1
A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1. Tính cấp thiết của luận án
Động cơ không đồng bộ (KĐB) ba pha mà chủ yếu là loại rôto lồng
sóc với dải công suất từ vài trăm Watts đến hàng Megawatts được dùng
phổ biến trong công nghiệp vì là bộ phận chính trong các hệ truyền động.
Sự phát triển của nền kinh tế và quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa
làm cho nhu cầu sử dụng chúng ngày càng nhiều. Ở các nước có nền công
nghiệp phát triển hoặc quy mô công nghiệp lớ
n như Mỹ, Trung Quốc,
Châu Âu, Ấn Độ và ngay ở Việt Nam nguồn năng lượng mà chúng tiêu thụ
cũng tăng đáng kể.
Tiết kiệm năng lượng không chỉ mang lại lợi ích lớn về mặt kinh tế
mà còn giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính góp phần bảo vệ môi trường. Một
số nước đã sử dụng tiêu chuẩn động cơ có hiệu suất cao, điể
n hình như:
Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc, Nhật…. Để thực hiện việc sử dụng năng lượng
tiết kiệm hiệu quả nhà nước đã xây dựng một loạt các văn bản có tính chất
pháp quy như ở cấp chính phủ và cấp bộ.
Về cấp chính phủ: Đã ban hành Nghị định 102/2003/NĐ-CP về tiết
kiệm năng lượng, quyết định số 79/2006 QĐ-CP về Chươ
ng trình mục tiêu
quốc gia sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả.
Về cấp bộ: Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành bộ tiêu chuẩn “Động
cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao” (ký hiệu:
TCVN 7540 - 1:2005) có hiệu suất tối thiểu cao hơn tiêu chuẩn được sử
dụng trước đây (TCVN 1987- 1994) từ 1 đến 5 %. Cho đến nay bộ tiêu
chuẩn TCVN 7540-1:2005 vẫn ch
ưa được các nhà máy chế tạo động cơ

thiểu đạt tiêu chuẩn TCVN 7540 – 1:2005.
Kết quả của đề tài còn là cơ sở để mở rộng nghiên cứu thiết kế động cơ
KĐB ba pha rôto lồng sóc có hiệu suất đạt tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích
Nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu nhằm nâng cao
hiệu suất động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc. Trên cơ sở đó xây dựng thuật
toán và chương trình thiết kế động cơ có hiệu su
ất tối thiểu đạt tiêu chuẩn
TCVN 7540 – 1:2005, đồng thời đưa ra các giải pháp có thể nâng cao hiệu
suất động cơ bằng tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu.
2.2. Đối tượng
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các động cơ KĐB ba pha rôto
lồng sóc có công suất từ 0,75 đến 90 kW, triển khai thiết kế động cơ có
công suất trong khoảng 0,75 đến 7,5 kW đang được sản xuất rộng rãi ở các
nhà máy chế t
ạo động cơ điện Việt Nam.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp giảm tổn hao và các phương
pháp thiết kế tối ưu động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc công suất 0,75 đến
90 kW.
- Khảo sát, phân tích ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tổn hao
động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc công suất 0,75 đến 90 kW.
- Xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ
nhằm giảm
tổn hao đồng và tổn hao sắt là hai thành phần tổn hao chính trong động cơ
KĐB ba pha rôto lồng sóc.
- Xây dựng biểu thức toán học thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất
động cơ với nhóm thông số kích thước cơ bản cho các động cơ có công
suất từ 0,75 đến 7,5 kW.

Sử dụng công nghệ tiên tiến và vật liệu tốt là một giải pháp cải thiện
hiệu suất của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc. Nhìn chung giải pháp về
vật liệu và công nghệ có ưu điểm là tăng hiệu suất động cơ mà không phải
tăng thể tích máy. Nhược điểm là đòi hỏi công nghệ phức tạp hơn, vật liệu
và công ngh
ệ thường gắn liền với nhau nên thực hiện theo giải pháp này
phải đầu tư vốn lớn mà ít tận dụng được công nghệ cũ. Chính vì thế nó
chưa được áp dụng ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam.
Một giải pháp quan trọng cũng góp phần trong việc nâng cao hiệu suất
động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc là phương pháp thiết kế tối ưu. Có
nhiều công trình nghiên cứ
u trong và ngoài nước thực hiện theo giải pháp
thiết kế tối ưu và đã mang lại những kết quả nhất định.

4
1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới
Trong phần này đã tổng hợp, phân tích có hệ thống các nghiên cứu về
thiết kế và thiết kế tối ưu động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc ngoài nước,
(Luận án trang 22-31), gồm có các phương pháp như nhóm phương pháp
tìm kiếm toàn cục, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp mạng
nhân tạo (neural network), phương pháp logic mờ (fuzzy logic) và phương
pháp giải thuật di truyền (genetic algorithm).
Các nghiên cứu trên thực hiệ
n tính toán thiết kế với công nghệ tiên
tiến đáp ứng hàng loạt yêu cầu chế tạo nên đã sản xuất ra động cơ có hiệu
suất cao hơn tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005. Tuy nhiên công nghệ các nhà
máy chế tạo động cơ điện Việt Nam chưa phù hợp nên kết quả các nghiên
cứu này khó được áp dụng vào quá trình sản xuất động cơ ở Việt Nam.
1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Cho đến nay, ngoài mộ

