Các nghiên cứu về tối ưu hóa kết cấu SRM để giảm thiểu nhấp nhô mômen và tiếng ồn của của động cơ có các kết quả đáng chú ý như:
Tài liệu [15], tác giả nghiên cứu lựa chọn hình dạng các phiến xếp chồng của stator và sử dụng vật liệu gốm sứ không dẫn từ chèn vào giữa các cực của stator (Hình 1.2a). Sử dụng phương pháp này đã tăng cường độ cứng của stator, giảm biến dạng stator và do đó giảm tiếng ồn động cơ (trên 10% so với cấu hình truyền thống).
Tài liệu [16], tác giả đã đã sử dụng Matlab Simulink để phân tích và mơ phỏng kết cấu stator hình chữ U cho SRM 24/22. Kết quả SRM có cấu trúc stator hình chữ U giảm được 70% độ nhấp nhô mômen. Tuy nhiên sử dụng phương pháp này lại làm giảm hiệu suất động cơ, do tổn hao đồng tăng lên 40%.
Tài liệu [17][18][19], các tác giả đề xuất thiết kế kết cấu stator kép cho SRM (Hình 1.2b) để giảm tiếng ồn, tăng lực tiếp tuyến dẫn đến cải thiện được cơng suất cho SRM.
a) b)
Hình 1.2 Kết cấu chèn phiến ngăn stator (a) và stator kép (b)
Tài liệu [20][21], các tác giả đưa ra giải pháp kết cấu cực nghiêng cho stator và rotor của SRM (Hình 1.3). Bằng phương pháp phân tích FEM trên phần mềm Ansys maxel, các tác giả đã phân tích và so sánh ba phương án nghiêng khác nhau của SRM: SR-SRM - chỉ nghiêng cực rotor, SS-SRM - chỉ nghiêng cực stator, SSR-SRM - nghiêng cả cực stator và rotor. Kết quả phương án nghiêng cả stator và rotor là phương án có khả năng giảm thiểu độ rung ồn và nhấp nhô mômen tốt nhất. Tuy nhiên mơmen trung bình và hiệu suất của động cơ lại giảm đi rất nhiều. Ở mức chấp nhận được thì cần phải đạt được tỉ lệ giảm của mơmen trung bình và hiệu suất sẽ phải nhỏ hơn tỉ lệ giảm độ nhấp nhô mơmen và tiếng ồn.
Tài liệu [22], tác giả đề xuất phương án làm giảm tiếng ồn cho SRM bằng cách xếp nghiêng cực stator. Bằng phương pháp phân tích FEM trên phần mềm Ansys Maxel tác giã đã tính được góc nghiêng tối ưu là 200. Phương án này hiệu quả trong việc giảm độ ồn cho động cơ nhưng đồng thời cũng làm giảm mơmen trung bình.
Tài liệu [23], nhóm tác giả đã đề xuất phương án đục lỗ rotor để làm giảm thành phần lực hướng tâm, từ đó từ đó giảm được độ nhấp nhơ mơmen cho SRM 8/6 (Hình 1.4). Bằng việc xây dựng mơ hình trên Ansys Maxcel, sử dụng phương pháp phân tích FEM và thực nghiệm, tác giả khảo sát các kích thước, vị trí khác nhau của lỗ đục. Kết quả vị trí các lỗ đục với kích thước h =19 mm và r = 7 mm thì độ ồn giảm đi 63,32 dB và độ rung giảm đi 1,6 mm/s. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy phương án đục lỗ đã làm giảm được độ rung ồn của động cơ mà vẫn giữ được cơng suất đầu ra.
Hình 1.4 Kết cấu đục lỗ trên gơng rotor SRM 8/6
Phương án tạo khía rãnh trên rotor theo hướng thuận chiều quay (Hình 1.5) cũng là một phương pháp hữu hiệu để giảm độ nhấp nhô mômen cho SRM [24]. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra với việc tạo các rãnh có chiều sâu 2 mm làm nhấp nhơ mơmen giảm 4,4% nhưng mơmen trung bình chỉ giảm 0,8%.
Hình 1.5 Kết cấu khía rãnh trên cực rotor SRM 8/6
Thiết kế cực rotor SRM theo kiểu tạo cánh trên mỏm cực rotor (Hình 1.6) cũng giảm thiểu độ nhấp nhơ mơmen cho SRM [25][26]. Với phương án này, độ nhấp nhô mômen giảm được 2,5 lần so với kết cấu cực rotor có dạng thẳng.
