BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------

VŨ ĐỨC TRỌNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG RĂNG, RÃNH, KHE HỞ
KHÔNG KHÍ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA
ĐCKĐB

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI - Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------

VŨ ĐỨC TRỌNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG RĂNG, RÃNH, KHE HỞ
KHÔNG KHÍ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA
ĐCKĐB

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:


Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội. Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc của mình tới thầy giáo TS. Phạm
Hùng Phi - Bộ môn Thiết bị điện - điện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội. Với những kiến thức, kinh nghiệm quý báu của mình, thầy đã giúp đỡ và chỉ
bảo cho tôi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn theo đúng thời hạn mà nhà trường
cũng như bộ môn giao cho.
Qua đây cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Đào tạo Sau đại học, đến
các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn những
nhận xét, đóng góp ý kiến thiết thực của các thầy, cô giáo trong bộ môn Thiết bị điệnđiện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo, các nhà khoa học chấm phản
biện, các thầy, cô giáo trong hội đồng bảo vệ và tất cả các đồng nghiệp đã cho những
nhận xét quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè tôi và đơn vị chủ
quản đã luôn luôn động viên, giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và làm luận văn.
Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Học viên

Vũ Đức Trọng

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang ii

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật



1.3.1.

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ. ...............................5

1.3.2.

Mô hình của động cơ không đồng bộ. .................................................6

1.4

ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. ................8

1.4.1.

Phương trình đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ. .....................8

1.4.2.
Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của động cơ không đồng
bộ…………….. .................................................................................................13
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1......................................................................................14
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI
CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.....................................................................15
2.1. CÁC ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ. ............................................................................................15
2.1.1.
Mối quan hệ trong biến đổi năng lượng điện cơ của động cơ không
đồng bộ……. .....................................................................................................15
2.1.2.

Khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ. .................................16

Điều chỉnh thông số liên quan tới sự bão hòa răng. ..........................26

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2......................................................................................29
CHƯƠNG 3: KIỂM NGHIỆM SỰ PHỤ THUỘC CỦA MÔ MEN CỰC ĐẠI VÀO
CÁC THÔNG SỐ. ....................................................................................................30
3.1. THÔNG SỐ YÊU CẦU ĐỘNG CƠ ĐƯỢC LỰA CHỌN THIẾT KẾ. .....30
3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỪ CỦA ĐỘNG CƠ.........................................30
3.2.1.

Các thông số chính của mạch từ. .......................................................30

3.2.2.

Cuộn dây stator. .................................................................................32

3.2.3.

Thiết kế răng- rãnh stator. .................................................................36

3.2.4.

Thiết kế răng- rãnh rotor. ..................................................................38

3.2.5.

Tính toàn vành ngắn mạch. ...............................................................41

3.2.6.

Kiểm định thông số thiết kế trong phần mềm RMxprt .....................41

PHỤ LỤC ..................................................................................................................65
A.

B.

PHẦN MỀM ANSOFT MAXWELL VÀ ỨNG DỤNG. ...........................65
1.

Giới thiệu chung về Ansoft Maxwell. ......................................................65

2.

Các thông số ban đầu được nhập vào trong phần mềm RMxprt ..............66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. ...................................................68

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang v

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
Ký hiệu
a



btr

Độ rộng răng rotor

bts

Bề rộng của răng stator

cosφdm1

Hệ số công suất định mức

f1

Tần số định mức của động cơ

δ
hcs

Chiều dài khe hở không khí
Chiều cao gông stator

hs0(h4)

Chiều cao miệng rãnh

hs0r(h4r)

Chiều cao miệng rãnh rotor


Hệ số quấn rải ở tần số cơ bản

KR

Hăng số đặc trưng cho hiệu ứng mặt ngoài

KX

Hệ số đặc trưng cho sự giảm điện kháng của rãnh
rotor

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang vi

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Ky

Hệ số bước ngắn ở tần số cơ bản

m

Số pha của động cơ


khởi động

Hệ số trượt

sth

Hệ số trượt tới hạn

W1

Số vòng dây trên một pha của động cơ

X1

Điện kháng tản stator

X2’