- Đưa ra đưa ra các giải pháp có thể nâng cao hiệu suất động cơ bằng
tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu.
- Rút ra một số kết luận về lý luận và thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto
lồng sóc hiệu suất cao.
Kết luận chương 1
1. Trong chương này nêu ra các giải pháp nâng cao hiệu suất động
cơ. Đồng thời đã tổng hợp, phân tích có hệ thống các nghiên cứu về thiết
kế và thiế
t kế tối ưu động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc trong và ngoài
nước. Một số nghiên cứu đã nâng cao được hiệu suất động cơ nhưng làm
cho trọng lượng vật liệu tác dụng tăng khá lớn.
2. Việc sử dụng công nghệ, vật liệu tốt kết hợp với thiết kế phù hợp đã
giúp cho các nước như Mỹ, Trung Quốc, Nhật và Châu Âu … áp dụng
được các tiêu chuẩn động c
ơ có hiệu suất cao hơn tiêu chuẩn TCVN 7540
- 1:2005.
3. Cần khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến các tổn hao
trong động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc, trên cơ sở đó sẽ xây dựng
phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ tối ưu nhằm giảm tổn hao
đồng và tổn hao sắt. Đây là giải pháp hữu ích thích hợp với điều kiện chế

tạo động cơ điện Việt Nam.
4. Cần xây dựng mô hình toán thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất
với nhóm thông số kích thước cơ bản giúp cho quá trình tính toán thiết kế
động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc được nhanh và chính xác hơn.
Chương 2
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẾN TỔN HAO
VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔTO
LỒNG SÓC


) và bội số mômen khởi động (m
k
).
2.1.9 Tính toán kiểm tra nhiệt: xác định phương thức thông gió tản
nhiệt sao cho độ tăng nhiệt phù hợp với tiêu chuẩn.
2.2 Tổn hao và hiệu suất của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc
2.2.1 Các thành phần tổn hao: tổn hao trong động cơ có thể được
diễn tả như hình 2.4, (Luận án trang 39).
2.2.2 Hiệu suất: được tính toán:
11
2
1
P
P
P
P
∑
Δ
−==
η

2.3 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tổn hao và hiệu suất
Căn cứ vào quá trình thiết kế máy điện, các thông số chính ảnh hưởng
đến hiệu suất trong quá trình thiết kế có thể gộp thành 3 nhóm chính là
nhóm thông số kích thước cơ bản, nhóm thông số thiết kế mạch điện,
nhóm thông số thiết kế mạch từ.
2.3.1 Nhóm thông số kích thước cơ bản: trong phần này phân tích ả
nh
hưởng của chiều dài lõi sắt stato l và đường kính trong lõi sắt stato D, phân
tích ảnh hưởng của tải đường A và mật độ từ thông khe hở không khí B

diện rãnh rôto S
r2
và kích thước mạch từ nên cũng tác động đến tổn hao
đồng, tổn hao sắt ở cả stato và rôto. Qua phân tích cho thấy rằng giá trị D
nhỏ, l lớn dễ mang lại hiệu suất động cơ cao hơn.

7
Cũng qua phân tích cho thấy khi D và l xác định sẽ có tích (A.B
δ
)
không đổi, nếu B
δ
tăng thì A giảm sẽ làm cho số vòng dây giảm dẫn đến
giảm tổn hao đồng stato nhưng lại tăng mật độ từ thông trên lõi thép nên
tăng tổn hao sắt. Vì thế trong thiết kế cần phải chọn A và B
δ
phù hợp để
tổn hao được nhỏ đồng thời nâng cao mômen khởi động M
k
, mômen cực
đại M
max
và đảm bảo độ tăng nhiệt θs.
Tóm lại, việc chọn giá trị của mỗi thông số D, l, B
δ
, A có ảnh hưởng
nhiều đến hiệu suất và đặc tính của động cơ. Do đó cần có sự phối hợp
trong việc chọn giá trị các thông số này sao cho giảm được các thành phần
tổn hao để hiệu suất động cơ được nâng cao.
2.3.2 Nhóm thông số thiết kế mạch điện: trong phần này phân tích ảnh

tăng
mặc dù sức từ động và tổn hao sắt ở stato
tăng nhưng tổn hao đồng stato giảm (hình
2.7). Sẽ có một giá trị S
r1
mà tại đó có tổng
tổn hao đồng và sắt stato là nhỏ nhất.
Tuy nhiên, giá trị S
r1
có thể chưa tối ưu
vì phải xét đến các chỉ tiêu kỹ thuật
khác.
2.3.3 Nhóm thông số thiết kế mạch
từ: nhóm thông số thiết kế mạch từ là
các kích thước răng rãnh của stato và
rôto. Trong phần này đã khảo sát ảnh
hưởng của chiều cao rãnh stato đến sức
Hình 2.5: Quan hệ giữa sức
từ động stato và S
r1Hình 2.7: Quan hệ giữa tổn hao
sắt và tổn hao đồng stato với S
r1
Hình 2.6: Quan hệ giữa tổn
hao sắt stato và S
r1

