ĐÀO THỊ THUỲ DUNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Đào Thị Thuỳ Dung
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO
ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
KHOÁ 2011B
Hà Nội – Năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Đào Thị Thuỳ Dung
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU RÔ TO
ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU
CỬU..................................................................................................................17
2.1 Khái niệm chung .....................................................................................17
2.2 Gợn sóng mô men điện từ ........................................................................17
2.3 Các phương pháp giảm momen gợn sóng đã nghiên cứu .........................18
2.3.1 Phương pháp tạo cực từ xiên.............................................................18
2.3.2 Phương pháp điều chỉnh độ rộng cực từ ............................................19
2.3.3 Phương pháp sử dụng các cực từ có độ rộng khác nhau ....................20
2.3.4 Phương pháp tạo rãnh giả trên răng stator .........................................20
2.3.5 Phương pháp dịch chuyển vị trí các nam châm vĩnh cửu...................22
2.4 Giới thiệu về phương pháp tạo cực từ xiên ..............................................23
Luận văn Thạc sĩ khoa học
2.5 Kết luận ..........................................................................................................24
CHƯƠNG 3- XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN .................................................25
3.1 Mô hình tổng quát động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.........................25
3.1.1 Các phép biến đổi hệ toạ độ trong máy điện 3 pha ............................25
3.1.2 Mô hình tổng quát động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. .................29
3.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực từ xiên ...................................32
3.3 Kết luận ...................................................................................................34
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU BẰNG MATLAB/SIMULINK ................................................................36
4.1 Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu...................36
4.1.1 Các khối mô phỏng ...........................................................................36
4.1.2 Sơ đồ mô phỏng động cơ ..................................................................39
4.2 Mô hình Simulink của động cơ với cực từ xiên .......................................40
4.2.1 Động cơ có cực từ gồm 3 mô đun .....................................................40
4.2.2 Động cơ có cực từ gồm 5 mô đun .....................................................40
4.3 Kết luận ...................................................................................................41
trong luận văn được sáng tỏ, hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2014
Đào Thị Thuỳ Dung
Luận văn Thạc sĩ khoa học
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
1. Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy TS. Bùi Đức Hùng- Bộ môn Thiết bị điện- điện tử- Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
2. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và hợp lệ.
3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Học viên,
Đào Thị Thuỳ Dung
Luận văn Thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
P - số đôi cực.
q- số rãnh stator trên mỗi cực và pha.
N- số vòng dây.
I- dòng điện.
Be- từ trường khe hở không khí.
Lz- chiều dài cạnh tác dụng dây.
Ra- bán kính trong stato.
ud, uq- điện áp pha stato theo trục d và trục q.
id, iq- dòng điện stato theo trục d và trục q.
Hình 1.4- Hai kiểu động cơ từ thông ngang trục
Hình 1.5- Các kiểu kết cấu roto
Hình 1.6- ¼ mặt cắt ngang của rotor 8 cực từ động cơ cực từ lồi
Hình 1.7- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ ẩn
Hình 1.8- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ chìm
Hình 2.1- Tạo rãnh giả trên răng stator với Nn=1 và Nn=2
Hình 2.1- Đồ thị gợn sóng mô men với Nn=0 và Nn=2
Hình 2.3- Mô men gợn sóng của động cơ khi không có rãnh giả và khi có rãnh giả
Hình 2.4- Vị trí các cực từ sau khi dịch chuyển trong động cơ 4,6 và 8 cực
Hình 2.5- Gợn sóng mô men của động cơ 6 cực trước và sau khi dịch chuyển
Hình 2.6- Cực từ thẳng và cực từ nghiêng góc ng.
Hình 3.1- Hệ toạ độ a, b, c và d, q.
Hình 3.2- Hệ toạ độ a, b, c và ,
Hình 3.3- Hệ trục toạ độ , và d, q
Hình 3.4- Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 3.5- Rô to với cực từ gồm 3 khối ghép chéo
Hình 3.6- Hệ trục , và các hệ trục di, qi
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Hình 4.1- Khối nguồn 3 pha
Hình 4.2- Khối biến đổi abc sang dq0
Hình 4.3- Khối dòng điện
Hình 4.4- Sơ đồ khối dòng điện
Hình 4.5- Sơ đồ khối mô men điện từ
Hình 4.6- Khối tốc độ
Hình 4.7- Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 4.8- Mô phỏng Simulink của động cơ có cực từ gồm 3 mô đun
Hình 4.9- Mô phỏng Simulink của động cơ có cực từ gồm 5 mô đun
Hình 5.1- Mô men điện từ (Te), tốc độ động cơ ( m), dòng điện dọc trục và ngang
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Hình 5.10- Mô men gợn sóng khi M =5,
Hình 5.11- Mô men gợn sóng khi M =5,
Hình 5.12- Mô men gợn sóng khi M =5,
Hình 5.13- Mô men gợn sóng khi M =5,
60
40
36
30
Luận văn Thạc sĩ khoa học
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng khá phổ biến
thay thế cho động cơ không đồng bộ bởi tính ưu việt của nó như hiệu suất và cosφ
cao.
Trong nước, hiện chưa có cơ sở sản xuất nào chế tạo thương phẩm loại động cơ
này, các nghiên cứu về loại động cơ này cũng cũng rất ít. Động cơ đồng bộ nam
Chương 2- Mô men của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Chương 3- Xây dựng mô hình toán
Chương 4: Mô phỏng mô hình toán động cơ đồng bộ bằng Matlab/ Simulink
Chương 5: Kết quả và bàn luân
2
Luận văn Thạc sĩ khoa học
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tình hình thực tiễn chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
1.1.1 Tình hình trên thế giới
Động cơ điện là một bộ phận không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta, do đó
tính năng của chúng không ngừng được nâng cao. Trước tình hình thay đổi nhanh
chóng của khí hậu, vấn đề hiệu suất năng lượng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.
Động cơ điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài bắt đầu từ những thí
nghiệm của Michael Faraday và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh tế do
các kĩ sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho động
cơ nhỏ hơn, mạnh mẽ, mang tính động học và có hiệu suất hơn.
Với mục đích bảo tồn năng lượng, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ
hiệu suất cao mới có những đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn
so với các động cơ điện cảm ứng ac thông thường. Động cơ đồng bộ IPM mới sử
dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto ( động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp
phần làm cho mật độ mômen quay tốt hơn.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong những ứng dụng có
mômen quay cao, như thang máy, cần trục, trục quay hay những ứng dụng tiêu thụ
năng lượng lớn, như trong quạt, bơm và máy nén công suất lớn.
Trong những ứng dụng mômen quay cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
có tính thời sự trong giai đoạn hiện nay.
4
Luận văn Thạc sĩ khoa học
1.2 Các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
1.2.1 Cấu tạo chung
Theo [1], hình 1.1 cho ta thấy mặt cắt ngang cấu trúc của một động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu
Hình 1.1 Kết cấu cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Stato mang dây quấn 3 pha tạo ra phân bố lực từ động có dạng gần hình sin dựa trên
giá trị của dòng điện stato.
Các nam châm được gắn trên bề mặt lõi roto. Chúng có vai trò như dây quấn kích từ
trong máy điện đồng bộ, chỉ khác là từ trường của chúng là hằng số và ta không
điều khiển nó.
1.2.2 Phân loại
Theo [6], [9], hiện nay có 3 kiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
- Kiểu từ thông hướng tâm
- Kiểu từ thông dọc trục
- Kiểu từ thông ngang trục
5
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Hình 1.2 Hai kiểu động cơ từ thông hướng tâm
Hình 1.6- ¼ mặt cắt ngang của rotor 8 cực từ động cơ cực từ lồi
Độ từ thẩm của nam châm và không khí gần như nhau nên từ trở trục d bằng từ trở
trục q. Do đó, các động cơ SMPM có mô men quay sinh ra hoàn toàn là tương tác
giữa dòng điện stator và các nam châm.
1.3.1.2 Rô to nam châm ẩn
Với roto nam châm ẩn, các nam châm được gắn vào bề mặt roto như hình 1.7. Tuy
nhiên do nam châm nằm trong lõi rotor nên sẽ được bảo vệ khỏi từ trường khử từ
8
Luận văn Thạc sĩ khoa học
tốt hơn so với động cơ nam châm gắn trên bề mặt rô to, nhưng vẫn cần được gia cố
bằng các băng sợi thuỷ tinh hoặc cacbon để chống đỡ lực ly tâm.
Hình 1.5 b) và 1.5 g) cho ta hình ảnh một số kiểu gắn nam châm vào roto.
Do có một phần lõi sắt rotor giữa các nam châm, nên từ trở trục q nhỏ hơn từ trở
trục d. Điều này giống như có các cực từ lồi. Do đó tạo ra một thành phần mô men
từ trở thêm vào mô men quay sinh ra bởi nam châm.
Hình 1.7- ¼ mặt cắt ngang của rotor cực từ ẩn
1.3.1.3 Rô to nam châm chìm
Một kiểu kết cấu khác là chôn các nam châm vào lõi roto như hình 1.5- d) e) f). Các
nam châm được bảo vệ tốt hơn, chống lại từ trường khử từ và các ứng suất cơ học.
Có rất nhiều cách chọn vị trí đặt nam châm trong roto. Có thể đặt các nam châm sao
cho từ thông chúng sinh ra được tập trung và qua đó làm tăng mật độ từ thông khe
hở không khí
9
đất hiếm và kim loại chuyển tiếp. Nam châm đất hiếm chủ yếu gồm có 2 loại là nam
châm nhiệt độ cao SmCo ( SmCo5, Sm2Co17…) và nam châm Neodymium NdFeB
(dựa trên hợp chất R2Fe14B có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với R là các nguyên tố
đất hiếm như Nd, Pr…). Nam châm đất hiếm đứng sau ferrite từ cứng về thị phần
sử dụng.
-Nam châm tổ hợp nano: là nam châm có cấu trúc tổ hợp của hai pha từ cứng và từ
mềm ở kích thước nanomet. Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực
kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn. Tính chất tổ hợp này có được là nhờ
liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet.
Loại nam châm này được tính toán có khả năng cho năng lượng từ lớn hơn 3 lần so
với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng thực nghiệm mới chỉ đạt được
rất nhỏ so với lý thuyết và các sản phẩm mới trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.
Theo phương pháp chế tạo, nam châm vĩnh cửu được chia thành các loại sau:
-Nam châm đẳng hướng: là nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng cách ép đẳng
tĩnh mà không sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu ( ví dụ như từ trường
định hướng…).
-Nam châm dị hướng: là nam châm được định hướng trong quá trình ép đẳng tĩnh
bằng từ trường. Khi đó các miền momen từ hoá trong vật liệu sẽ bị định hướng theo
chiều từ trường, tạo nên khả năng dễ dàng từ hoá theo hướng đã xác định.
11
Luận văn Thạc sĩ khoa học
-Nam châm kết dính: là các nam châm được chế tạo bằng cách nghiền thành bột
mịn, sau đó trộn với keo kết dính và ép trong từ trường định hướng. Các keo vừa có
tác dụng kết dính lại vừa có tác dụng đông cứng sự định hướng của các miền từ hoá.
-Nam châm thiêu kết: là nam châm được chế tạo bằng cách thiêu kết các bột kim
loại đã nghiền mịn và ép khuôn. Việc thiêu kết nhằm tạo ra hợp chất có thành phần
hợp phức xác định với tính chất từ của hợp chất đó.
Các ưu điểm chính của Alnico là có mật độ từ dư cao và hệ số nhiệt thấp. Hệ số
nhiệt của Br là -0.02%/oC , nhiệt độ sử dụng lớn nhất là 520oC. Các ưu điểm này
cho phép mật độ từ thông khe hở không khí có giá trị lớn khi nhiệt độ nam châm
cao. Tiếc rằng chúng có từ kháng rất thấp và đường cong khử từ cực kỳ phi tuyến
tính. Do đó rất dễ bị từ hóa, và cũng rất dễ khử từ Alnico. Alnico được sử dụng
trong động cơ vành góp một chiều nam châm vĩnh cửu có khe hở không khí tương
đối lớn. Điều này dẫn đến kết quả là từ thông phản ứng phần ứng tác dụng lên các
nam châm vĩnh cửu không đáng kể. Đôi khi Alnico được bảo vệ khỏi từ thông phần
ứng, và do đó tránh được sự khử từ, bằng cách sử dụng thêm các má cực bằng sắt
non. Alnico thống trị thị trường động cơ nam châm vĩnh cửu ở dải công suất từ vài
W đến 150kW trong khoảng từ giữa những năm 1940 đến cuối những năm 1960 khi mà ferrite trở thành vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất.
b-Ferrite từ cứng
Barium và strontium ferrite được phát minh vào những năm 1950. Ferrite có từ
kháng cao hơn Alnico, nhưng đồng thời có mật độ từ dư thấp hơn. Hệ số nhiệt
tương đối cao, cụ thể hệ số nhiệt của Br là -0.2%/oC, của Hc là -0.27%/oC.Nhiệt độ
làm việc lớn nhất là 400oC. Ưu điểm chính của ferrite là có giá thành rẻ và điện trở
rất cao. Điều đó có nghĩa là không có tổn hao dòng xoáy trong thể tích khối nam
châm. Nam châm ferrite là lựa chọn kinh tế nhất đối với các động cơ công suất nhỏ
và nó vẫn có lợi thế về kinh tế so với nam châm Alnico ở mức công suất đến
khoảng 7.5kW. Nam châm barium ferrite thường được sử dụng trong các động một
chiều vành góp loại nhỏ dùng cho ô tô (quạt, gạt nước kính chắn gió, bơm…) và các
đồ chơi điện.
13
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Ferrite được sản xuất từ các bột luyện kim. Công thức hóa học của nó thường có
dạng MO x 6Fe2O3 với M là Ba, Sr hay Pb. Strontium ferrite có từ kháng cao hơn
Barium ferrite. Ferrite chì có một nhược điểm về phương diện sản xuất đó là gây
Copyright: Tài liệu đại học ©