm đến hơn 2m [17] và có đường kính khe hở không khí lớn để cung cấp giá trị mô men xoắn cao.
1.2. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế
Mặc dù động cơ BLDC có nhiều ưu điểm như vậy, nhưng mô men đập mạch là một khuyết điểm cố hữu và có ảnh hưởng lớn đến hoạt động ổn định của hệ thống truyền động, đặc biệt là ở điều kiện tốc độ thấp [18]. Do đó, điều quan trọng là phải nghiên cứu một phương pháp thiết kế tốt hơn để giảm mô men đập mạch trong động cơ BLDC.
1.2.1. Các nghiên cứu trong nước
Hiện tại ở Việt Nam, các nghiên cứu về động cơ nam châm vĩnh cửu nói chung và động cơ BLDC nói riêng chưa có công bố về phương pháp giảm mô men đập mạch. Các nghiên cứu đã công bố tập trung vào thiết kế, chế tạo, tối ưu hiệu suất hay cải thiện đặc tính khởi động, có thể tóm tắt một số nghiên cứu:
Báo cáo tổng kết đề tài cấp thành phố Hà Nội do TS Bùi Đức Hùng chủ nhiệm và cộng sự (2013) [19] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công động cơ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có công suất dưới 1 kW.
TS Nguyễn Vũ Thanh (2015) [20] với đề tài luận án TS: “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ đồng bộ 3 pha nam châm vĩnh cửu (LSPMSM)”. Trong nghiên cứu, tác giả tập trung xem xét thuật toán thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh động cơ đồng bộ 3 pha nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện, từ đó thực hiện tối ưu để nâng cao hiệu suất, hệ số công suất 𝑐𝑜𝑠𝜑 và giảm thể tích nam châm vĩnh cửu động cơ chế tạo theo công nghệ đề xuất.
TS Lê Anh Tuấn (2018) [21] với đề tài luận án TS: “Nghiên cứu đặc tính 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”. Trong nghiên cứu, tác giả tập trung đánh giá những yếu tố, thông số chính ảnh hưởng đến quá trình khởi động. Tính toán đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục (Lmd), ngang trục (Lmq) của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ và chế tạo động cơ thực nghiệm đặc tính khởi động, hiệu suất và hệ số công suất.
1.2.2. Các nghiên cứu trên thế giới
Việc giảm mô men đập mạch đặc biệt quan trọng trong các hệ thống truyền động trực tiếp, nơi không có bánh răng để giảm thiểu hoặc hấp thụ mô men đập mạch. Đã
có rất nhiều công trình công bố về các phương pháp để giảm mô men đập mạch. Hầu như tất cả công trình nghiên cứu đều liên quan đến những thay đổi của thiết kế động cơ như định hình nam châm, nghiêng nam châm, chiều rộng miệng rãnh nhỏ hơn, tăng tỷ lệ rãnh/cực, bổ sung các rãnh giả làm giảm số lượng nam châm trên các rãnh stator [22], [23]. Việc tối ưu hóa chiều rộng miệng rãnh stator là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để giảm mô men đập mạch, bao gồm thiết kế chiều rộng miệng rãnh stator thích hợp hoặc thậm chí đóng kín miệng rãnh. Tuy nhiên với một lượng nam châm nhất định trên rotor có thể gây ra tình trạng chiều rộng miệng rãnh quá hẹp sẽ khó khăn khi lắp đặt cuộn dây stator [24]– [26].
Hoặc có thể giảm thiểu mô men đập mạch bằng cách ghép nối các răng stator, tối ưu tỷ lệ cung cực và độ lệch rotor [27]. Thực hiện các phân đoạn, dịch chuyển, định hình và sắp xếp nam châm không đối xứng là một số phương pháp đã được phân tích để giảm thiểu mô men đập mạch [28]–[34]. Ba phương pháp chuyển dịch nam châm vĩnh cửu, phân đoạn nam châm vĩnh cửu và phương pháp vật liệu nam châm vĩnh cửu hỗn hợp được nghiên cứu để mô men đập mạch [35], [36].