Điện kháng tản rotor quy đổi về stator

Xm

Điện kháng từ hóa

β

Hệ số bước ngắn   y / 

ηdm

bề mặt rotor

Điện trở suất

τ

Độ dài cung cực từ

τr

Khoảng cách giữa các rãnh rotor

τs

Bước rãnh trên stator

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang vii

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ phân loại động cơ điện ......................................................................1
Hình 1.2: Tổng giá trị sản phẩm động cơ điện thị trường Bắc Mỹ năm 2007 ............2

Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Hình 3.8: Hiệu suất theo tốc độ .................................................................................48
Hình 3.9: Hệ số công suất theo tốc độ ......................................................................49
Hình 3.10: Công suất ra đầu trục theo tốc độ............................................................49
Hình 3.11: Momen theo tốc độ .................................................................................49
Hình 3.11: Momen theo hệ số trượt ..........................................................................49
Hình 3.12: Mô men của động cơ khi mảng tải định mức .........................................50
Hình 3.13: Tốc độ của động cơ khi mang tải định mức ............................................50
Hình 3.14: Dòng điện của stator của động cơ khi mang tải định mức ......................50
Hình 3.15: Giá trị tổn hao lõi khi động cơ mang tải định mức .................................50
Hình 3.16: Phân bố mật độ dòng điện khi khởi động ...............................................51
Hình 3.17: Phân bố mật độ từ trường khi động cơ khởi động ..................................51
Hình 3.18: Phân bố mật độ dòng điện khi động cơ làm việc ổn định .......................51
Hình 3.19: Phân bố mật độ từ trường khi động cơ làm việc ổn định ........................51
Hình 3.20: Giá trị mô men cực đại theo kích thước miệng rãnh rotor ......................52
Hình 3.21: Giá trị dòng điện cực đại theo kích thước miệng rãnh rotor ...................52
Hình 3.22: Giá trị mô men khởi động theo kích thước miệng rãnh rotor .................53
Hình 3.23: Giá trị tốc độ định mức theo kích thước miệng rãnh rotor .....................53
Hình 3.24:Mô men theo tốc độ với sự thay đổi của miệng rãnh rotor ......................54
Hình 3.25: Dòng điện stator theo tốc độ thay đổi theo miệng rãnh rotor .................54
Hình 3.26: Hiệu suất động cơ theo sự thay đổi của miệng rãnh rotor ......................55
Hình 3.27: Mô men cực đại theo độ rộng miệng rãnh rotor .....................................55
Hình 3.28: Mô men cực đại theo độ cao miệng rãnh rotor .......................................56
Hình 3.29: Giá trị mô men cực đại theo kích thước miệng rãnh stator.....................57
Hình 3.30: Giá trị dòng điện cực đại theo kích thước miệng rãnh stator ..................57
Hình 3.31: Giá trị mô men khởi động theo kích thước miệng rãnh stator ................57
Hình 3.32: Giá trị tốc độ định mức theo kích thước miệng rãnh stator ....................57


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay yêu cầu về khả năng làm việc cũng như hiệu suất sử dụng của động
cơ ngày càng cao khi giá thành năng lượng gia tăng, cùng với ứng dụng của các nguồn
động lực từ động cơ điện đang dần thay thế cho các nguồn động lực sử dụng dạng
năng lượng khác. Do đó vấn đề nghiên cứu giải pháp thiết kế để nâng cao khả năng
hoạt động cho nguồn động lực này là một yêu cầu thực tế.
Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo,
làm việc chắc chắn, ít hỏng hóc, giá thành thấp và có dải công suất rộng. Là một
nguồn động lực phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp cũng như dân dụng.
Vì vậy, nhằm nâng cao khả năng làm việc của động cơ không đồng bộ với mô
men quá tải lớn, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng răng, rãnh, khe hở
không khí tới khả năng quá tải của ĐCKĐB”
Luận văn này sẽ đi từ phân tích cấu trúc và đặc tính làm việc của động cơ
không đồng bộ, qua đó xác định các thông số ảnh hưởng đến giá trị mô men cực đại
và các thông số đặc tính khác từ đó đưa ra phương hướng điều chỉnh thiết kế nhằm
nâng cao khả năng quá tải của động cơ với nội dung cơ bản như sau:
-

