Mơ hình Số lượng phần tử Số lượng nút
FI-PMa-SynRM 12467 6712
Inset SPMSM model 10147 5553
SynRM model 12615 6786
( ) ( ) 3 3 2 d d q q q d 2 d q d q T = p L I I −L I I = p L −L I I (2-1) trong đó p là số đơi cực.
- Đối với “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model”:
( ) ( )
3 3
2 m d d q q d q 2 m q d q d q
T = p +L I I −L I I = p I + L −L I I
(2-2) Theo lý thuyết “Inset SPMSM model” là kiểu máy điện nam châm vĩnh cửu nên kiện mơ-men cực đại theo dịng điện (maximum torque per ampere hay MTPA)
Hình 3.2. Chia lưới mơ hình: (a) FI-PMa-SynRM; (b) Inset SPMSM model; (c) SynRM model; (d) Modified SynRM.
sẽ đạt được với góc (pha) dịng điện dương. Điều kiện mơ-men cực đại theo dịng điện được hiểu là khi cung cấp một giá trị dịng điện phần ứng nào đó, ta sẽ điều chỉnh góc (pha) dịng điện để làm sao tạo ra được giá trị mơ-men trung bình là lớn nhất. Ngược lại với với “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” là kiểu máy điện dựa trên cơ sở từ trở nên điều kiện mô-men cực đại theo dịng điện sẽ đạt được với góc dịng điện âm [11]. Do đó, mặc dù cơng thức mơ-men là tương tự, cơ chế điện từ trường của “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model” là khác nhau. Thêm nữa, thành phần mơ-men bổ sung có thể đạt được với sự xuất hiện của nam châm trong hai mơ hình máy điện này. Tuy nhiên, sự khác biệt về rào chắn từ thông trong cũng là rào chắn từ thơng chính có thể mang lại sự khác biệt về khả năng sản sinh mô- men.
3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NAM CHÂM VĨNH CỬU RÀO CHẮN TỪ THÔNG
ĐẾN HIỆU NĂNG
Trong mục này, ảnh hưởng của nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông được xem xét độc lập theo các vấn đề liên quan đến hiệu năng của máy điện từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu hỗ trợ từ thơng tăng cường. Bên cạnh đó sự phối hợp giữa nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông đến các tính chất của máy điện là khơng thể phủ nhận.
3.2.1 Phân bố từ trường trong máy điện
Sự khác biệt giữa các mơ hình được nêu ở mục trên liên quan chặt chẽ đến sự phân bố từ trường trong đó điều kiện khơng tải sẽ được xem xét trước tiên trong đó các đường sức từ và một độ từ thơng được trình diễn trên Hình 3.3. Để phù hợp với điều kiện không tải, chỉ FI-PMa-SynRM và Inset SPMSM model được xem xét.
Có thể nhận thấy đối với FI-PMa-SynRM, từ thông tập trung trong khoảng không gian nằm giữa hai rào chắn từ thông liền kề trong khi đối với Inset SPMSM model thì từ thơng lại tập trung quanh nam châm vĩnh cửu. Theo cách khác, Hình 3.4 mơ tả sự so sánh từ thơng móc vịng của nam châm giữa các mơ hình này. Có thể nhận thấy một điểm thú vị đó là từ thơng móc vịng của nam châm của Inset
SPMSM model lớn hơn một so với của FI-PMa-SynRM. Điều này chỉ ra rằng rào chắn từ thông trên rotor của FI-PMa-SynRM ảnh hưởng đến từ thơng móc vịng tạo bởi nam châm, có nghĩa ta có thể sử dụng rào chắn từ thông này để điều chỉnh sự phân bố mật độ từ thông trên các máy điện. Cần lưu ý rằng sự phân tích tại điều kiện khơng tải có thể cung cấp một cái nhìn tỏng quát về ảnh hưởng của rào chắn từ thông trong khi hiệu năng của máy điện cần được nghiên cứu đầy đủ với điều kiện xuất hiện của dòng điện phần ứng.
