i

Chuyên ngành: Thiết bị điện
Mã số: 62.52.50.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Nguyễn Thế Công
2. PGS.TS. Lê Văn Doanh
Hà N
ội
-
2012

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được
công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã
được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong
luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất
cứ một luận án nào khác.
Tác giả luận án

Trương Minh Tấn


học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè đồng nghiệp, luận án
đến nay đã hoàn thành.
Tác giả chân thành cảm ơn khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại
học Quy Nhơn đã dành thời gian và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả
trong thời gian học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo
điều kiện làm việc của Bộ môn Thiết bị Điện – Điện Tử, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội dành cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, thực
hiện luận án. Chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và động viên tác giả trong thời gian
nghiên cứu hoàn thành luận án.
Tác giả vô cùng biết ơn thầy giáo TS. Nguyễn Thế Công, PGS.TS. Lê
Văn Doanh, những người đã định hướng, hướng dẫn, giúp tác giả hoàn thành
các nhiệm vụ đặt ra cho luận án. Chân thành cảm ơn các GS, PGS, TS, các
thầy cô giáo đã dành thời gian đọc và đóng góp những ý kiến quý báu làm
luận án có tính khoa học hơn.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân,
những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua
những khó khăn để hoàn thành luận án
Tác giả luận án

Trương Minh Tấn
iv
MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa ……………………………………………………… i
Lời cam đoan ……………………………………………………… ii
Lời cảm ơn ………………………………………………………… iii
Mục lục …………………………………………………………… iv

Kết luận chương 1 ………………………………………………

23
Chương 2: Khái quát chung về kiến thức cơ bản và thuật toán
thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên ……24
2.1. Đặt vấn đề…………………………………………………… 24
2.2. Cơ sở lý thuyết chung ………………………………………. 26
v
2.2.1. Vận tốc dài đồng bộ …………………………………

26
2.2.2. Hệ số trượt ……………………………………………. 27
2.2.3. Sức điện động cảm ứng ………………………………. 27
2.2.4. Mô hình động cơ KĐB tuyến tính đơn biên thiết kế …… 28
2.2.5. Dây quấn ………………………………………………

30
2.2.6. Mô hình mạch điện tương đương …………………… 33
2.2.7. Các thành phần lực trong động cơ ……………………. 36
2.2.8. Hiệu suất 38
2.3. Thuật toán thiết kế động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn
biên không xét đến các thành phần hiệu ứng ………………

38
2.4. Kết quả tính toán cụ thể ……………………………………
40
Kết luận chương 2 ………………………………………………

56
4.2.2. Thiết lập mô hình – phân loại mô hình ………………

58
4.3. Mô hình trường điện từ của động cơ KĐB tuyến tính …

60
vi
4.4. Phương pháp giải bài toán theo mô hình trường điện từ …
62
4.5. Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn FEMM để giải bài
toán trường động cơ KĐB tuyến tính ……………… ……

64
4.5.1. Vài nét về phần mềm FEMM
64
4.5.2. Xây dựng mô hình trường động cơ KĐB tuyến tính
đơn biên trên phần mềm FEMM . ………………… 65
4.5.3. Nghiên cứu từ trường trong động cơ KĐB tuyến tính
thiết kế ………………………………… 68
4.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến đặc tính lực
của động cơ KĐB tuyến tính …………
77
4.5.4.1. Ảnh hưởng của độ rộng khe hở không khí ………

tính có xét đến thành phần hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy 91
5.2. Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số cơ bản trong thiết
kế đến hệ số hiệu ứng đầu cuối ………………………………94
vii
5.3. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu thông số động cơ theo
giá trị lực yêu cầu và có xét đến yếu tố cực tiểu hệ số k
HU
…… 101
5.3.1. Phương pháp thành lập bài toán ………………………
101
5.3.2. Thành lập bài toán thiết kế tối ưu ……………………
102
5.3.3. Lựa chọn phương pháp giải
107
5.3.4. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu …………………
107
5.3.5. Kết quả ………………………………………………

111
5.3.6. Tính kiểm tra lại trên mô hình FEM 2D ………………


137 viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Bảng 1: Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu Tên gọi
λ Bước răng
δ Độ rộng khe hở không khí
δ
0
Độ rộng khe hở không khí từ tính
δ
e
Độ rộng khe hở không khí thực tế
μ
0
Độ từ thẩm của không khí

cu
Điện trở suất của đồng

Al
Điện trở suất của nhôm

1
Sức điện động cảm ứng pha phần sơ cấp
E
1
Trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng pha phần sơ cấp
ix
f Tần số
F
s
Lực điện từ
G
cu
Trọng lượng đồng của dây quấn phần sơ cấp
G
fe
Trọng lượng thép của phần sơ cấp
G
sc
Trọng lượng của phần sơ cấp
h
g
Chiều cao của gông
h
r
Chiều cao của rãnh
I
1
Dòng điện pha phần sơ cấp
I’
2