Hình 1.6 Hình dạng tạo cánh trên mỏm cực rotor
Một phương án khác như làm lõm mặt cực stator và tạo cạnh chữ T cho cực rotor (Hình 1.7) cũng giảm thiểu độ nhấp nhô mômen một cách đáng kể [27]. Thông số tối ưu của phần lõm trên mặt cực stator là 0,26mm và bề mặt cực rotor chữ T rộng thêm 1,350 mỗi bên, độ nhấp nhô mômen giảm được 23%.
Hình 1.7 Kết cấu dạng lõm bề mặt cực stato và cực rotor chữ T
Theo tài liệu [28][29][30], các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cực stator, rotor đến độ nhấp nhô mômen. Bằng phương pháp xây dựng mơ hình 3D trên Simulink, phân tích FEM và thực nghiệm, tác giả đã kết luận: số cực rotor nhiều hơn số cực stator thì SRM có khả năng tăng mơmen, giảm được độ nhấp nhô mômen; kết cấu SRM 6/10 (6 cực stator và 10 cực rotor) có mơmen cực đại tăng 30 ÷ 47% và mơmen trung bình tăng 24 ÷ 51% so với động cơ 6/4. Tuy nhiên kết cấu SRM 6/10 thích hợp với những ứng dụng tốc độ thấp.
Tài liệu [31], nhóm tác giả đề xuất cực stator, cực rotor có dạng hình thang và khảo sát các góc cực stator, rotor khác nhau của SRM 8/6 (Hình 1.8) sử dụng phần mềm Ansys Maxcel và phân tích FEM.
Hình 1.8. Kết cấu hình thang cực stator, rotor SRM 8/6
Khi góc cực stator được giữ cố định là 20,20 và thay đổi góc cực ngồi của rotor (βr_outer) từ 180 đến 340, nhận được kết quả βr_outer = 300 là góc tối ưu của rotor.
Khi giữ cực rotor ở 23,50; thay đổi góc cực trong của stator (βs_iner) từ 150 ÷ 260; với
góc cực stator β = 250 thì đạt được mơmen trung bình lớn nhất và phần trăm nhấp
nhơ mơmen nhỏ nhất.
Trong tài liệu [32], nhóm tác giả đã đề xuất hàm tối ưu đa mục tiêu: tối ưu tỉ số giữa đường kính ngồi lõi thép stator và chiều dài trục (kDL); tối ưu tỉ số giữa đường kính ngồi rotor và đường kính ngồi stator (kRS). Kết quả đạt được: tỉ số giữa đường kính ngồi lõi thép stator và chiều dài trục bằng 2,64 và tỉ lệ giữa đường kính ngồi của rotor với đường kính ngồi stator bằng 0,65 thì động cơ SRM có mơmen trung bình lớn nhất, tỉ lệ mơmen trên chiều dài lõi thép là cao nhất.
Tài liệu [33], nhóm tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, tính tốn tối ưu chiều dài lõi thép và chiều dài khe hở khơng khí để tối đa hóa mơmen, hiệu suất của động cơ SRM 18/12 – 50 kW. Kết quả đạt được: chiều dài lõi thép là 156 mm; khe hở khơng khí là 0,5; hiệu suất đến 95%.
Tài liệu [34], nhóm tác giả khảo sát trên mơ hình động cơ SRM ứng dụng cho xe điện với nhiều cấu trúc khác nhau: 6/4; 12/8; 18/12; 24/16; 30/20; 36/24. Sử dụng thuật tốn tối ưu với hàm mục tiêu: tối thiểu hóa nhấp nhơ mơmen, tối đa hóa hiệu suất động cơ. Với kết cấu SRM 12/8 tác giả đã chỉ ra góc cực stator bằng 150 thì đạt được hàm mục tiêu: độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất, hiệu suất cao nhất.
Tài liệu [35], nhóm tác giả sử dụng thuật tốn tối ưu GA tính tốn tối ưu góc cực stator và góc cực rotor để giảm thiểu nhấp nhô mômen. Tác giả thực hiện trên mơ hình SRM 8/6, 4 pha 1,0 kW, 1500 vịng/phút với hàm mục tiêu hai biến là từ thơng cực đại và tỉ số điện cảm đồng trục/ điện cảm lệch trục cực đại. Kết quả tác giả đạt được góc cực stator βs = 29.530 và góc cực rotor βr = 35.920 thì có độ nhấp nhơ mơmen giảm cịn trên 70% so với kết cấu ban đầu βs = 280; βr =320.
Tài liệu [36], nhóm tác giả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor đến đặc tính mơmen tĩnh của SRM 6/4. Tác giả khảo sát từng giá trị của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator trong khoảng 0,45 đến 0,60 với bước nhảy 0,05 và tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor thay đổi từ 0,45 đến 0,55 với bước nhảy 0,05. Các tác giả kết luận: với giá trị tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor bằng 0,45 và tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator bằng 0,5 thì điểm cực đại trên đường đặc tính mơmen tĩnh là cao nhất; tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor là 0,6; tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator bằng 0,45 thì điểm cực đại của mơmen tĩnh ở vị trí thấp nhất.