Tiếp theo cần xem xét sự phân bố từ trường khi có dịng điện phần ứng hay chính là điều kiện mơ-men cực đại theo dịng điện. Như đã được nhắc đến ở trên, “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” sẽ đạt được điều kiện mơ-men cực đại theo dịng điện tại góc dịng điện âm trong đó “SynRM model” có góc dịng điện lớn hơn, nghĩa là –39 độ đối với “SynRM model” và –25 độ đối với “FI-PMa-SynRM”. Điều này là phù hợp với biểu đồ pha và các cơng thức mơ-men trung bình đã được trình bày. Hình 3.5 mơ tả sự phân bố và mật độ từ thông trong các mơ hình máy điện trong điều kiện này. Có thể thấy mật độ từ thơng ở vùng khơng gian nằm giữa hai rào chắn từ thông trong liền kề của “SynRM model” là thấp hơn rất nhiều khi so sánh với của “FI-PMa-SynRM”. Điều này có thể được hiểu là do sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu trong khi nam châm vĩnh cửu lại có khả năng tác động rất lớn sự phân bố của từ trường của các cấu hình rotor này và đóng một vai trị quan trọng đến sự vận hành của “FI-PMa-SynRM”. Ngược lại, “Inset SPMSM model” lại đạt được điều kiện mơ-men cực đại theo dịng điện tại góc dịng điện dương (cụ thể là 19 độ), và sự phân bố mật độ từ thơng là tốt hơn nhiều khi so sánh với nó tại chế độ khơng tải.
Cuối cùng, để miêu tả đầy đủ sự khác biệt về phân bố từ trường giữa các mơ hình máy điện này, mật độ từ thông trên nam châm vĩnh cửu sẽ được xem xét bằng
Vị trí rotor (góc cơ)
cách xét một số điểm đại diện. Với mục đích này, ta sẽ xét hai tình huống:
- Tình huống (1), “Inset SPMSM model” được cho làm việc với góc dịng điện –25 độ, có nghĩa là tương tự với điều kiện mơ-men cực đại của “FI-PMa-SynRM” hay có nghĩa là chế độ từ thơng tăng cường. Hình 3.6 trình diễn mật độ từ thơng trên nam châm của “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model” ở điều kiện này. Có thể thấy mật độ từ thông tổng quát trên nam châm vĩnh cửu cơ bản cải thiện mặc dù một số phần của nó có thể vẫn có điểm làm việc thấp.
Hình 3.5. Mật độ từ thơng tại điều kiện mơ-men cực đại theo dịng điện. Phía trên bên trái: FI-PMa-SynRM, phía trên bên phải: Inset SPMSM
- Tình huống (2), khi “Inset SPMSM model” làm việc ở điều kiện mơ-men cực đại theo dịng điện của nó (có nghĩa là ở góc dịng điện 19 độ) thì điểm làm việc của nam châm vĩnh cửu là rất thấp hơn nhiều như được trình diễn trên Hình 3.7. Điều này là từ nguyên tắc cố hữu của các máy điện nam châm vĩnh cửu là làm việc ở chế độ từ thơng suy giảm (flux weakening).
Bên cạnh đó, các điểm có mật độ từ thơng thấp trên nam châm vĩnh cửu nằm gần với phần khơng khí, ví dụ như đối với “Inset SPMSM model” điểm có mật độ từ thông thấp trên nam châm vĩnh cửu nằm gần các rãnh stator, trong khi đối với “FI-PMa-SynRM” các điểm này nằm gần các rãnh stator và đầu cuối của các rãnh chắn từ thông. Điều này ngụ ý rằng các điểm có mật độ từ thơng thấp trong các phần của nam châm vĩnh cửu (cục bộ) là một vấn đề cố hữu của các cấu hình rotor mà
Hình 3.7. Mật độ từ thơng trên nam châm vĩnh cửu ở góc dịng điện –25 độ.
Hình 3.6. Mật độ từ thơng trên nam châm vĩnh cửu của “Inset SPMSM model” ở góc dịng điện 19 độ.
nam châm vĩnh cửu nằm ở bề mặt.