Chương 1: “Tổng quan về động cơ không đồng bộ”- Giới thiệu sơ bộ quá trình
hình thành và ứng dụng của động cơ không đồng bộ. Xác định đặc tính làm
việc cùng với các thông số ảnh hưởng đến đặc tính làm việc.

-

Chương 2: “Ảnh hưởng của thiết kế tới khả năng quá tải của động cơ”- Nghiên


LỊCH SỬ RA ĐỜI, PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ.

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại động cơ điện

Năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu
ảnh hưởng từ trường của dòng điện. Một năm sau đó, Michael Faraday đã khám phá
ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời. Faraday tiếp tục khám phá ra
cảm ứng điện từ năm 1831 nhưng phải đến 1833 thì Tesla mới phát minh ra động cơ
không độ bộ xoay chiều, đến ngày nay các thiết kế động cơ điện vẫn xây dựng theo
các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla. Các động cơ điện được chia làm hai loại
cơ bản là động cơ xoay chiều và động cơ một chiều. Động cơ điện xoay chiều phổ
thông gồm hai nhóm chính là động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ theo sơ đồ
hình 1.1.
Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất. Ưu
điểm của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản (đặc biệt là động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc), làm việc chắc chắn, khả năng quá tải cao, hiệu suất cao, giá thành hạ,

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 1

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Đặc trưng của động cơ không đồng bộ cũng giống như các máy điện quay khác
gồm hai phần chính là phần tĩnh hay stator và phần động hay rotor.
Giữa rotor và stator là khe hở không khí. Có giá trị thích hợp để hạn chế dòng
điện từ hóa lấy từ lưới và thay đổi hệ số công suất của động cơ không đồng bộ.
Tuy nhiên do đặc điểm cấu tạo thì động cơ quay không đồng bộ thường được
thiết kế kiểu trụ với hai dạng chính là phần tĩnh (stator) nằm bên ngoài như hình 1.3a
và phần động (rotor) nằm bên ngoài như hình 1.3b.

Hình 1.3: Cấu tạo đặc trưng động cơ không đồng bộ

1.2.1. Phần tĩnh hay stator.
Vỏ máy

Hình 1.4: Kết cấu cơ bản của động cơ không đồng bộ kiểu rotor lồng sóc

1. Lõi thép stator; 2. Dây quấn stator; 3. Nắp máy; 4. Ổ bi; 5. Trục máy; 6. Hộp đấu
dây; 7. Lõi thép rotor; 8. Thân máy; 9. Quạt gió làm mát; 10. Hộp quạt.
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, vỏ máy không phải là mạch
dẫn từ, thường làm bằng gang. Với vỏ máy có công suất lớn (từ 1000 kW trở lên)
thường dùng thép tấm hàn lại.
Lõi sắt

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

ba pha của rotor thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành
trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than
có thể đấu với mạch điện bên ngoài, có thể thông qua chổi than đưa điện trở

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 4

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy,
điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi làm việc bình
thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.
-

Rotor kiểu lồng sóc: Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng
đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành
ngắn mạch bằng đồng hay nhôm gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần
cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất
tương đối lớn, rãnh rotor lồng sóc kép. Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor
thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục.