Tài liệu [37], nhóm tác giả tính tốn thiết kế tối ưu SRM 12/10 bốn pha, sử dụng thuật tốn tối ưu GA. Nhóm tác giả đặt ra hàm mục tiêu là tối thiểu hóa nhấp nhơ mơmen với hai biến là góc cực stator, góc cực rotor. Tác giả khảo sát trong giới hạn: góc cực rotor lớn hơn hoặc bằng góc cực stator; tỉ số góc cực stator/ bước cực stator, tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor bằng 0,3 đến 0,5. Các tác giả kết luận: tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor đều bằng 0,4 thì SRM 12/10 có độ nhấp nhơ mơmen nhỏ nhất.
Tài liệu [38], nhóm tác giả tính tốn thiết kế tối ưu SRM 16/20 bốn pha bằng thuật tốn tối ưu GA. Nhóm tác giả đặt hàm đa mục tiêu: tối thiểu hóa nhấp nhơ mơmen, tối đa hóa hiệu suất và mơmen trung bình động cơ với nhiều biến: khe hở khơng khí (g), đường kính trong stator (Dis), đường kính ngồi stator (Dos), bề dầy gông stator (bsy), bề dầy gông rotor (bry), chiều cao cực stator, rotor (hs, hr), đường kính trong rotor (Dir), góc cực stator (βs), góc cực rotor (βr), góc đóng dịng điện θon, góc mở dịng điện θoff . Nhóm tác giả kết luận giá trị của các biến là: Dis = 25mm; Dos =179,5mm; Dir =180mm; g =0,25mm; bsy =31,75mm; bry =10mm; hs =45,5mm; hr =10mm; βs = 90; βr =6,50; θon =500; θoff =700 thì hiệu suất, mơmen trung bình lớn nhất và nhấp nhơ mơmen nhỏ nhất.
Các phương án như thiết kế tối ưu SRM, thiết kế hình dạng khác nhau của cực stator, cực rotor thì phương án gắn nam châm vĩnh cửu trợ giúp nhằm giảm thiểu độ nhấp nhô mômen, nâng cao mơmen trung bình cho SRM cũng được nhiều nhà nghiên cứu chú ý đến, điển hình có các cơng trình như:
Tài liệu [39], nhóm tác giả khảo sát hai mơ hình SRM 12/8 và SRM 12/10 có gắn nam châm vĩnh cửu trên bề mặt rãnh stator (Hình 1.9). Các tác giả kết luận: SRM có gắn nam châm vĩnh cửu ít có khả năng bị bão hịa hơn, có từ thông tổng cao hơn và giảm độ nhấp nhô mômen so với SRM khơng gắn nam châm và SRM 12/10 có điện cảm lớn hơn SRM 12/8 khi đều gắn nam châm vĩnh cửu.
Hình 1.9 Hình ảnh SRM 12/8 và SRM 12/10 có gắn nam châm vĩnh cửu
Tài liệu [40], nhóm tác giả đề xuất phương án gắn nam châm vĩnh cửu trên gơng stator (Hình 1.10). Nhóm tác giả đưa ra kết luận mơmen trung bình của SRM có gắn nam châm cao hơn 75,9% so với của SRM khơng gắn nam châm.
Hình 1.10 Kết cấu stator có gắn nam châm trên gơng stator
Tài liệu [41], nhóm tác giả, đề xuất gắn nam châm vĩnh cửu vào giữa các đầu cực của stator và so sánh với kết cấu SRM gắn nam châm vĩnh cửu trên gông stator. Kết quả tác giả kết luận: việc gắn nam châm vĩnh cửu vào bên giữa các đầu cực stator đã đạt mômen và hiệu suất của cao hơn khi gắn nam châm vĩnh cửu trên gơng stator.
Như vậy có thể thấy có rất nhiều các phương pháp để giảm thiểu độ rung ồn, độ nhấp nhô mômen cho động cơ. Tuy nhiên mỗi phương pháp khi cải thiện được về độ rung ồn hay độ nhấp nhơ thì đồng thời cũng phải chấp nhận sự suy giảm về mơmen trung bình, hay hiệu suất của SRM.
Các nghiên cứu về cải thiện phương pháp điều khiển SRM để giảm thiểu nhấp nhô mômen và tiềng ồn có các kết quả đáng chú ý như:
Tài liệu [42][43], các tác giả đề xuất phương thức điều khiển kết hợp với biến tần để giảm độ nhấp nhô mômen, sử dụng phương pháp FEM để đánh giá, phân tích. Phương pháp này giảm được độ nhấp nhơ mơmen đáng kể mà khơng làm giảm nhiều mơmen trung bình. Ngồi ra phương án ngắt dòng điện vào mỗi pha dây quấn stator bằng cách chuyển pha hai bước cũng làm suy yếu sự biến đổi đột ngột của dòng điện pha, từ đó triệt tiêu tiếng ồn và giảm độ nhấp nhơ mômen[44][45][46].
1.6 Một số nhận xét và đề xuất nghiên cứu SRM
- Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp phần tử hữu hạn và thuật tốn tính tốn tối ưu GA, được mơ phỏng bằng các phần mềm như Ansys Maxcell,
Matlab. Các phương pháp nghiên cứu này là các phương pháp nghiên cứu hiện đại, nếu các thơng số mơ phỏng được tính tốn lựa chọn đúng với thơng số thực của SRM thì có tính chính xác cao. Vì vậy, trong luận án tác giả cũng sử dụng các phần mềm Ansys Maxcell, Matlab, sử dụng FEM để nghiên cứu và kiểm chứng các kết quả thông qua một số so sánh thực nghiệm.
- Các nghiên cứu được công bố đều phân tích nhấp nhơ mơmen phụ thuộc vào dạng sóng dịng điện, điện áp, số cực rotor và stator, hình dáng và kích thước cực stator, hình dáng cực rotor. Tuy nhiên ảnh hưởng của góc cực rotor đến biên độ các sóng hài mơmen hay nhấp nhơ mơmen và quan hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dịng điện đến đặc tính mơmen thì chưa được xem xét cụ thể.
Kế thừa các kết quả tổng quát trên, luận án đề xuất hướng nghiên cứu: phân tích ảnh hưởng ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor đến mơmen trung bình; ảnh hưởng của góc cực rotor đến độ nhấp nhơ mơmen và mối quan hệ giữa góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor nhằm cải thiện mơmen trung bình và độ nhấp nhơ mơmen trong SRM ba pha. SRM 3 pha trong nghiên cứu sử dụng động cơ với số cực stator là bội của 3: 6/4 và 12/8, vì loại động cơ này được sử dụng phổ biến (chiếm đến 70% số lượng các động cơ từ trở).
1.7 Kết luận chương 1
Nội dung chương đã giới thiệu lịch sử phát triển SRM, ưu nhược điểm; ứng dụng của SRM trong các hệ thống truyền động và phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu về SRM hiện nay, từ đó đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án.
SRM hiện nay là một trong những loại động cơ có xu hướng sử dụng nhiều cho những truyền động tốc độ cao, có yêu cầu điều chỉnh tốc độ dễ dàng, trong phạm vi rộng, gọn
nhẹ. SRM ứng dụng cho xe điện có nhiều ưu điểm nổi bật như chi phí chế tạo thấp, mơmen khởi động lớn, dải tốc độ làm việc rộng, kết cấu nhỏ gọn, tuổi thọ cao. Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn và vi điều khiển nên việc thiết kế chế tạo bộ điều khiển cho SRM vốn trước đây chiếm phần đầu tư đáng kể trong sản phẩm SRM thì nay đã trở nên dễ dàng.
Các cơng trình nghiên cứu trong và ngoài nước chủ yếu liên quan đến việc giảm độ nhấp nhô mômen và độ rung, ồn ở động cơ SRM, bằng cách tối ưu thông số thiết kế ở stator, rotor và hoàn thiện phương pháp điều khiển.
Trên phương diện cải thiện kết cấu stator, rotor của động cơ thì phần lớn các nghiên cứu tập trung vào cải thiện hình dáng cực rotor; đề xuất gắn nam châm vĩnh cửu trên gông hay cực stator. Các cấu trúc SRM 8/6; 12/8; 6/4 thì được đề cập đến nhiều hơn so với cấu trúc SRM có nhiều cực stator/rotor như 12/10, 8/10; 16/20; 16/24; 36/24. Các kết quả nghiên cứu đa dạng nhưng mang tính chun dụng, tính tốn tối ưu đều áp dụng cho một kích thước, kết cấu SRM nhất định, khó kết hợp để khắc phục các nhược điểm từng phương pháp.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH TỐN SRM
2.1 Kết cấu SRM
SRM có kết cấu phần điện từ đơn giản hơn rất nhiều so với một số loại động cơ thông thường khác như động cơ xoay chiều ba pha, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều [1]. Cụ thể:
Stator được ghép bằng các lá thép kĩ thuật điện, được chế tạo dạng cực lồi. Dây quấn stator là dây quấn tập trung đơn giản được quấn trên mỗi cực stator, các cuộn dây