Chiều dài dây quấn của 1 pha phần sơ cấp
L
w
Chiều dài dây quấn phần sơ cấp
m Số pha
n Số dây dẫn song song
n
r
Số thanh dẫn trong một rãnh
2p Số cực
P
2
Công suất đầu ra
P
1
Công suất đầu vào
q
1
Số rãnh của một pha dưới một cực
x
R
1
Điện trở tác dụng của pha dây quấn phần sơ cấp
R’
2
Điện trở tác dụng của pha phần thứ cấp qui đổi về phần sơ cấp
s Hệ số trượt
S
r
Diện tích rãnh

xi
Bảng 2: Danh mục các chữ viết tắt
Ký hiệu

Viết tắt cho Nghĩa tiếng Việt
KĐB - Không đồng bộ
PTHH - Phần tử hữu hạn
TCVN - Tiêu chuẩn Việt Nam
THD Total Harmonic Distortion Tổng độ méo do sóng hài
FEM Finite Element Method Phương pháp PTHH
FEMM Finite Element Method Magnetics Phương pháp PTHH mạch từ
FDM Finite Difference Method Phương pháp sai phân hữu hạn
UFEM Upwind Finite Element Method Phương pháp PTHH ngược
2- D Two - Dimensional Hai chiều
3- D Three - Dimensional Ba chiều
CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính
FMS Flexible Manufacturing System Hệ thống sản xuất linh hoạt
FSLIM Flux Synthesizing Linear
Induction Motor
Tổng hợp từ thông động cơ
KĐB tuyến tính
EMALS Electromagnetic Aircraft Launch
Systems
Hệ thống phóng máy bay điện

tấm nhôm
80
10 Bảng 4.3: So sánh độ lớn lực khi thay đổi cấu trúc răng rãnh
của lõi thép phần sơ cấp
82
11 Bảng 4.4: So sánh độ lớn lực kéo khi thay đổi độ rộng lõi
thép phần sơ cấp
83
12 Bảng 4.5: So sánh độ lớn lực khi thay đổi dòng điện 84
13 Bảng 4.6: So sánh độ lớn lực khi thay đổi vật liệu làm tấm
dẫn điện
85
14 Bảng 4.7: So sánh độ lớn lực theo mô hình trường và mô
hình mạch
86
15 Bảng 4.8: So sánh các kết quả về lực 87
16 Bảng 5.1: Các biến độc lập 105
17 Bảng 5.2: Các ràng buộc 106
xiii
18 Bảng 5.3: Khoảng xác định của các biến số độc lập 109
19 Bảng 5.4: Kết quả tính toán cho động cơ thiết kế 113
20 Bảng 5.5: So sánh kết quả tính toán giữa thuật toán và FEM 117
21 Bảng 5.6: Tổng hợp kết quả tính toán giữa thuật toán và FEM 118


Hình 1.3: Phân loại theo ứng dụng riêng của động cơ tuyến
tính
11
7 Hình 1.4: So sánh giữa chuyển động thẳng tạo gián tiếp và
trực tiếp
13
8 Hình 2.1: Mô hình động cơ KĐB tuyến tính đơn biên 25
9 Hình 2.2: Quan hệ giữa bán kính động cơ KĐB quay và
chiều dài động cơ KĐB tuyến tính
26
10 Hình 2.3: Mô hình của động cơ KĐB tuyến tính đơn biên 29
11 Hình 2.4: Dây quấn một lớp của động cơ KĐB tuyến tính
đơn biên 3 pha, 4 cực, 1 rãnh/1 cực/1pha
31
12 Hình 2.5: Dây quấn hai lớp bước đủ của động cơ KĐB
tuyến tính đơn biên 3 pha, 5 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y = 
31
13 Hình 2.6: Dây quấn hai lớp bước đủ của động cơ KĐB
tuyến tính đơn biên 3 pha, 5 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y = 
32
14 Hình 2.7: Dây quấn hai lớp bước đủ của động cơ KĐB
tuyến tính đơn biên 3 pha, 5 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y = 
32
xv
15 Hình 2.8: Dây quấn hai lớp bước ngắn của động cơ KĐB
tuyến tính đơn biên 3 pha, 4 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y =