Hình 1.6: Phần động của động cơ không độ bộ

1.3

vào stator khác với suất điện động cảm ứng trên dây quấn stator bởi vì có điện áp rơi
trên trở kháng stator.
U1 = E1 + I1(R1+jX1)
Trong đó:

(1.1)

U1 :

điện áp pha đặt vào stator

E1:

suất điện động cảm ứng trên dây quấn stator

I1 :

dòng điện stator

R1:

điện trở pha dây quấn stator

X1 :

điện kháng pha stator

Dòng điện pha rotor:
I2 =



Tổng tổn hao đồng rotor:
pCu2 = 3I22R 2

(1.3)

Có thể được viết lại công thức tính dòng điện pha rotor ở trên bằng cách chia
cả tử và mẫu cho hệ số trượt s.

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 6

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

I2 =

E2

(1.4)

R2
+jX 2
s


1 -s
 biểu diễn công suất cơ được tạo ra bởi động cơ đưa qua trục.
 s 

thuộc tốc độ R 2 

P2 = Pcơ – Pf ̶ Pms
Để có thể nối mạch điện của stator và rotor lại với nhau thì phải làm cho E1 và
E2 tương đương. Với k = w1/w2 (số vòng dây tương ứng của stator và rotor). Như vậy
ta có:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 7

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

I2 ' =

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

I2
;
k

X2 ' = k 2 X2 ;



Tổng dẫn mạch từ hóa không đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc vào tải
mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator động cơ.

-

Bỏ qua tổn hao ma sát.

-

Điện áp lưới đối xứng hình sin.
Từ sơ đồ thay thế hình Γ ta dễ dàng tính được quan hệ của mômen điện từ của

máy so với hệ số trượt theo biểu thức 1.6:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 8

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

m1. p.U12 .
M đt 

r2/

; 1 : tốc độ quay của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ
Zm

1 

Với: p:

2 f1
p

số đôi cực từ của máy.

Nếu ta biểu diễn đặc tính theo công thức 1.6 trên đồ thị sẽ là đường cong như
hình 1.10. Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giả phương
trình

dM
 0 , ta sẽ có của trị số của mômen và hệ số trượt tại điểm cực trị ký hiệu là
ds

M th , sth cụ thể là như sau:
sth  

C1r2/

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

/ 2
1 2




Trong hai biểu thức (1.7) và (1.8) dấu “+” ứng với chế độ động cơ; dấu “-”
ứng với chế độ máy phát. Do đó M th ở chế độ máy phát lớn hơn M th ở chế độ động
cơ. Thông thường r12 không vượt quá 5% x1  C1 x2/  nên có thể bỏ qua, như vậy ta
2

có:
m1 pU12
1
M th  
.
2C1 2 f1.  r1   x1  C1 x2/  



(1.9)

Ngoài ra khi nghiên cứu đặc tính động cơ không đồng bộ người ta quan tâm
nhiều tới trạng thái động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong
khoảng tốc độ 0  s  sth , gọi là đoạn đặc tính làm việc.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ có thể biểu diễn
thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa (1.7) và (1.9) và biến đổi ta có biểu thức 1.10
dưới đây:
M dt 

Trong đó:

a



Trong đó:

M th 

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

r2'
sth 
xnm
m1 pU12
4 f1.xnm

Mômen trên trục động cơ không đồng bộ M2 thường nhỏ hơn mômen điện từ
một ít và bằng:
M j  M đt  M c

Trong đó:

Mc :

(2.12)

mômen không tải.

Do Mc rất nhỏ so với mômen trên đầu trục Mj nên đặc tính cơ của động
cơ không đồng bộ M j  f (n) có thể coi bằng M đt  f (n) , do đó đường đặc tính
cơ của động cơ không đồng bộ có dạng như đường đặc tính M dt  f ( s) vẽ ở
hình 1.10.
M


Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

M dt  M c  J *

Trong đó:

Mdt, Mc:

(1.13)

Mô men điện từ động cơ điện không đồng bộ, mô men

cản và mô nen quán tính

Với:

d
dt

.

GD 2
J
4g

hằng số quán tính.

g:



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật