LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ
Giáo viên hƣớng dẫn là TS. Bùi Đức Hùng. Các nội dung nghiên cứu và kết quả
trong đề tài này là trung thực và chƣa công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu
nào trƣớc đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận
xét, tính toán đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong
phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá
cũng nhƣ số liệu của các tác giả khác, và cũng đƣợc thể hiện trong phần tài liệu
tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
trƣớc Hội đồng, cũng nhƣ kết quả luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2013
Tác giả

Hồ Song Hào

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................................. 8
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU TỪ DÙNG CHẾ TẠO NAM CHÂM
VĨNH CỬU VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN .............. 12
1.1. Tìm hiểu về vật liệu từ dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu ..............................12
1.1.1. Các đặc trƣng của vật liệu từ cứng ..........................................................14
1.1.2. Một số loại vật liệu từ cứng dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu ..............17

3.4.1. Tính toán các thông số cơ bản ..................................................................61
3.4.2. Tính toán stato ..........................................................................................61
3.4.3. Tính toán roto ...........................................................................................67
3.4.4. Tính toán mạch từ.....................................................................................75
3.4.5. Tính toán các tham số của động cơ ..........................................................77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 84

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HC

Lực kháng từ

B

Cảm ứng từ

H

Cƣờng độ từ trƣờng

Br, Jr

Cảm ứng từ dƣ

(B.H)max Tích năng lƣợng từ cực đại
ρm

Hệ số kết cấu, tỷ lệ giữa đƣờng kính trong và đƣờng kính ngoài
stato
Tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép với đƣờng kính stato

kD
λ
CA

B

Hằng số Arnold
Công suất tính toán (công suất biểu kiến mà động cơ điện lấy từ
lƣới vào)
Mật độ từ thông khe hở không khí

A

Tải đƣờng

J

Mật độ dòng điện

W

Tải nhiệt cho phép của động cơ



Điện trở suất của vật liệu dẫn điện.


Hệ số dây quấn bƣớc ngắn

Ps

5


kr

Hệ số quấn rải

q

Số rãnh của một pha dƣới một cực

ks

Hệ số dạng sóng

kδ

Hệ số khe hở không khí



Hệ số cung cực từ tính toán

us


dcđ

Đƣờng kính dây dẫn kể cả cách điện

d

Đƣờng kính dây dẫn không kể cách điện

β


Hệ số bƣớc ngắn

kc

Hệ số ép chặt

Bg

Mật độ từ thông trong gông

hrS

Chiều cao rãnh stato

d1, d2

Các đƣờng kính đáy rãnh

Sr


Trang

Bảng 1.1

Một số loại vật liệu từ cứng làm nam châm vĩnh cửu và tính
năng cơ bản

19

Bảng 1.2

Nhiệt độ làm việc của một số loại vật liệu từ cứng

21

Bảng 2.1

Các tiêu chuẩn và quy tắc thông dụng trong chế tạo máy điện
quay

28

Bảng 2.2

Thông số của một số động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do
VEM sản xuất

31



Đƣờng cong từ trễ và các đặc trƣng của vật liệu từ cứng

12

Hình 1.2

Những tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu

14

Hình 1.3

Cấu trúc tinh thể của NdFeB

19

Hình 2.1

Nguyên lý cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

24

Hình 2.2

Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm
đƣợc gắn chìm bên trong roto

25


37

Hình 3.3

Rãnh ô van và chữ nhật

38

Hình 3.4

Rãnh chữ nhật nửa hở lõi thép stato

39

Hình 3.5

Quan hệ  = f(Pđm) của động cơ điện công suất nhỏ 3 pha

44

khi 2p = 2 và 2p =4
Hình 3.6

Vị trí bối dây trong stato và sức từ động

47

Hình 3.7

Phân bố dây quấn và từ trƣờng dọc khe hở


Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-a

55

Hình 3.13

Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-a

56

Hình 3.14

Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-b

56

Hình 3.15

Hệ số công suất theo góc mômen theo cấu trúc 3.11-b

57

Hình 3.16

Từ thông khe hở không khí theo độ điện theo cấu trúc 3.11-c

57

8

68

Hình 3.22

Cách gắn nam châm vĩnh cửu lên roto

69

Hình 3.23

Các kích thƣớc tính toán nam châm

69

Hình 3.24

Cấu trúc cực từ nam châm vĩnh cửu

70

Hình 3.25

Kích thƣớc một cực nam châm

71

Hình 3.26

Các dạng rãnh của roto


vật liệu sản xuất nam châm vĩnh cửu nên chất lƣợng, hiệu suất và hiệu năng động
học của động cơ loại này ngày càng đƣợc nâng cao.
Tuy vậy ở Việt Nam hiện nay, nhiều tài liệu của các tác giả uy tín đã công bố
cũng chỉ mới chủ yếu tập trung nghiên cứu về thiết kế điện từ, còn các vấn đề liên
quan đến kết cấu, công nghệ chế tạo… hầu nhƣ đƣợc đề cập đến một cách hết sức
khái quát [1]. Việc triển khai nghiên cứu, thiết kế và chế tạo loại động cơ này trong
nƣớc để trở thành thƣơng phẩm là điều rất cần thiết. Trên cơ sở phân tích trên, tác
giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế Động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc”.
10


2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là đi sâu vào tìm hiểu phƣơng pháp tính
toán, thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ dƣới 1kW, bao
gồm: cách lựa chọn các kích thƣớc cơ bản, tính toán thiết kế các bộ phận chính của
động cơ, tính toán các thông số và tham số của động cơ.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có công
suất nhỏ dƣới 1kW, khởi động bằng dây quấn lồng sóc
4. Phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu về vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu dùng trong động cơ, tìm
hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và đƣa ra phƣơng pháp tính toán thiết
kế.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tìm hiểu phƣơng pháp thiết kế và tính toán đƣợc động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu thông qua thực tế và tài liệu tham khảo.

11


Bƣớc tiếp theo là sự phát triển của nam châm vĩnh cửu sử dụng để chế tạo
các cực từ (chủ yếu là loại SRO 6 (hay Fe2O3)) trong những năm 1950. Loại vật liệu
này có giá rẻ hơn đáng kể mà lại có lực kháng từ cao hơn và năng lƣợng từ B.H
nhiều hơn so với các vật liệu trƣớc đó. Cho đến ngày nay, đây vẫn đƣợc coi là vật
liệu nam châm hàng đầu nhờ có hiệu suất cao và đƣợc sử dụng chủ yếu để chế tạo
loa phóng thanh và động cơ một chiều công suất nhỏ. Động cơ nam châm vĩnh cửu
công suất lớn cũng đã đƣợc chế tạo nhƣng do mật độ cảm ứng từ dƣ tƣơng đối thấp
nên khó đạt đƣợc từ thông khe hở không khí đủ lớn cho những động cơ hiệu suất
cao [4].
Cột mốc quan trọng tiếp theo trong tiến bộ về nam châm vĩnh cửu là sự phát
hiện nam châm coban kết dính có đất hiếm khoảng năm 1970, đặc biệt là hợp kim
SmCo. Nó có thể cung cấp độ cảm từ dƣ và lực kháng từ cao hơn nhiều lần so với
vật liệu sắt từ đang đƣợc sử dụng lúc đó.Những nam châm có đặc tính và phạm vi
khử từ thuận nghịch lớn (cƣờng độ lực kháng từ Hc cao) sẽ là sự lựa chọn tốt hơn
cho các máy cần hiệu suất cao. Tuy nhiên, do giá của nguyên liệu này quá cao nên
bị hạn chế sử dụng quy mô lớn. Do đó cần đòi hỏi những nỗ lực lớn hơn để tìm thấy
một loại vật liệu nam châm đặc tính tốt và giá rẻ. Vào năm 1983 ngƣời ta đã tìm ra
sắt-bo nam châm NdFeB. NdFeB rẻ hơn SmCo và mật độ năng lƣợng thậm chí còn
cao hơn, tuy nhiên NdFeB không phải lúc nào cũng tốt hơn do nó chỉ ổn định ở
nhiệt độ thấp, mặt khác độ phản ứng của nó còn gây ra một số vấn đề về ăn mòn.
13


Nhận thấy vật liệu sắt từ có thể bị tổn hao do dòng điện xoáy. Do đó ngƣời ta
khắc phục bằng cách nhúng bột đất hiếm trong nhựa thông, có tác dụng làm nam
châm mềm dẻo, cao su (cũng đƣợc sử dụng với bột sắt từ). Hình 1.2b cho thấy chất
lƣợng đƣờng cong trễ của một số loại nam châm phù hợp cho các máy điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu. Hình 1.2a minh họa sự tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu
[4].


suất nội.
Và a, b, c lần lƣợt là các hệ số đóng góp.
1.1.1.2. Tích năng lƣợng từ cực đại
Tích năng lƣợng cực đại là đại lƣợng đặc trƣng cho độ mạnh yếu của vật từ,
đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích
vật liệu từ. Đại lƣợng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lƣợng

J
.
m3

Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc xác định trên đƣờng cong khử từ (xem hình
1.1) thuộc về góc phần tƣ thứ 2 trên đƣờng cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị
của tích cảm ứng từ B và cƣờng độ từ trƣờng H là cực đại. Vì thế, tích năng lƣợng
từ cực đại thƣờng đƣợc ký hiệu là (B.H)max.
15


Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là
Oersted - Oe), nên tích năng lƣợng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này
thƣờng dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ):
1GOe 

8 J
1000 m3

Để có tích năng lƣợng từ cao, vật liệu từ cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng
từ dƣ cao.
1.1.1.3. Cảm ứng từ dƣ
Cảm ứng từ dƣ, thƣờng ký hiệu là Br hay Jr là cảm ứng từ còn dƣ sau khi

là nhôm (Al), niken và côban (Co), có thể có thêm các thành phần phụ gia nhƣ đồng
(Cu), titan (Ti),... Hợp kim này có từ dƣ cao, nhƣng có lực kháng từ khá nhỏ
(thƣờng không vƣợt quá 2 kOe) và có giá thành cao.
1.1.2.2. Vật liệu từ cứng ferrite
Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari (BaFexO), stronsti (SrFexO)
và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ Lanthannium (La)) để cải thiện tính
từ cứng. Ferrite là vật liệu có 2 phân mạng từ bù trừ nhau, và chứa hàm lƣợng ôxi
lớn nên khó tạo ra từ độ lớn, nhƣng lại có lực kháng từ lớn hơn rất nhiều so với
AlNiCo. Lực kháng từ của ferrite có thể đạt tới 5 kOe. Ferrite có điểm mạnh là rẻ
tiền, chế tạo dễ dàng và có độ bền cao. Vì thế nó chiếm phần lớn thị phần nam châm
thế giới (tới hơn 50%) dù có phầm chất không phải là cao.
1.1.2.3. Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm
Điển hình là hai hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các
vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực
kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu
từ cứng, do đó tạo ra tích năng lƣợng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có
lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên
thƣờng sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ
cao). Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao
(do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất
hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm
17


(312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt đƣợc. Nam châm đất hiếm có
tích năng lƣợng từ kỷ lục là Nd2Fe14B đạt tới 57 MGOe.
1.1.2.4. Hợp kim FePt và CoPt
Bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu
trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ƣu điểm là
có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp

Bảng 1.1 - Một số loại vật liệu từ cứng làm nam châm vĩnh cửu và tính năng
cơ bản

Vật liệu

Loại

Mật độ từ dƣ
Br (KGs)

Nd2Fe14B

N35
N38
N40
N42
N45
N48
N50
38M
40M
42M
45M
48M

12.1
12.6
12.9
13.3
13.6

42
45
48
50
38
40
42
45
50


Vật liệu

Sm1Co5

Sm2Co17

Loại

Mật độ từ dƣ
Br (KGs)

Lực kháng từ
Hcb (KOe)

30H
35H
38H
40H
42H

13.1
13.5
13.7
11.2
12
12.6
13
13.1
13.5
10.9
11.2
11.5
12
12.6
13
13.1
11.2
11.5
12
8.5
9
10
10.5
10.5
11
12

10.7
11.6
12.1

(B.H)max (MGOe)
30
35
38
40
42
45
46
30
35
38
40
42
44
28
30
33
35
38
40
42
30
33
35
18
20
24
26
28
30

o
C
F
400
752
540
1004
260
500
350
662
80
176
100
212
120
248
150
302
180
356
200
392
o

1.2. Ứng dụng của vật liệu từ trong ngành chế tạo máy điện
Trong chế tạo máy điện nói chung và chế tạo máy điện quay nói riêng thì vật
liệu chiếm một vai trò đặc biệt quan trọng và chiếm tỷ trọng lớn nhất trong giá
thành sản phẩm. Vật liệu chế tạo bao gồm: vật liệu tác dụng (vật liệu từ, vật liệu dẫn
điện, vật liệu cách điện) để hình thành nên hệ thống mạch từ và mạch điện (hai

góp phần quan trọng giúp ngƣời thiết kế thuận lợi hơn trong quá trình lựa chọn vật
liệu chế tạo cực từ cho động cơ.

22


CHƢƠNG 2. TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Hiện nay động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh
và dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động. Với sự phát triển
nhanh và mạnh của nam châm vĩnh cửu đất hiếm nhƣ SmCo và NdFeB không
những nâng cao đƣợc hiệu suất động cơ đồng bộ mà còn nâng cao đƣợc mật độ
công suất, chất lƣợng và hiệu năng động học. Giá thành của vật liệu đất hiếm cũng
ngày càng giảm và công nghệ định dạng nam châm vĩnh cửu cũng ngày càng thuận
lợi hơn, khiến cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng trở nên phổ biến.
Với những tiện ích do động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cử đem lại,
trên thế giới động cơ loại này đã đƣợc nghiên cứu chế tạo thành công với rất nhiều
sản phẩm có công suất từ nhỏ đến lớn [6], [7]. Tính năng kỹ thuật của các loại động
cơ này cũng đã đƣợc các hãng chế tạo máy điện nổi tiếng trên thế giới nhƣ Siemens,
ABB, General Electric,… cải tiến thiết kế tối ƣu [1]. Các sản phẩm đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong mọi lĩnh vực của ngành kinh tế nhƣ: công nghiệp, nông nghiệp, y tế,
quân sự, giao thông,… cũng nhƣ dân dụng.
Bên cạnh công nghệ chế tạo, vật liệu mới cũng đƣợc nghiên cứu sâu để áp
dụng vào máy điện, nhằm nâng cao hiệu suất, giảm trọng lƣợng, nâng cao chất
lƣợng điều khiển trong hệ thống truyền động điện
Ở Việt Nam, hiện nay chƣa có một đơn vị nào nghiên cứu chế tạo một cách
hoàn chỉnh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu để loại động cơ này trở thành
thƣơng phẩm cạnh tranh đƣợc trên thị trƣờng với các sản phẩm cùng loại của nƣớc
ngoài.
2.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hiện nay động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng

tốt. Bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn với rôto (khối quay) đã tạo ra mật
độ thông lƣợng lớn và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mật độ
mômen quay tốt hơn. Mắt khác động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm
đƣợc gắn chìm bên trong roto dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện
cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở cộng thêm vào mômen vốn
có do nam châm sinh ra (hình 2.2). Đặc tính này khiến động cơ có khả năng sinh
mômen rất cao. Mặt khác, động cơ này cũng có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới
khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ.

Hình 2.2 – Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn
chìm bên trong roto
Ƣu điểm và khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu:
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một loại động cơ hiệu suất cao có
những đặc điểm mômen quay tăng cƣờng và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ
điện cảm ứng xoay chiều thông thƣờng.
Ứng dụng điển hình sẽ là những ứng dụng có mômen quay cao, nhƣ thang
máy, cần trục, trục quay. Tuy nhiên, động cơ này cũng tạo ra những ƣu thế cho

25


những ứng dụng tiêu thụ năng lƣợng lớn, nhƣ trong quạt, bơm và máy nén công
suất lớn.
Trong những ứng dụng mômen quay lớn, động cơ này đem lại rất nhiều lợi
ích. Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lƣợng nhiệt thất thoát, do đó
không chỉ góp phần tiết kiệm năng lƣợng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy
công cụ.
Đối với thang máy, động cơ này giúp tiết kiệm không gian nhờ đƣợc lắp
trong trục thang máy. Điều khiển tốc độ cũng đƣợc tăng cƣờng, điều này rất có lợi