3.2.2 Sự biến đổi của điện cảm
Hình 3.8 miêu tả sự biến đổi của điện cảm theo giá trị dòng điện khi dịng điện được đặt theo trục d. Có thể thấy rằng điện cảm của “Inset SPMSM model” được thể hiện bằng các đường cong màu xanh nước biển thì điện cảm dọc trục Ld nhỏ hơn một chút so với điện cảm ngang trục Lq và cà hai điện cảm này đều giảm khi giá trị dòng điện tăng lên do đó “saliency (Ld/Lq)” sẽ nhỏ hơn 1 một chút. Điều này là do thực tế rằng việc thêm nam châm vĩnh cửu bề mặt vào trục d có thể làm giảm điện cảm dọc trục và do đó làm cho giá trị điện cảm dọc và ngang trục lại gần với các máy điện đồng bộ thông thường. Đối với điện cảm của FI-PMa-SynRM và SynRM được thể hiện bằng màu da cam và xanh lá cây tương ứng, điện cảm dọc trục đều lớn hơn điện cảm ngang trục dẫn đến “saliency” của các mơ hình máy điện này đều lớn hơn 1. Mặt khác, có thể thấy rằng xu hướng của điện cảm (bao gồm Ld và Lq) của FI-PMa-SynRM và Inset SPMSM là khá khác nhau. Tuy nhiên, để so sánh giữa FI-PMa-SynRM và SynRM, Lq của chúng là tương đương nhưng Ld của SynRM giảm nhanh theo dòng điện trong khi Ld của FI-PMa-SynRM vẫn duy trì được một
độ lớn gần như ít thay đổi khi giá trị dòng điện được thay đổi. Điều này chỉ ra rằng
Giá trí dịng điện (A)
Hình 3.8. Sự biến đổi của điện cảm và saliency theo giá trị dòng điện đối với FI-PMa-SynRM (1), Inset SPMSM model (2) và SynRM model (3).
sự xuất hiện của rào chắn từ thông làm thay đổi đáng kể các thuộc tính của điện cảm trong khi sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu chủ yếu ảnh hưởng đến điện cảm dọc trục khi so sánh “FI-PMa-SynRM” với các biến thể là “Inset SPMSM model” và “SynRM model”.
3.2.3 Sự biến đổi của mơ-men
Hình 3.9 miêu tả sự biến đổi của mơ-men trung bình theo góc dịng điện của các mơ hình này đối với dòng điện cực đại và dòng điện định mức (120 A và 60 A). điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện của “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” đạt được với góc dịng điện âm trong khi đối với “Inset SPMSM” là với góc dịng điện dương là phù hợp với các phân tích phía trên. Thêm nữa, với một lượng nam châm vĩnh cửu được thêm vào mà chỉ chiếm 0,72 % so với thể tích động cơ nhưng “FI-PMa-SynRM” có thể sản sinh ra mơ-men cao gấp 1,77 và 1,34 lần so với mô-men tạo được bởi “SynRM model” tương ứng tại các giá trị dòng điện định mức và cực đại. Mặt khác, “FI-PMa-SynRM” cũng tạo ra mô-men cao gấp 1,4 và 1,73 lần so với khả năng sản sinh mô-men của “Inset SPMSM model” tương ứng với các giá trị dòng điện định mức và cực đại.
Tiếp theo, sự dao động của mơ-men tức thời theo vị trí rotor ứng với giá trị dịng điện định mức của các mơ hình trên được trình diễn ở Hình 3.10. Có thể thấy
Góc dịng điện (góc điện)
rằng sự dao động của mơ-men tức thời của “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” là tốt thấp hơn rất nhiều so với của “Inset SPMSM model”. Điều này ngụ ý rằng rào chắn từ thơng trong đóng một vai trị quan trọng cho việc tối thiểu hóa sự dao động của mơ-men tức thời.
3.3 TĨM LƯỢC
Từ những phân tích trên về các đặc tính của các mơ hình máy điện gồm “FI- PMa-SynRM” và hai biến thể của nó là “Inset SPMSM model” và “SynRM model”, có một số kết luận có thể rút ra như sau:
- Sự xuất hiện của rào chắn từ thông trong “FI-PMa-SynRM” giúp cho nam châm vĩnh cửu được bảo vệ tốt hơn cũng như dẫn đến sự đảo ngược tính chất điện cảm, điều này thể hiện qua sự so sánh giữa “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model”.
- Sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu trong “FI-PMa-SynRM” dẫn đến sự tăng cường của mật độ từ thông trong lõi thép và làm thay đổi rất nhiều giá trị điện cảm dọc trục, điều này thể hiện qua sự so sánh giữa “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model”.
- Sự phối hợp của nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông trong “FI-PMa- SynRM” giúp tăng cường khả năng sản sinh mơ-men khi so sánh nó với hai biến thể
Góc rotor (góc cơ)
CHƯƠNG 4. CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN CỦA MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ SỬ DỤNG CƠ CHẾ TỪ THÔNG TĂNG CƯỜNG
Trong chương này việc cải thiện mật độ mô-men của máy điện từ trở mà tránh được hiện tượng khử từ không thể phục hồi với những ưu điểm của cơ chế từ thông tăng cường được sử dụng trong mơ hình “FI-PMa-SynRM” tiếp tục được mở rộng phân tích thơng qua việc đánh giá các vấn đề về khử từ và sản sinh mô-men.