42
24 Hình 3.1: Các kích thước của lá thép 44
25 Hình 3.2: Lá thép kỹ thuật điện mã hiệu 2211 dày 0,5 mm 45
26 Hình 3.3: Giản đồ triển khai dây quấn 45
27 Hình 3.4: Cấu trúc của phần sơ cấp 45
28 Hình 3.5: Mô hình lắp ráp động cơ KĐB tuyến tính 3 pha
đơn biên
46
29 Hình 3.6: Động cơ KĐB tuyến tính 3 pha đơn biên thiết kế 46
30 Hình 3.7: Mô hình đo vận tốc 47
31 Hình 3.8: Mô hình thực nghiệm đo vận tốc động cơ 48
32 Hình 3.9: Mô hình đo lực 49
33 Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm đo lực động cơ 49
34 Hình 3.11: Đặc tính cơ của động cơ KĐB tuyến tính 52
35 Hình 4.1: Phần tử tam giác 63
xvi
36 Hình 4.2: Cửa sổ FEMM 65
37 Hình 4.3: Cửa sổ soạn thảo Lua 65
38 Hình 4.4: Các miền khảo sát động cơ KĐB tuyến tính 66
39 Hình 4.5: Quan hệ B-H của thép mã hiệu 2211 66
40 Hình 4.6: Hình học đầu vào và sự phân chia thành các tam
giác phần tử
67
41 Hình 4.7. Phân bố mật độ từ thông trong động cơ với dòng
điện định mức
68
42 Hình 4.8: Các đường khảo sát trên mô hình động cơ 69
43 Hình 4.9: Mật độ dòng điện xoáy trong tấm nhôm ứng với
dòng điện định mức và khe hở không khí δ = 5 mm
69


khi kích thích theo A-BC, B-AC, C-AB bằng nguồn DC
73
51 Hình 4.17: Độ lớn mật độ từ thông Bt dọc theo đường M
2
N
2

khi kích thích theo A-BC, B-AC, C-AB bằng nguồn DC
73
52 Hình 4.18: Phân bố mật độ từ thông trong mạch từ khi I
kđ
74
xvii
= 4I
đm

53 Hình 4.19: Độ lớn từ thế vectơ A dọc theo đường M
1
N
1
75
54 Hình 4.20: Độ lớn cảm ứng từ B dọc theo đường M
1
N
1
76
55 Hình 4.21: Độ lớn cảm ứng từ B trong khe hở không khí
dọc theo đường M
2

dòng điện xoáy
91
66 Hình 5.2: Quan hệ giữa V
r
, ξ và f(ξ) 93
67 Hình 5.3: Mạch điện tương đương một pha động cơ KĐB
tuyến tính có xét đến thành phần hiệu ứng đầu cuối và
dòng xoáy
93
xviii
68 Hình 5.4: Quan hệ giữa k
HU
và tốc độ 97
69 Hình 5.5: Quan hệ: k
HU
= f(δ) 98
70 Hình 5.6: Quan hệ: k
HU
= f(d) 98
71 Hình 5.7: Quan hệ: k
HU
= f(W
s
) 99
72 Hình 5.8: Quan hệ: k
HU
= f(n
r
) 99
73 Hình 5.9: Quan hệ: k

) 114
81 Hình 5.17. Mô hình phân bố mật độ từ thông (mô hình
thiết kế tối ưu)
116
82
Hình 5.18: Phổ của sóng điều hòa từ thông trong khe hở
không khí
117
83 Hình 5.19. Tổng hợp đặc tính F
s
= f(s) 118 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Động cơ tuyến tính (còn gọi là động cơ truyền động thẳng) về bản chất
là động cơ xoay chiều quay thông dụng. Tuy nhiên chúng được thiết kế để tạo
nên chuyển động tịnh tiến. Trên thế giới, động cơ tuyến tính đang được phát
triển trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn trong các cơ cấu truyền động tịnh tiến,
trong các phương tiện giao thông như đầu máy xe điện, tàu điện ngầm. Có thể
kể ra một số ứng dụng điển hình:
- Tàu điện nhanh sân bay JFK Newyork (2003)
- Tuyến metro 4 Quảng Châu (2005)
- Tàu điện nhanh sân bay Bắc Kinh (2008)
- Green Line Yokohama – Nhật Bản (2008)


