CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ
2.2 Quy trình sản xuất
Để xây dựng và chế tạo được rotor động cơ đồng bộ từ trở, các nhà chế tạo tiến hành chế tạo từng lá thép đơn giản với cấu trúc tối ưu. Sau đó, ghép các lá thép lại với nhau trên lõi trục đặc và giữ cân bằng bởi các bộ phận hỗ trợ. Cuối cùng là đặt rotor vào lồng động cơ và thử nghiệm. Quy trình sản xuất được thể hiện như sau:
Bước 1: Thiết kế và sản xuất các lá thép đơn
Bước 2: Kết hợp các lá thép thành Rotor hoàn chỉnh trên trục rotor
Bước 3: Rotor được kết vào bộ phận hỗ trợ để giữ cân bằng
Bước 4: Đặt rotor nằm hoàn chỉnh trong động cơ và thử nghiệm.
Hai loại cấu trúc rotor của động cơ đồng bộ từ trở phổ biến nhất hiện nay được thể hiện như hình 2.2:
Hình 2.2 Các cấu trúc dị hướng khác nhau của rotor SynRM [27]
2.2.1 Nguyên lý hoạt động 2.2.1.1 Hiện tượng từ trở
Từ điện trở, hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856. Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều loại hiệu ứng từ điện trở trong nhiều loại vật liệu khác nhau đem lại khả năng ứng dụng hết sức to lớn.
Hình 2.3 Đối tượng hình học dị hướng (a) và đẳng hướng (b) trong trường từ 𝛹 [27]
Hình 2.3 thể hiện nguyên lý tạo ra momen xoắn đối với vật liệu hình học dị hướng ( có cấu trúc trục d và q khác nhau) (a) khi trục d của vật liệu tạo với từ trường 𝛹 một góc 𝛿. Trong khi đó đối với vật liệu hình học đẳng hướng sẽ không sinh ra được momen xoắn.
2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Về nguyên tắc, SynRM tương tự như động cơ đồng bộ cực lồi, nhưng không có cuộn dây kích từ trong rotor. Trong động cơ này chỉ có rotor được cấu tạo bởi rào chắn (không khí) và các thanh (thép).
Hình 2.4 Cấu trúc của SynRM so với Induction Motor [32]
Trường từ ψ của SynRM được tạo ra bởi một cuộn dây stator và móc vòng giữa stator và rotor thông qua các thanh thép với tốc độ từ trường quay ở tốc độ đồng bộ ωs. Khi đó, động cơ sẽ luôn tồn tại một lực mômen xoắn nhằm để giảm năng lượng tích trữ của toàn bộ hệ thống bằng cách giảm sự méo trường theo trục q (δ=0). Nếu góc tải δ được giữ là hằng số thì năng lượng điện từ sẽ tiếp tục được chuyển đổi thành năng lượng cơ và sẽ quay với tốc độ bằng tốc độ ωs.
Động cơ đồng bộ từ trở tạo ra mô-men bằng sự biến đổi từ trở của chuyển động gây ra bởi vị trí của rotor. Do đó, mô-men từ trở tạo ra bởi SynRM dựa trên ảnh hưởng của cực lồi và tỉ lệ với sai phân của độ tự cảm từ hoá 𝐿𝑑− 𝐿𝑞 của trục d-q trong hệ toạ độ của rotor. Để tối đa hoá mô-men ngõ ra tạo bởi động cơ, cần yêu cầu tăng tỉ số 𝐿𝑑 trên 𝐿𝑞 hay còn gọi là “tỉ số lồi”. Thông số này là chìa khoá trong thiết kế động cơ và tối ưu hoá quá trình hoạt động của nó.
Hình 2.5 Mô hình hóa trường từ tác động rotor [32]
2.2.2 So sánh với các động cơ phổ biến hiện nay
Với sự đa dạng về chủng loại động cơ hiện nay có thể kể đến như động cơ đồng bộ kích từ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, động cơ không động bộ rotor dây quân, động cơ dc… thì mỗi loại động cơ sẽ có đặc trưng việc tùy làm phạm vi hoạt động và tối ưu về mặt kinh tế mà ta sẽ sử dụng loại động cơ tương ứng. Trong đó, động cơ đồng bộ từ trở là một trong hai loại động cơ đồng bộ hiệu suất cao nhất cho đến thời điểm hiện tại vì thành phần tổn thất
không còn thành phần dòng điện ở rotor. Để có cái nhìn tổng quan về các loại động cơ ta có thể tham chiếu bảng so sánh sau đây:
Bảng 2.1 so sánh 3 loại động cơ cùng công suất và tốc độ định mức như sau: [28]
So sánh 3 loại động cơ cùng công suất 15 kW và tốc độ 1500 rpm
Loại động cơ Động cơ không
đồng bộ IE2 Động cơ đồng bộ từ trở
Động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cữu
Tốc độ (rpm) 1523 1513 1510
Moment (N.m) 94,1 95,1 96,1
Công suất out
(kW) 15 15,1 15,2
Tổn hao (W) 1538 964 872
Hiệu suất (%) 90,7 94 94,6
Hệ số công suất 0,74 0,71 0,91
Mật độ
moment / ampe 0,28 0,28 0,34
Từ bảng so sánh 2.1 ta nhận thấy sự ưu việt mang lại từ 2 loại động cơ đồng bộ này.
Trong đó với cùng mức độ về tốc độ và công suất hạng trung (15kW) thì moment của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho giá trị lớn nhất và tổn hao thấp nhất.
Tiếp đến là động cơ đồng bộ từ trở và động cơ không đồng bộ hiệu suất cao ( chuẩn IE2). Tuy nhiên, về mặt sản xuất và giá thành thì động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chưa tối ưu như động cơ đồng bộ từ trở. Do đó việc ứng dụng, nghiên cứu động cơ đồng bộ từ trở là phương hướng đúng đắn và nên phát huy hiện nay.