8

kích thước cơ bản, nhóm thông số thiết kế mạch điện, nhóm thông số thiết
kế mạch từ) đến t
ổn hao đồng và sắt là hai thành phần chiếm tỷ lệ lớn
trong các tổn hao của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc. Trong quá trình
tính toán thiết kế các nhóm thông số trên có mối liên quan lẫn nhau nên
cần có tính toán tối ưu trong việc xác định chúng để tổn hao đồng và sắt ít
nhất đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật khác.
2. Qua phân tích cho thấy, trong quá trình thiết kế, tiết diện rãnh
stato được tính chọn sao cho hệ sô lấp đầy cực đạ
i và nên thay đổi tiết
diện rãnh theo kích thước dây quấn chuẩn. Chiều cao rãnh (stato,rôto) tối
ưu xác định theo hàm mục tiêu toàn cục là
η
lớn nhất, không nên tối ưu
theo hàm mục tiêu địa phương (như tổng tổn hao sắt nhỏ nhất hay tổng
sức từ động nhỏ nhất)
Việc phân tích tác động của các thông số thiết kế đến hai thành phần
tổn hao chính của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc là một bước quan
trọng để người thiết kế có thể định hướng và đưa ra giải pháp thiết kế mạ
ch
điện và mạch từ tố iưu nhằm giảm nhỏ tổng tổn hao đồng và sắt để hiệu suất
động cơ cao hơn.

Hình 2.11: Quan hệ giữa sức từ động
stato và chiều cao rãnh stato h
rs

Hình 2.12: Quan hệ giữa tổn hao sắt
stato và chiều cao rãnh stato h
rs

Bg
1max
, mật độ từ thông cực tiểu trên gông stato Bg
1min
, mật độ từ thông
cực đại trên gông rôto B
g2max
, mật độ từ thông cực tiểu trên gông rôto
B
g2min
, mật độ từ thông cực đại trên răng stato B
z1max
, mật độ từ thông cực
tiểu trên răng stato B
z1min
, mật độ từ thông cực đại trên răng rôto B
z2max
,
mật độ từ thông cực tiểu trên răng rôto B
z2min

*

Các yêu cầu về công nghệ: bề rộng răng tối thiểu stato b
zsmin
, bề
rộng răng tối thiểu rôto b
zrmin
, đường kính đáy nhỏ tối thiểu của rãnh stato
d

2. Chiều dài lõi sắt stato, tương ứng với x
2
.
3. Mật độ từ thông khe hở không khí B
δ
, tương ứng với x
3
.
4. Đường kính trong lõi sắt stato D, tương ứng với x
4
.
5. Tiết diện rãnh stato S
rs
, tương ứng với x
5
.
6. Chiều cao rãnh stato h
rs
, tương ứng với x
6
.
7. Bề rộng răng stato b
zs
, tương ứng với x
7
.
8. Chiều cao rãnh rôto h
rr
, tương ứng với x
8

, x
3
, x
4
.
Phần thứ hai là phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ, thực hiện
khi đã xác định được trị số của nhóm thông số kích thước cơ bản. Với mỗi
bộ giá trị của nhóm thông số kích thước cơ bản thì ở phần này sẽ tìm được
giá trị của các biến x
5
, x
6
, x
7
, x
8
, x
9
sao cho có thể nhận được hiệu suất cao
nhất đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật khác.
Trong chương này sẽ giải quyết vấn đề chính là xây dựng phương pháp
thiết kế mạch điện và mạch từ khi có giá trị các thông số D
n
, D, l và B
δ
.
3.2 Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ
Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ có 2 chức năng chính là
xác định miền thiết kế giới hạn (G)
theo vật liệu, công nghệ và xác định

tiêu k
ỹ
thuật khác.
Xác định tiết diện rãnh
stato (S
r1
) ứng với k
lđmax

Xác định kích thước
răng, rãnh stato
Xác định chiều cao tối ưu rãnh stato và rôto
Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ
Xác định miền giới hạn (G) theo
vật liệu và công nghệ chế tạo
Hình 3.3: Sơ đồ khối phương pháp
thiết kế mạch điện và mạch từ