4.1 SỰ KHỬ TỪ CỤC BỘ
Khử từ là một trong những vấn đề hệ trọng đối với các máy điện có sử dụng nam châm vĩnh cửu. Thông thường các phần trên nam châm vĩnh cửu của các máy điện khơng có mức độ khử từ giống nhau, do đó việc đánh giá sự khử từ của nam châm vĩnh cửu thường xem xét theo từng phần khơng gian, hay nói theo cách khác là khử từ cục bộ. Đối với nam châm vĩnh cửu sử dụng cho “FI-PMa-SynRM”, năm điểm quan sát được lựa chọn dọc theo chiều rộng của nó như được thể hiện trên Hình 4.1.
Sau khi cho dịng điện phần ứng vào, các giá trị mật độ từ thông tại các điểm này được khảo sát như được trình diễn trên Hình 4.2. Có thể nhận thấy mật độ từ
thơng tại điểm A và B là thấp hơn khi so sánh với các điểm khác, điều này ngụ ý rằng phần không gian của nam châm vĩnh cửu nằm giữa điểm A và B có thể dễ bị khử từ hơn các vùng khơng gian khác. Bên cạnh đó, cũng dễ dàng nhận thấy rằng vùng không gian này nằm gần với điểm cuối của rào chắn từ thông trong và điều này là phù hợp với tiên đoán ở các mục trước. Tuy nhiên, điểm cần đặc biệt lưu ý đó là mật độ từ thơng tại vùng này khơng q thấp có nghĩa hiện tượng khử từ khơng thể phục hồi khơng có khẳ năng xảy ra trong khi bề dày của nam châm vĩnh cửu là nhỏ chỉ 1,5 mm. Mặt khác, với cấu trúc tương đối đơn giản nên các cấu trúc tương tự có thể được thiết kế với một số điều chỉnh nhỏ như sử dụng nam châm vĩnh cửu dày hơn để có thể hồn tồn tránh được hiện tượng khử từ khơng thể phục hồi.
4.2 KHẢ NĂNG CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN
Trong chương trước, việc so sánh “FI-PMa-SynRM” và hai biến thể của nó là “Inset SPMSM model” và “SynRM model” đã được dùng để đánh giá vai trò của
Vị trí rotor (góc cơ)
Hình 4.2. Sự thay đổi giá trị mật độ từ thông tại các điểm quan sát. sát.
nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thơng trong mơ hình máy điện đã được thiết kế. Ở mục này để đánh giá đầy đủ khả năng cải thiện mật độ mơ-men của mơ hình đã
FI-PMa-SynRM 24,79 13,45 Modified SynRM 21,53 10,98
được thiết kế với một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu, “FI-PMa-SynRM” sẽ được so sánh với một mơ hình có tính thực tế bằng cách mở rộng đường biên của bề mặt rotor cũng như điểm của của rào chắn từ thông trong do đó chiều dài khe hở khơng khí lẫn khoảng cách giữa rào chắn từ thơng và khe hở khơng khí là giống với của “FI-PMa-SynRM”. Hình ảnh miêu tả của mơ hình này cũng đã được trình diễn ở Hình 2.1 và được gọi là “Modified SynRM”.
Hình 4.3 trình diễn sự so sánh sự biến đổi của mật độ mơ-men theo dịng điện và góc dịng điện (từ –90 đến 0 độ) giữa “FI-PMa-SynRM” và “Modified SynRM”. Có thể thấy “FI-PMa-SynRM” cho mật độ mô-men tốt hơn. Thêm nữa, FI-PMa- SynRM có vùng mật độ mơ-men lớn (tức là trên 20 Nm/L) rộng hơn với cùng một giá trị dịng điện và giải góc dịng điện. Điều này có thể được giải thích bởi một thực tế là “FI-PMa-SynRM” có được sự kết hợp của mơ-men từ trở và mô-men nam châm khi so sánh với các dạng máy điện khác, nghĩa là với nhiều rào chắn từ thơng để có được mơ-men từ trở lớn và một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu đặt trên bề mặt để có