[56], [59], [60].
Động cơ điện tuyến tính có giá thành còn cao hơn động cơ quay thông
dụng nhưng lợi ích mà nó mang lại rất lớn. Ông Dan Jones - chuyên gia tư
vấn điều khiển chuyển động của Thousand Oaks, Calif nói: “Tỷ số giữa chi
phí và hiệu suất làm cho hệ thống dùng động cơ tuyến tính có giá trị tốt hơn
rất nhiều” [61]. Tuy nhiên gần đây, giá thành đã giảm đáng kể bởi vì số lượng
động cơ truyền động thẳng được chế tạo tăng nhiều. Nhiều nhà sản xuất đã
đầu tư mạnh mẽ vào dây chuyền công nghệ, các trang thiết bị hiện đại cho sản
xuất động cơ truyền động thẳng. Số lượng các hãng sản suất tăng lên rất
nhanh trong bốn năm qua từ 4 đến 30 hãng sản xuất đã tạo ra môi trường cạnh
tranh góp phần vào việc giảm giá thành của động cơ.
Ở Việt Nam, theo quyết định số 1696/QĐ-BKHCN ngày 16 tháng 8
năm 2007 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ, động cơ điện tuyến tính
được đưa vào danh mục các đề tài thuộc chương trình Khoa học và công nghệ
trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2006-2010 với tên đề tài: “Nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo động cơ tuyến tính xoay chiều ba pha, phục vụ các ứng
dụng tính năng cao của công nghiệp và quốc phòng”. Mục tiêu nhằm tiến đến
làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo động cơ tuyến tính.
Và theo đề án: “Đổi mới công nghệ công nghiệp sản xuất phục vụ
chuyển dịch cơ cấu công nghiệp trên địa bàn thành phố” của Sở Khoa học và
Công nghệ Tp.Hồ Chí Minh [58], đưa ra chương trình hỗ trợ doanh nghiệp
đổi mới công nghệ. Trong đó có giới thiệu về động cơ tuyến tính và các ứng
dụng của nó đến các nhà khoa học và doanh nghiệp trên địa bàn Tp.Hồ Chí
Minh, đồng thời khuyến khích các doanh nghiệp tiếp cận công nghệ mới này
và đổi mới công nghệ nhằm đem lại nhiều lợi ích cho nền công nghiệp.
4
Và theo quyết định số 101/QĐ-TTg ký ngày 22 tháng 01 năm 2007 và
số 90/QĐ-TTg ký ngày 09 tháng 07 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ nước
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam, phê duyệt quy hoạch phát triển giao
thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội đến năm 2020. Loại

với loại động cơ này.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
* Mục tiêu nghiên cứu:
- Khảo sát, phân tích ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến hiệu ứng
đầu cuối và đặc tính lực của động cơ KĐB ba pha tuyến tính
- Xây dựng phương pháp và thuật toán thiết kế để giảm ảnh hưởng các
thành phần hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy trong động cơ KĐB ba pha tuyến
tính đến mức nhỏ nhất nhằm nâng cao chất lượng thiết kế động cơ, đặc biệt là
chất lượng đường đặc tính lực của động cơ. Góp phần tăng hiệu quả sử dụng
của động cơ trong công nghiệp.
* Đối tượng nghiên cứu:
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba
pha tuyến tính đơn biên loại stator ngắn, ứng dụng trong thiết bị vận chuyển.
* Phạm vi nghiên cứu:
Dựa vào thuật toán thiết kế động cơ KĐB tuyến tính ba pha đơn biên
loại stator ngắn, tiến hành tính toán một động cơ cùng loại phù hợp với điều
kiện điện áp và tần số ở Việt Nam. Chế tạo một mẫu động cơ phù hợp với
điều kiện công nghệ hiện có. Tính toán kiểm tra trên mô hình trường. Qua đó
đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến đặc tính kỹ thuật của động
cơ và xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu nhằm nâng cao chất lượng động cơ.
6
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn là đặc tính lực và độ lớn lực tại điểm làm
việc của động cơ.
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Sử dụng mô hình mạch điện tương đương và lý thuyết giải tích để xây
dựng thuật toán thiết kế
- Mô phỏng trên máy tính nhờ phần mềm FEMM 2D, đồng thời kết hợp
với mô hình thực nghiệm để kiểm tra và khẳng định các kết quả nghiên cứu lý
thuyết
5. Nội dung của luận án:

tuyến tính đơn biên đảm bảo về lực và giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng đầu
cuối và dòng xoáy
Luận án đề xuất phương pháp đánh giá ảnh hưởng của các thông số
thiết kế đến hiệu ứng đầu cuối trên cơ sở mô hình mạch điện tương đương có
xét đến các thành phần hiệu ứng. Đưa ra mô hình đánh giá tác động của khe
hở không khí, độ dày tấm nhôm và độ rộng lõi thép phần sơ cấp, …đến hiệu
ứng đầu cuối trong động cơ. Từ đó đưa ra phương pháp tính toán thiết kế hợp
lý nhằm giảm nhỏ ảnh hưởng của các thành phần hiệu ứng và đảm bảo các
yêu cầu đặt ra, nâng cao chất lượng động cơ thiết kế.
Cuối cùng là phần kết luận của toàn bộ luận án, khái quát lại những kết
quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển
của đề tài.
6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới:
- Bước đầu thành công trong nghiên cứu xây dựng mô hình thực
nghiệm động cơ KĐB tuyến tính đơn biên loại stator ngắn, làm công cụ kiểm
nghiệm và hiệu chỉnh thông số thiết kế.