Phương pháp chọn giá
trị nhóm thông số kích
thước cơ bản: D
n
, D, l, B
δ

Dữ liệu vào: các thông
s
ố
định mức, hiệu su
ấ

ưu có hiệu suất lớn nhất đồng thời
thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật khác.
Tương
ứng chiều cao này sẽ có được
các thông số thiết kế cần thiết.
3.3 Chương trình thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc có
tổng tổn hao chính nhỏ nhất
Chương trình này được xây dựng dựa vào phương pháp thiết kế
mạch điện và mạch từ khi có giá trị nhóm thông số kích thước cơ bản D
n
,
D, l, B
δ
. Chương trình thiết kế động cơ KĐB có hai phần chính: tính toán
kiểm tra và tính toán thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc.
3.3.1 Chương trình tính kiểm tra động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc
Mục đích của chương trình tính kiểm tra là tính toán kiểm tra các
động cơ đã được sản xuất của các nhà máy để đánh giá độ chính xác giữa
phần lý thuyết tính toán và các thông số thực tế. Thông qua sự tính toán
kiểm tra đó nhằm xây dựng chươ
ng trình thiết kế có độ chính xác cao,
đáng tin cậy. Chương trình này có thể xác định đặc tính làm việc của động
cơ mà không phải làm các thử nghiệm trên mẫu thực. Chương trình tính
kiểm tra có sơ đồ cấu trúc như hình 3.8, (luận án trang 72).
3.3.2 Chương trình tính toán thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng
sóc có tổng tổn hao chính nhỏ nhất
Sơ đồ cấu trúc của chương trình tính toán thiết kế động cơ KĐB ba
pha rôto lồng sóc có t
ổng tổn hao chính nhỏ nhất như hình 3.9 (luận án
trang 73).

= h
rr[j]

h
rr
= h
rr[ j+1 ]

h
rs
= h
rs[ i+1 ]Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán xác định
chiều cao tối ưu rãnh stato, rôto Tính mạch từ, tính định
mức, tính khởi động

12
3.3.3 Xây dựng phần mềm
Phần mềm này có hai chức năng: tính kiểm tra động cơ KĐB và thiết
kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc có tổng tổn hao chính nhỏ nhất.
3.4 Kết quả tính toán kiểm tra
Sử dụng chương trình tính kiểm tra của luận án (đặt tên là KTCLA) tính
toán và so sánh với các thông số thử nghiệm của các động cơ đã được sản
xuất: động cơ 1,1 kW và 1,5 kW do nhà máy Z151 chế tạo; động c
ơ 5,5 kW

quả tính toán như bảng 3.4.
Bảng 3.2: Kết quả tính kiểm tra
động cơ 1,5 kW
1,5 kW; 2p =4
STT Các thông số
Đơn
vị
ĐHBK
HN Thiết
kế và
Z151 chế
tạo
Thử
nghiệm

KTCLA Sai số so
với thử
nghiệm
(%)
1
Đường kính dây
mm
0,9 0,9 0,9
2
Số vòng dây
vòng
240 240 240

Cu
kg/kW
1,2764 1,3 1,3
11 g
Al
kg/kW
0,3427 0,34 0,34
Bảng 3.1: Kết quả tính kiểm tra
động cơ 1,1 kW

1,1 kW; 2p =4
STT Các thông số
Đơn
vị
ĐHBK
HN Thiết
kế và
Z151 chế
tạo

Thử
nghiệm KTCLA Sai số so
với thử
nghiệm

78 80,5 80,3 0,02
8
Cosϕ
%
81 81,4 81,9 0,6
9 g
Fe
kg/kW
13,641 13,5 13,6
10 g
Cu
kg/kW
1,5685 1,5 1,6
11 g
Al
kg/kW
0,3845 0,4 0,39
Bảng 3.3: Kết quả tính kiểm tra
động cơ 5,5 kW
5,5 kW; 2p =4
STT Các thông số
Đơn
vị
CTAMAD

Thử
nghiệm

KTCLA


Hiệu suất
%
85.5 86 85,9 0,1
8
Cos
ϕ

%
86 85,6 85,7 0,1
9g
Fe
kg/kW
7,34 7,4 7,36
10 g
C
u
kg/kW
0,764 0,77 0,767
11 g
Al
kg/kW
0,215 0,22 0,22
Bảng 3.4: Bảng so sánh kết quả thiết
kế động cơ 3 kW, 2p = 4
(thép 2211, p
1/50
= 2,5 W/Kg)
Thông số
Phương pháp
η


13
Qua bảng 3.4 cho thấy hiệu suất động cơ tăng 2,05% so với tiêu chuẩn
TCVN 1987 - 1994 và của CTAMAD. So với kết quả của CTAMAD, các
chỉ số vật liệu tác dụng: nhôm thấp hơn 3,2%; đồng và sắt là như nhau.
Như vậy với phương pháp thiết kế hợp lý đã nâng cao hiệu suất động cơ
mà không phải tăng chi phí vật liệu tác dụng.
Kết quả tính toán thiết kế ở bả
ng 3.4 được kiểm nghiệm bởi phần
mềm SPEED ở VIHEM có sơ đồ dây quấn như hình 3.10; các đồ thị về tốc
độ, dòng khởi động, mômen như
hình 3.11; đồ thị về sức từ động
như hình 3.12, (Luận án trang 80-
81). Kết quả kiểm nghiệm tại
VIHEM có các chỉ tiêu kỹ thuật
như bảng 3.5.
Qua bảng 3.5 cho thấy sai số giữa thiết kế và kiểm tra là nhỏ, các thông
số k
ỹ thuật đảm bảo các tiêu chuẩn đặt ra.
Tiếp tục sử dụng chương trình KTCLA để kiểm tra động cơ 3 kW vừa
thiết kế, kết quả như bảng 3.6.
Qua bảng 3.6 cho thấy sai số
giữa kết quả thiết kế và kiểm tra là
rất nhỏ, các thông số kỹ thuật đảm
bảo các tiêu chuẩn đặt ra.
Kết quả của chương trình
TKCLA được kiể
m nghiệm bởi
chương trình KTCLA và phần
mềm SPEED ở VIHEM, các kết quả tính được so sánh với nhau cho thấy