Trong [37], bốn mô hình phân tích để tính toán mô men đập mạch được so sánh và mô hình miền phụ được coi là mô hình chính xác nhất. Trong [38] nam châm vĩnh cửu có hình dạng ổ bánh mì được đề xuất và mô hình phân tích để giảm mô men đập mạch được phát triển. Một số phương pháp bao gồm phân đoạn PM, đưa vào các rãnh phụ trợ đặc biệt, sử dụng rotor hai phần…v.v, được nghiên cứu hoặc tăng cường khả năng mô men đập mạch cho một số ứng dụng đặc biệt [39]. Nghiên cứu tính năng mô men đập mạch tạo ra bởi một PM đơn lẻ và đưa ra phương pháp dịch chuyển các cực PM theo đơn vị để giảm mô men đập mạch [40].
Ren và cộng sự đề xuất rotor kiểu chữ V không đối xứng để giảm sự hình thành mô men đập mạch cho động cơ PMSM rotor bên trong. Hiệu quả của phương pháp này được kiểm chứng thông qua phân tích phần tử hữu hạn và thí nghiệm nguyên mẫu [41]. Nghiên cứu ảnh hưởng của dung sai chế tạo đến mô men đập mạch ở động cơ PMSM rotor trong và phương pháp cán quay được đề xuất để chế tạo các mạch từ stator và rotor cải tiến [42]. Phương pháp phân tích tối ưu lệch rãnh stator để giảm mô men đập mạch được đề xuất [43].
Wang và cộng sự. đề xuất một phương pháp kết hợp bao gồm phương pháp Taguchi, phương pháp luận bề mặt phản ứng và thuật toán di truyền để tối ưu hóa mô men đập mạch [44]. Để hạn chế mô men đập mạch của máy PM đảo chiều từ thông, một khoảng trống nhỏ được đưa vào giữa hai nam châm liền kề [45].
Một vài nghiên cứu để nâng cao hiệu năng động cơ BLDC tải quạt gió (quạt trần) cũng đã được đề cập trong những năm gần đây. Thực hiện thiết kế hình dạng cánh quạt giống với hình dạng của cánh máy bay để giảm tiêu thụ năng lượng [12]. Nghiên cứu đã chứng minh rằng, bằng cách sử dụng vật liệu nhẹ hơn như thép tấm có thể tiết kiệm nhiều năng lượng so với vật liệu bằng gỗ. Mối liên hệ giữa độ lớn
mô men đập mạch với tốc độ động cơ cũng đã chỉ ra, ở tốc độ thấp mô men đập mạch thể hiện rõ ràng còn ở tốc độ cao, quán tính làm giảm tác dụng của lực đập mạch. Ảnh hưởng của hình dạng lõi stator đối với hiệu suất động cơ được thực hiện bởi [46] đã chỉ ra rằng cả lõi tròn và lõi tối ưu đều tốt hơn trong việc tăng hiệu suất lên tới 90% so với thiết kế lõi cơ bản.
Hình 1.13. Hình dạng lõi của động cơ BLDC [46]
Hình 1.13 cho thấy bốn thiết kế hình dạng lõi khác nhau của stator: a. Lõi cơ bản
b. Lõi có rãnh c. Lõi tròn d. Lõi tối ưu
Sự lựa chọn tỷ lệ số cực và số rãnh cũng ảnh hưởng đến mô men đập mạch trong máy [47], [48]. Nghiên cứu được thực hiện bởi [49] cho thấy ảnh hưởng của số lượng cực đến hiệu suất động cơ, như trên hình 1.14, M.Fazil và K.R.Rajagopal kết luận rằng sử dụng 8 cực là lựa chọn tốt nhất khi xét đến hiệu quả và chi phí sản xuất.
Việc tăng số lượng cực sẽ làm tăng chi phí sản xuất do đó cần phải cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định số lượng cực được sử dụng. Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi Li Zhu cùng các cộng sự chỉ ra mối quan hệ giữa số cực, số rãnh và đỉnh của mô men đập mạch [48]. Theo hình 1.15, giá trị mô men đập mạch tăng lên khi tỷ lệ số cực nam châm vĩnh cửu và số rãnh tăng lên.
Hình 1.15. Mô men điện từthay đổi khi kết hợp giữa sốrãnh và cực [48]
Mô men đập mạch chịu tác động lớn đối với góc nghiêng của nam châm vĩnh cửu. Fazil M. và các cộng sự đã tiến hành một thí nghiệm để xét mối quan hệ giữa vị trí lệch của nam châm vĩnh cửu ảnh hưởng đến giá trị mô men đập mạch. Họ đã thử nghiệm ở các vị trí góc nghiêng 300, 450, 600 và nhận thấy rằng khi góc nghiêng tăng lên, giá trị mô men đập mạch giảm xuống [50]. Hạn chế của kỹ thuật này là làm cho chi phí sản xuất tăng lên vì khó khăn trong việc từ hóa hàng loạt nam châm vĩnh cửu, tăng điện cảm rò rỉ, tăng tổn thất phân tán và cũng làm giảm công suất điện từ của máy [51], [52]. Một đề xuất ghép nối hai loại răng với chiều rộng khác nhau có thể làm giảm mô men đập mạch, do đó giảm được tiếng ồn âm thanh. Kết quả thí nghiệm cho thấy việc đề xuất ghép nối răng làm giảm 85% mô men đập mạch và tiếng ồn âm thanh xuống 3,1dB [53].
1.3. Các tồn tại và đề xuất nghiên cứu động cơ BLDC rotor ngoài
Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả nhận thấy rằng có rất nhiều phương pháp nghiên cứu để giảm mô men đập mạch ở động cơ BLDC nhằm nâng cao hiệu năng của máy bằng cách tối ưu các thông số thiết kế ở stator và rotor. Thông thường, các phương pháp hiệu quả để 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 cập đến động cơ BLDC rotor ngoài được đề xuất trong luận án.
Do cấu trúc đặc biệt của BLDC rotor ngoài là từ hóa tiếp tuyến, nên hầu hết các phương pháp đã nêu khó đạt được đối với cấu trúc cơ học động cơ BLDC rotor ngoài đề xuất trong luận án. Một phương pháp mới dựa trên việc áp dụng kết hợp chiều rộng miệng rãnh và độ phủ nam châm để giảm mô men đập mạch được đề xuất lần đầu tiên trong luận án này. Để cho thấy sự cải tiến của phương pháp, động cơ BLDC rotor ngoài, nam châm gắn mặt trong gông rotor được chọn làm đối tượng nghiên cứu.
Chiều rộng miệng rãnh, độ phủ nam châm là hai thông số đại diện cho stator và rotor trong một động cơ. Khi lựa chọn các thông số này phù hợp sẽ góp phần quan trọng trong thiết kế nâng cao hiệu năng, cải thiện chất lượng mô men động cơ.
Để giải bài toán kết hợp được cả 2 thông số với cùng một mục đích giảm mô men đập mạch. Tác giả đề xuất hai phương pháp nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu năng của máy, đó là: Phương pháp mô hình hóa máy điện bằng các hệ phương trình vi phân và phương pháp hiện đại sử dụng phần mềm Ansys Maxwell để mô phỏng các kết quả tính toán.
Luận án lựa chọn phương pháp mô hình hóa mạch từ tương đương và giải tích để nghiên cứu, tính toán giảm mô men đập mạch BLDC. Phương pháp PTHH sẽ được luận án vận dụng để kiểm chứng các kết quả từ phương pháp mô hình hóa mạch từ tương đương.
1.4. Vật liệu dẫn từ trong động cơ BLDC
1.4.1. Khái niệm mạch từ
1.4.1.1 Khái niệm cơ bản
Mật độ từ thông B, cường độ từ trường H là hai đại lượng véc tơ cơ bản cùng chiều trong vật liệu. Đối với vật liệu nam châm thiết kế động cơ, khoảng làm việc
B, H nằm trong vùng tuyến tính vì vậy khi tiến hành thiết kế, xác định khoảng tuyến tính trong miền làm việc của động cơ là một trong những bước đầu tiên.
Xét khối đơn vị của đối tượng từ như hình 1.16 với các định hướng B, H theo trục z.
Mối quan hệ giữa B, H là không tuyến tính trên toàn miền và được tính gần đúng theo công thức:
B =μH (1.1)
Với 𝜇: Hệ số từ thẩm của vật liệu.
Trong mô hình đơn vị từ trường cơ bản, hai thông số luôn được xét là mật độ từ thông và cường độ từ trường cùng với sức từ động (𝐹 − 𝑀𝑀𝐹).
Hình 1.16. Vi phân phần tửđơn vị vật liệu từ[54]
Phát triển mô hình ở hình 1.16 thành mảng định hướng như hình 1.17, tổng từ thông 𝛷 đi qua đối tượng bằng tổng từ thông đi qua từng khối đơn vị 𝑑𝛷. Khi đó từ thông được tính theo công thức:
Ф = ∫ 𝐵𝑧(𝑥, 𝑦)𝑑𝑥𝑑𝑦 (1.2) Theo các phân tích ở trên Bz = B, giá trị từ thông được tính là:
Ф = BA (1.3)