2
Bội số mômen khởi động (m
k
)

2,0 2,04 2
3
Bội số mômen cực đại (m
max
)

2,3 2,35 2,1
4
Hiệu suất
%
84,05 84,08 0,04
5
Cos
ϕ

%
83,17 83 0,2
Bảng 3.6: Kết quả tính kiểm tra động
cơ 3 kW
3 kW, 2p =4
STT Các thông số
Đơn
vị
TKCLA KTCLA Sai số(%)
1 Đườn

84,05 84,06 0,1
7
Cos
ϕ
%
83,17 83,09 0,1
8g
Fe
kg/kW
7,7 7,7
9 g
Cu
kg/kW
1 1
10 g
Al
kg/kW
0,3 0,3
Bảng 3.7: Bảng so sánh kết quả thiết
kế động cơ 3 kW, 2p = 4 hiệu suất cao
(thép 2211, p
1/50
= 2,5 W/kg)
Thông số
Phương pháp
η

(%)
cos
ϕ

Kết quả đạt được trong chương này là:
1. Để giảm các thành phần tổn hao chính, trong chương này đã xây
dựng phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ tối ưu có chức năng là
xác định tiết diện rãnh stato S
r
tối ưu ứng với hệ số lấp đầy cực đại, kích
thước răng rãnh tối ưu của stato và rôto thỏa mãn các ràng buộc về vật
liệu, công nghệ và đạt được tổng tổn hao trên stato và rôto nhỏ nhất
2. Đã xây dựng phần mềm có hai chức năng là tính kiểm tra (ký hiệu
KTCLA) và tính toán thiết kế (ký hiệu TKCLA). Dùng chương trình
KTCLA để tính toán kiểm nghiệm các động cơ đã được chế tạ
o và thiết kế.
Đã kiểm nghiệm kết quả thiết kế bằng chương trình KTCLA và phần mềm
SPEED ở VIHEM cho thấy sai số tương đối nhỏ. Như vậy các chương
trình KTCLA và TKCLA có độ chính xác chấp nhận được, có thể sử dụng
để tính toán kiểm tra và thiết kế động cơ.
3. Đã nghiên cứu tính toán thiết kế và nâng hiệu suất động cơ 3 kW
2,05% mà không phải thêm vật liệu tác dụng so với
động cơ đang được
sản xuất theo tiêu chuẩn TCVN 1987-1994. Thực hiện thiết kế nâng hiệu
suất động cơ 3 kW lên đạt tiêu chuẩn động cơ hiệu suất cao TCVN 7540
1:2005.
Nếu ở phần phương pháp chọn giá trị nhóm thông số kích thước cơ
bản (hình 3.2) liên quan đến bốn thông số thiết kế là đường kính ngoài lõi
sắt stato D
n
, chiều dài lõi sắt stato l, đường kính trong lõi sắt stato D và
mật độ từ thông khe hở không khí B
δ
(tương ứng với các biến số của bài

định giá trị của các biến số x
1
, x
2
, x
3
, x
4
thỏa mãn hiệu suất đặt ra sẽ
nhanh và chính xác hơn.
Chương 4
XÂY DỰNG BIỂU THỨC MÔ TẢ QUAN HỆ GIỮA HIỆU SUẤT
VỚI KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU VÀ MẬT ĐỘ TỪ THÔNG KHE HỞ
KHÔNG KHÍ
Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ được nghiên cứu ở
chương 3 có thể tối ưu tiết diện rãnh stato, chiều cao rãnh stato và rôto để
được η lớn nhất
đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật khác. Khi có
được giá trị nhóm thông số kích thức cơ bản thì thực hiện theo phương
pháp này vừa có thể xét hết các phương án để chọn một trong số đó có
hiệu suất cao nhất đồng thời rút ngắn được thời gian tính toán cho quá

15
trình thiết kế. Tuy nhiên, xét bài toán thiết kế tổng thể, việc chọn giá trị
ban đầu của kích thước chủ yếu và tải điện từ như D nhỏ, l lớn, B
δ
lớn để
tính toán thiết kế rồi sau đó điều chỉnh lặp lại đến khi đạt được các tiêu
chuẩn đặt ra vẫn chiếm nhiều thời gian và bộ nhớ trên máy tính.
Vì thế cần thiết xây dựng biểu thức xác định quan hệ giữa η với các

δ
)
- Phương pháp: Quy hoạch trực giao cấp hai
- Khoảng biến thiên các biến số:
Qua khảo sát vật liệu và công
nghệ sản xuất của các nhà máy chế
tạo động cơ điện Việt Nam như Công
ty Chế tạo điện cơ Hà Nội, Công ty
cổ phần Chế tạo máy điện Việt Nam
– Hungari , các thông số k
D
, l, B
δ
của
động cơ có công suất P = 0,75 ÷ 7,5
kW, số cực 2, 4, 6 cực có khoảng
biến thiên như bảng 4.1.
4.2 Quy hoạch trực giao, quy hoạch trực giao cấp 2
4.2.1 Quy hoạch trực giao: trong phần này trình bày mô hình quy
hoạch trực gao, bảng số liệu thực nghiệm quy hoạch và khái niệm về quy
hoạch trực giao.
4.2.2 Quy hoạch trực giao cấp 2: theo quy hoạch này, cần làm ba loại
thực nghiệm, gồm: n
1
= 2
k
thực nghiệm toàn phần, n
0
(n
0

δ
≤ 0,82 (T)
0,56 ≤ k
D
≤ 0,64
0,57 ≤ λ ≤ 0,9
0,74 ≤ B
δ
≤ 0,84(T)
Với 2p = 6; P = 0,75 ÷ 2,2 (kW) Với 2p = 6; P = 3 ÷ 7,5 (kW)
0,58 ≤ k
D
≤ 0,68
0,57 ≤ λ ≤ 0,71
0,7 ≤ B
δ
≤ 0,82 (T)
0,67 ≤ k
D
≤ 0,73
0,55 ≤ λ ≤ 0,86
0,76 ≤ B
δ
≤ 0,86 (T)

16
4.3 Xây dựng biểu thức mô tả quan hệ giữa hiệu suất với kích
thước chủ yếu và mật độ từ thông khe hở không khí
Trong phần này trình bày quá trình xây dựng biểu thức dãy công suất
P = 3 ÷ 7,5 kW; 2p = 4. Với 3 biến số đầu vào (k

Quá trình xây dựng biểu thức sẽ giải quyết các vấn đề: xây dựng ma
trận dữ liệu hay ma trận thực nghiệm, xác định và kiểm định các hệ số,
kiểm định biểu thức.
4.3.1 Xây dựng ma trận thực nghiệm:
Xác định giá trị các biến số: gọi các biến thực tế là Z
j
, kj ,1= ,
j
j
j
ZZZ ≤≤ . Với k = 3 ta có Z
1
tương ứng k
D
, Z
2
tương ứng với λ, Z
3

tương ứng B
δ
. Giá trị gốc, cận trên, cận dưới của các biến số và các
khoảng ΔZ
j
như bảng 4.3, (Luận án trang 94).
Mã hóa và lập ma trận thực nghiệm: trong phần này trình bày quá
trình mã hóa và lập ma trận thực nghiệm.
Sau khi mã hóa các biến, lập ma trận thực nghiệm toàn phần cho các
biến mã như bảng 4.4 (Luận án trang 95), xác định giá trị cần làm thực
nghiệm cho các biến thực tế như bảng 4.5 (Luận án trang 96) và tiến hành

3
+ 0,000813x
2
x
3
– 0,00423
1
x
′
– 0,01201
2
x
′
– 0,0032
3
x
′
(4.20)
Sau khi kiểm định các hệ số ta được biểu thức hồi quy thực nghiệm:
η
~
= 0,87446 + 0,02158x
2
– 0,00412x
3
– 0,00423
2
1
x – 0,012
2

Tương tự ta có các biểu thức cho các dãy công suất khác được tổng
hợp theo bảng dưới đây:
Công suất, số cực
Biểu thức
η
= f(k
D
,
λ
, B
δ
)
(0,75 ÷ 2,2) kW
2p = 4
η
ˆ
= – 2,6805 + 5,981k
D
+ 1,7682λ + 3,2776B
δ

–
2
,567k
D
B
δ
– 0,8494λB
δ
– 3,4156

2
λ
– 1,0178
2
δ
B
(4.36)
(3 ÷ 7,5) kW
2p = 2
η
ˆ
= – 1,29869 + 3,06891k
D
+ 0,866561λ + 2,704244B
δ
–
2,60077
2
D
k – 0,53098
2
λ
– 1,97835
2
δ
B (4.37)
(0,75 ÷ 2,2) kW
2p = 6
η
ˆ

5,5674
2
D
k – 0,59368
2
λ
– 1,62644
2
δ
B (4.39)

Kết luận chương 4
Kết quả của chương này đạt được là:
1. Đã xây dựng biểu thức
η
= f(k
D
,
λ
, B
δ
) mô tả quan hệ giữa hiệu
suất với nhóm thông số kích thước cơ bản cho các động cơ trong dãy công
suất từ 0,75 đến 7,5 kW số cực 2, 4 và 6 cực. Sai số giữa sử dụng biểu thức
η
= f(k
D
,
λ
, B

dựng trên cơ sở các kết quả nhận đượ
c từ chương 3 và 4.

18
Chương 5
THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔTO LỒNG
SÓC HIỆU SUẤT CAO
5.1 Phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu
suất cao
Phương pháp này được xây dựng nhờ sự kết hợp kết quả từ chương 3
và 4, bao gồm: xác định nhóm thông số kích thước cơ bản theo hiệu suất
ngay tại giai đoạn đầu thiết kế nhờ vào các biểu thứ
c η = f(k
D
, λ, B
δ
), thiết
kế mạch điện và mạch từ và chương trình thiết kế.
5.1.1 Phương pháp xác định nhóm thông số kích thước cơ bản theo
hiệu suất
Khi tiến hành thiết kế, dựa vào công suất và tốc độ của động cơ để
chọn đường kính ngoài lõi sắt stato (thường lấy chuẩn theo chiều cao tâm
trục) và hệ số λ phù hợp với điều kiện công nghệ chế
tạo, sau đó căn cứ
vào hiệu suất cần đạt tiến hành xác định k
D
, B
δ
theo các biểu thức (4.34),
(4.35), (4.36), (4.37), (4.38), (4.39) để tìm k

= 170 mm
Hình 5.5: Quan hệ giữa hiệu suất
với nhóm thông số kích thước cơ
bản động cơ 3 kW; 2p = 4; k
D
=
0,6; D
n
= 170 mm

19
vật liệu, công nghệ và xác định chiều cao tối ưu rãnh stato, rôto.
Trong miền chỉ còn lại một số ít phương án thiết kế thỏa mãn các
điều kiện về vật liệu và công nghệ. Đó là bên cạnh các giới hạn chủ yếu
như chiều dài khe hở không khí δ, chiều dài lõi sắt, hệ số ép chặt lõi sắt k
c

còn có các giới hạn như mật độ từ thông cho phép tối thiểu và tối đa trên
các lá thép, giới hạn nhỏ nhất của bề rộng răng stato và rôto, đường kính
(hay bề rộng) đáy nhỏ của rãnh rôto
Sau khi đã có được miền G, tiến hành các tính toán để xác định chiều
cao rãnh tối ưu stato và rôto. Trong quá trình tính toán thiết kế, phần lớn
các phần tính toán cần thiết đều tập trung ở xác định chiều cao rãnh tối ư
u
stato và rôto. Vì miền G đã loại bỏ các phương án không cần thiết nên tiết
kiệm được thời gian quá trình tính toán thiết kế.
5.1.3 Chương trình tính toán thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng
sóc hiệu suất cao: trong phần này trình bày phương pháp xây dựng chương
trình “tính toán thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao”
hoàn chỉnh (đặt tên là TKHSCLA), có sơ đồ cấu trúc như hình 5.7, (Luận

1/50
= 2,5 W/kg)
Thông số
Phương pháp
η

(%)
cos
ϕ

(%)

m
k

m
max

i
k
gFe
(kg/kW)
gCu
(kg/kW)
gAl
(kg/kW)
Nghiên cứu CTAMAD
86 83 2,56 2,6 7,4 10,1 1,5 0,37
TKCLA
86,1 83,01 2,24 2,38 6,37 9 1,067 0,3

δ
λ
η
Bkf
D
= đã giải quyết
được điều này.
Các thiết kế ở bảng 5.3, 5.4 được tính toán khi thay đổi λ và B
δ
, tiếp tục
tính toán thiết kế cho động cơ này khi thay đổi k
D
, kết quả như bảng 5.5.
Kết quả bảng 5.3, 5.4, 5.5
là các phương án thiết kế khác
nhau, với các phương án này có
thể chọn được phương án có
chỉ tiêu kỹ thuật tốt đồng thời
chi phí cho vật liệu tác dụng ít
nhất.
Kết quả tính toán thiết kế
ở bảng 5.3, 5.4 (khi cho mật độ
từ thông khe hở không khí thay
đổi) cho thấy nếu sử dụng loại
thép tốt hơn (loạ
i thép có suất
tổn hao nhỏ hơn và độ từ thẩm
cao hơn) động cơ sẽ có kích
thước gọn nhẹ hơn. Ứng dụng
điều này, dùng loại thép CS-50S600 (có suất tổn hao riêng p


m
max

i
k
gFe
(kg/kW)
gCu
(kg/kW)
gAl
(kg/kW)
1
0,74 0,86 83 2,02 2,27 5,5 8,5 1,267 0,29
2
0,77 86,1 83,44 2,2 2,44 6 8,5 1,067 0,27
3
0,82 85,2 83,62 2,31 2,54 6,2 8,5 0,767 0,25
Bảng 5.4: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật
và vật liệu tác dụng động cơ 3 kW, 2p = 4
với k
D
= 0,605; λ = 0,66; D
n
= 170 mm
(thép 2211, p
1/50
= 2,5 W/kg)
Thông số


0,76 86,3 83,5 2,01 2,39 5,9 8,7 1,067 0,296
6
0,79 86,1 83,3 2,35 2,58 6,4 8,7 0,9 0,269
Bảng 5.5: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật
và vật liệu tác dụng động cơ 3 kW, 2p = 4
với λ = 0,66; B
δ
= 0,76; D
n
= 170 mm
(thép 2211, p
1/50
= 2,5 W/kg)
Thông số

Phương án
k
D
η

(%)
cos
ϕ

(%)

m
k

m

k

m
max

i
k
gFe
(kg/kW)
gCu
(kg/kW)
gAl
(kg/kW)
Thép 2211
86,1 83,3 2,2 2,44 6 8,5 1,067 0,27
Thép CS-50S600 86,1 84 2,0 2,26 5,7 8 0,967 0,27

21
Khi sử dụng thép tốt (có suất tổn hao nhỏ và độ từ thẩm cao) động cơ
có kích thước nhỏ gọn hơn nhưng giá thành của thép loại này cao nên tổng
chi phí cho vật liệu trên cùng một sản phẩm có thể cao hơn.5.2.2 Thiết kế theo tiêu chuẩn của Châu Âu mức Eff1
Ứng dụng phương pháp thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha rôto
lồng sóc hiệu suất cao như đã xây dựng, thực hiện tính toán thiết kế động
cơ 3 kW có số cực 2p = 4 theo các phương án công nghệ và vật liệu khác
nhau như thay đổi chiều dài khe hở không khí δ nhỏ hơn, hệ số ép chặt lõi
sắt k
c

chiều dài khe hở không khí nhỏ sẽ có tác dụng rất tốt trong việc tăng hệ số
công suất.
Qua khảo sát động cơ 3 kW số cực 2p = 4 cho thấy trong giới hạn
công nghệ và vật liệu chủ yếu đã xét ở các nhà máy chế tạo động cơ điện
Việt Nam như chiều dài khe hở không khí δ = 0,3 mm; k
c
= 0,95; λ
max
≤
0,66; thép có tổn hao riêng p
1/50
= 2,5 W/kg thì chỉ cần đầu tư thêm về công
Bảng 5.7: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật
liệu tác dụng động cơ 3 kW, 2p = 4 khi thay đổi
vật liệu và công nghệ
Thông số
Phương án thiết kế
η

(%)
cos
ϕ

(%)

m
k

m
max

= 0,97, λ =0,66
87,6 83,02 2,2 2,47 6,1 8,7 1,2 0,284

22
nghệ là tăng hệ số ép chặt từ 0,95 lên 0,97, sử dụng loại thép có tổn hao
riêng tương dối nhỏ (như loại thép CS-50S600) và kết hợp với phương pháp
thiết kế đã xây dựng có thể nâng cao hiệu suất đạt tiêu chuẩn của Châu Âu
mức Eff1.
5.3 Lợi ích của các phương án nâng cao hiệu suất động cơ
Năng lượng tiết kiệm trong vòng đời của động cơ hiệu suất cao
được
xác định: W = P
đm
.h.(1/η
1
– 1/η
2
), kWh
Hiện nay giá tiền của 1 kWh trong kinh doanh là 1725 đồng thì số
tiền tiết kiệm được của động cơ hiệu suất cao: T = (1725.W), đồng
Sơ bộ ta có số tiền
tiết kiệm được của các
phương án nâng cao hiệu
suất động cơ 3 kW đạt
tiêu chuẩn TCVN 7540-
1:2005 (các thiết kế ở
bảng 5.3, 5.4, 5.5) mang
lại qua bảng tính toán 5.8.
Bảng 5.8 chỉ là lợi
ích mang lại của một


Điện tiết kiệm
(kWh)
Chi phí do tăng thêm vật liệu so
với động cơ thông thường
(đồng)

Chi phí khác
(đồng)Số tiền tiết kiệm
10
3
(đồng)

1
86 10210 205200 87900 17319
2
86,1 10452 82200 35200 17914
4
86 10210 18750 8035 17585
5
86,1 10452 98000 42000 17891
7
86 10210 18750 8035 17585
8
86,1 10452 173250 74300 17784
9
86,4 11179 173400 74310 19036

dung:
- Đã tổng hợp, phân tích có hệ thống các nghiên cứu về thiết kế và
thiết kế tối ưu động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc trong và ngoài nước.
Nêu ra các giải pháp nâng cao hiệu su
ất động cơ.
- Đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của các thông số thiết kế, bao gồm:
nhóm thông số kích thước cơ bản, nhóm thông số thiết kế mạch điện,
nhóm thông số thiết kế mạch từ đến tổn hao đồng và sắt của động cơ KĐB
ba pha rôto lồng sóc. Đây là hai thành phần tổn hao chiếm tỷ lệ lớn trong
tổn hao của động cơ.
- Trong luậ
n án đã xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện và
mạch từ cho phép chọn tiết diện rãnh stato tối ưu với hệ số lấp đầy cực đại,
xác định chiều cao rãnh stato và rôto tối ưu để tổng tổn hao đồng và sắt
nhỏ nhất đồng thời thỏa mãn các ràng buộc khác.

24
- Để tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác của thiết kế, trong
luận án đã xây dựng biểu thức toán học thể hiện quan hệ giữa hiệu suất với
nhóm thông số kích thước cơ bản cho các động cơ trong dãy công suất từ
0,75 đến 7,5 kW với số cực 2, 4 và 6. Từ các biểu thức này có thể xác định
nhóm thông số kích thước cơ bản thỏa mãn yêu cầu về hiệu suất và các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật khác ngay tại giai đoạn đầu của quá trình thiết kế.
- Trong luận án đã xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu tương đối
hoàn chỉnh kết hợp xác định nhóm thông số kích thước cơ bản theo hiệu
suất với thiết kế mạch điện và mạch từ tối ưu. Xây dựng phần mềm có hai
chức năng là tính kiểm tra và tính toán thiết kế. Có th
ể sử dụng chương
trình tính kiểm tra để kiểm nghiệm các động cơ đã được thiết kế và chế tạo.
- Trong luận án đã tính toán thiết kế nâng hiệu suất động cơ 3 kW số