u c a riêng tôi. Các s li u, k t qu tính
c ai công b trong b t c

toán trình bày trong Lu n án này là trung th
công trình nào khác.

Hà N i, ngày

T P TH

c Hùng

NG D N KHOA H C

PGS. TS. Nguy

tháng

Nghiên c u sinh

Lê Anh Tu n

i

8


hoàn thành lu n án này, tác gi
c tiên bày t l i c
sâu s c nh
n hai

ct
o và toàn th anh/ch trong
ng ti
T
n l c - TKV là
công tác
tác gi thu n l i v th i gian h c t p và nghiên c u lu n án.

Tác gi trân tr ng c
ph n ch t
N
om i
u ki n cho tác gi trong công tác gia công và ch t o m u th nghi m LSPMSM.
Tác gi trân tr ng c
n Nghiên c u qu c t v Khoa h c & K thu t tính toán
u ki n thu n l i cho phép tác gi s d
ph n m m
ANSYS/Maxwell 2D th c hi n các bài toán mô ph ng FEM cho LSPMSM.
Tác gi xin g i l i c
vào s thành công c a lu n án.

i các b n bè

ng viên,

v m i m t góp ph n

Cu i cùng, tác gi dành l i c
i b m , v và các con
ng viên và h

U

1
NG QUAN ................................................................................................. 3

1.1 L ch s phát tri n c a LSPMSM ................................................................................ 3
m c a LSPMSM.............................................................................................. 4
m c a LSPMSM......................................................................................... 4
1.4 Các nghiên c

c và th gi i v LSPMSM................................................. 4

1.4.1 Các nghiên c

c............................................................................... 4

1.4.2 Các nghiên c u trên th gi i............................................................................. 4
1.5 K t lu n..................................................................................................................... 13
C TÍNH KH
NG
C A LSPMSM.................................................................................................. 15
ng b t ng quát ....................................................................... 15
2.2 Mô hình toán LSPMSM............................................................................................ 18
2.3 Mô ph ng LSPMSM................................................................................................. 21
2.3.1 Mô ph ng LSPMSM t mô hình toán ............................................................ 21
2.3.2 Mô ph ng LSPMSM t các ph n m m ng d
ph n t h u h n .............................................................................................. 27
2.4 K t lu n..................................................................................................................... 31
UT
C TÍNH KH


n kháng t n stato, rôto x1

2 ......... 60

.................................................................................. 64

iii


3.2 T ng h p các y u t chính

c tính kh

ng c a LSPMSM ........ 69

3.2.1 Mô hình toán c a LSPMSM xét
ng c a bão hòa m ch t
và hi u ng m t ngoài..................................................................................... 69
MATLAB/Simulink v i m ch t hi u ch

xu t........................... 71

3.2.3 K t qu mô ph ng........................................................................................... 74
3.2.4 So sánh k t qu mô ph ng v
ng h
xu t
n t h u h n.................................................................... 76
3.3 Kh o sát n
ch

ng NI USB-6009.......................................................................... 91

4.3 Mô hình thí nghi m LSPMSM ................................................................................. 92
n................................................................................................... 92
LSPMSM ....................................................................................... 93
4.4 LSPMSM 2,2 kW th c nghi m ................................................................................ 95
4.4.1 C u hình rôto LSPMSM ................................................................................. 95
4.4.2 Gia công NCVC.............................................................................................. 95
4.4.3 Hoàn thi n rôto ............................................................................................... 96
4.4.4 L p ráp LSPMSM........................................................................................... 96
4.4.5 Bàn th nghi m LSPMSM ............................................................................. 97
4.5 K t qu mô ph
c tính t
n kh
ng LSPMSM
ch
không t i..................................................................................................... 98
n kh
c tính t
4.6 K t lu

kh

ng......................................................................... 98
ng............................................................................... 99

................................................................................................... 101

K T LU N VÀ KI N NGH ........................................................................................... 102



m2

Asy

m2

Ast

m2

Ary

m2

Ary1

m2

Ary2

m2

Art
a
a1
B
B

m2

Tesla

Brt

Tesla

Bs
b
b41

Tesla
m
m

b42

m

Cbh
C1
C2
c
c'
cv

m
m

vi



Fds

A

Fg

A

Frt

A

Fst

A

Fsy

A

Fqs

A

Fry

A

Fry1

A/m

Hst

A/m

Hry

A/m

Hry1

A/m

Hry2

A/m

hr2

m

hm
IM

m

Dv
d


A

Ik
ia , ib , ic

A

JR

A
kg.m2

=1
s=1

Mômen quán tính rôto

kC
K
k
kd1

i stato

kdq1, kW
k
k
k
kfq
kfd

lr

H

r0

H

viii


r2

H

r2~

H

lm

m

l1

m

l2

m

NCVC
n
PMSM
P

vg/ph

Pout

W

Pg

Wb/A.vg

Pm
p
Rg

Wb/A.vg

Rbm

A.vg/Wb

Rm0, Rm

A.vg/Wb

Rmm


W
ê

A.vg/Wb
NCVC

Bán kính trong lõi thép stato

r1

ato

r2
r'2
s=1

rn

ix


rtd
r'td
td~

rv
r'v
Sr2



ur
xad
xaq
xd
xq
x1
x1bh
x2
x'2
r2

x'2

bh

s=1

xn
xn

bh

w1, Nph

Vòng

wm

m

.m

r

m

s

m

y1

m

'M

Wb

d,

q

Góc xoay rôto
0
0

C

C


-

i
T

0

-1

( C)
M

t1
t1bh
t2
t2bh

1

r1
r1bh
r2

s=1

r2
r2 bh

s=1


n tr su t ,

B ng 3.4 Giá tr

.mm2/m ................................................................................... 64

n tr stato, rôto theo nhi

............................................................... 65

B ng 3.5 Thông s qu t ly tâm VTL 4B 03........................................................................ 67
B ng 3.6 Thông s LSPMSM 2,2 kW xét hi u ng m t ngoài và bão hòa m ch t .......... 74
B ng 3.7 K t qu

c tính Lmd v i ba

B ng 3.8 Thông s LSPMSM 2,2 kW v

dày NCVC khác nhau......................... 82

dày NCVC khác nhau................................. 82

B ng 3.9 Mômen t i c
i LSPMSM 2,2 kW kh
cv i
dày NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 83
B ng 3.10 Hi u su t và h s công su t LSPMSM v i
B ng 3.11 K t qu



ng tr c ti p ................................................................... 8

Hình 1.3 Tám c u hình LSPMSM ph bi n ........................................................................ 9
Hình 1.4 C u hình rôto LSHIPMM ................................................................................... 12
Hình 1.5 C u hình LSPMSM do H. Saikura và c ng s
Hình 1.6 C u hình và m

Hình 2.2

t thông c a LSPMSM khi phân tích b ng FEM ............... 13

t ng quát c

Hình 2.1

xu t ....................................... 12

ng b ............................................................... 15

t ng quát c
dây qu n ph n ng

ng b có dây qu n ph n
t stato,
rôto ................................................................................... 15

Hình 2.3

m

3K112-S4 ........................................................................................................... 25
Hình 2.11
Hình 2.12

dây qu n LSPMSM 3 pha, 2,2 kW.......................................................... 26
c tính kh

ng c a LSPMSM..................................................................... 27

Hình 3.1

m ch t LPM tính giá tr Lmq c a LSPMSM............................................. 35

Hình 3.2

3 pha, 2,2 kW, b n c c................................... 36

Hình 3.3

thu t toán tính toán Lmq = f(iqs)................................................................ 37

Hình 3.4 C u hình LSPMSM th nghi m .......................................................................... 38
Hình 3.5

i ph n t h u h n LSPMSM th nghi m ............................................... 38

Hình 3.6

c tính thép B50-A800........................................................................... 39


Hình 3.13
Hình 3.14 M ch t LPM rút g

tính toán Lmd .............................................................. 46

Hình 3.15

thu t toán tính toán Lmd = f(ids) ............................................................. 47

Hình 3.16

c tính Lmd = f(ids) LSPMSM 2,2 kW th nghi m, 3 pha, 2,2 kW.................. 48

Hình 3.17

i ph n t h u h n khi mô ph
tính toán Lmd
v i Maxwell 2D ................................................................................................. 48

Hình 3.18 T thông c a LSPMSM 2,2 kW khi tính toán Lmd ............................................ 49
Hình 3.19

c tính Lmd = f(ids
c c a LSPMSM th nghi m
2,2 kW-ANSYS/MAXWELL 2D...................................................................... 49
c tính Lmd = f(ids) v

Hình 3.20

xu

nc mt
ng b d c tr c, ngang tr c Lmd, Lmq, J = JR .................. 53

Hình 3.26 Phân b t

ng t n trong rãnh rôto l ng sóc ................................................. 54

Hình 3.27 Ti t di n c t ngang c a m t rãnh rôto l ng sóc ................................................. 55
Hình 3.28

c tính k R(s) c a LSPMSM th nghi m ........................................................ 56

Hình 3.29

c tính k L(s) c a LSPMSM th nghi m......................................................... 57

Hình 3.30

m

n thay th tr c d hi u ch

n hi u ng m t ngoài .......... 58

Hình 3.31

m

n thay th tr c q hi u ch


Hình 3.36
Hình 3.37

c tính kh

ng LSPMSM xét hi u ng m t ngoài và bão hòa m ch t t n 63

c tính kh
ng c a LSPMSM t i m t s nhi
ng làm vi c
khác nhau, J = JR, Mt i = M ............................................................................. 65

Hình 3.38

c tính kh

ng LSPMSM v i t i qu t gió .................................................. 67

Hình 3.39

c tính kh

ng LSPMSM v i các mômen quán tính khác nhau ................ 68

xiv


Hình 3.40

m


Hình 3.46

kh
và hi u ng m t ngoài

qr

dr,

Lls, r có xét
ng c a bão hòa
.................................................................................... 73

Hình 3.47

kh

dr

xét

ng c a bão hòa và hi u ng m t ngoài..... 74

Hình 3.48

kh

qr


Hình 3.54

c tính t
và dòng kh i
c mô ph ng b ng
ANSYS/Maxwell 2D ......................................................................................... 78

Hình 3.55

c tính t
c mô ph ng b ng ANSYS/Maxwell 2D
và MATLAB/Simulink ...................................................................................... 79

Hình 3.56 C u hình c a LSPMSM th nghi m v i m t s

dày NCVC khác nhau....... 81

Hình 3.57

c tính Lmd = f(ids) c a LSPMSM th nghi m 2,2 kW v i ba dày NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 81

Hình 3.58

c tính t
kh
ng LSPMSM th nghi m 2,2 kW v i
dày NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 83


Hình 4.6 Kh

g pha LSPMSM............................................... 93
i................................................................................................ 94

Hình 4.7
Hình 4.8 Thi t k giao di

c tính t

Hình 4.9 Kh

c tính t

Hình 4.10 C u hình rôto LSPMSM th c nghi m khi

n LSPMSM 94
n LSPMSM...... 95
...................... 95

u NdFeB s d ng trong LSPMSM th nghi m................... 96

Hình 4.11
Hình 4.12 Quá trình l

t LSPMSM th c nghi m .......................................................... 96

Hình 4.13 Ph i ghép LSPMSM th c nghi m ..................................................................... 97
Hình 4.14 Th nghi m LSPMSM v i t i máy phát............................................................ 97
Hình 4.15

Hình A.3 C u t o rãnh s

c t c a LSPMSM 2,2 kW khi không t i .... 100
-S4 HEM................................................. 110
-S4 HEM ............................................................ 110
2-S4 HEM .................................................... 111

Hình A.4 C u t

-S4 HEM.............................................................. 118

Hình A.5 C u t

-S4 HEM...................................................... 118

Hình B.1 C u trúc rôto LSPMSM .................................................................................... 131
Hình B.2 M ch t thay th

a LSPMSM .................................................. 131

xvi


trong
am

Tuy nhiên
.
,
ban hành

c nh

ng b NCVC, m t d ng c
ng trong quá trình v n hành.

không ti p

Bên c nh nh
m, LSPMSM t n t i n
m chính là khó kh
ng. Quá
trình kh
ng còn ph c t p b i s có m t mômen do NCVC sinh ra và mômen này
không th
quá trình m máy [5].
c u c tính kh
ng LSPMSM s
ph bi n lo i ng
. Vì v y, Nghiên c
c tính kh
ng b
u
kh
ng tr c ti
n
ng c a bão hòa m ch t và hi u ng m t ngoài
là c p thi t và có tính th i s cao trong th
m hi n nay.

Xây d ng mô hình toán

ng c a bão hòa
t 2,2 kW.

th c hi
tài lu n án, NCS s d
pháp nghiên c u lý thuy
nghi m.

c

c
Xây d ng
c mô hình toán và mô ph ng quá trình kh
n
ng c a bão hòa m ch t và hi u ng m t ngoài.

ng c a LSPMSM có xét

c ti n
K t qu nghiên c u s giúp ích cho các nhà thi t k , ch t o
k tc
có c tính kh
ng c a LSPMSM phù h p.

giá

u ch nh

n án
xu t mô hình toán và mô ph ng c tính kh

u

t lu n và ki n ngh và 3 ph l c, c th :
ng quan
án và mô ph

Các y u t
Th c nghi m
K t lu n và ki n ngh
Ph l c

c tính kh
c tính kh
t qu

2

ng c a LSPMSM
ng c a LSPMSM


LSPMSM
ng b NCVC kh
ng tr c ti
phát tri n lâu dài, có th tóm t
[63]:
u tiên
thi t k , ch t o m t LSPMSM hoàn ch nh
các thanh NCVC
c ch t o t

hi m Neodymium Iron Boron (NdFeB)
t
có m
t
tích s
ng c
i (BHmax) l n [25], [53] r t phù h p trong ch t
n,
c bi t là LSPMSM. Trong gi a th p k 80, các nghiên c u ch y u t p trung vào quá
trình v n hành xác l p c a LSPMSM và
ch ng minh
m v hi u su t c a dòng
. Ti p sau , quá trìn
c nghiên c u thông qua mô hình toán phân
tích
c vi t theo h tr c t
d-q c
. Cu i th
tích ph n t h u h n b
u
c ng d
mô ph
ng b và kh
ng
LSPMSM
nh ng v
quan tr ng nh t trong thi t k
. cùng th
m,
c

minh nh m m
dàng ch t
tk
l
n hành.

3


1.2.

LSPMSM

Theo [18], so v
rôto dây qu
- Hi u su t bi

th
n-

m hi
:
ng b , LSPMSM có

rôto l ng sóc,
m sau:

n.

- H s công su t cao, th m chí có th b ng m t.

1.4

LSPMSM

1.4.1

c

Hi
nghiên c u:

c các nghiên c u v

u, có th tóm t t m t s

c Hùng và c ng s (2013) [3] nghiên c u thi t k và ch t o PMSM có công
su t
i 1 kW. Các tác gi nghiên c u, thi t k và ch t
PMSM
công su
i 1 kW có tính ng d
i s ng.
Nguy
(2015) [8] nghiên c u thi t k t
ng b 3 pha NCVC
(LSPMSM). Trong nghiên c u, tác gi t p trung xem xét thu t toán thi t k , ch t o hoàn
ch
ng b 3 pha NCVC kh
ng tr c ti p t
n, t

i th
NCVC
ng là Ferrite (oxít s t) ho c h p kim
AlNiCo (h p kim c a niken, nhôm, coban cùng v i vi c k t h p m t s ch t ph gia khác).
Hình 1.1 bi u di n m t c t ngang
do
p
4


t thông (A, B, C và D). V i c
c b qua.

Hình 1.1

n mômen t tr c

- C u hình c a LSPMSM nam châm AlNiCo (ngu n: [63])

K. J. Binns và Banard (1971) [50] nghiên c
u su t c a m t dòng
. Các tác gi kh
nh, b ng vi c thêm vào các thanh
NCVC trong c u trúc rôto, hi u su t và h s công su t c a
c nâng cao
, không c n ph i có c u trúc rôto ph c t p hay công ngh ch t o chi phí l n
kèm.
heo các tác gi ,
và xác l p c a LSPMSM c n có
m t mô hình toán v i các thông s

pháp th hai ng d ng t ng tr
n, tr
t ng tr
c hi u ch
n
ng c a t n hao s t. Tác gi k t lu n, khi thi t k ph i tính toán chi ti t các t n hao,
c bi t i v
t nh
có t n th t s t, t n th t ng n m trong gi i
h n m b o ch tiêu v m t hi u su t. Honsigner (1982) [80] nghiên c u tính toán m t s
thông s
n c a LSPMSM:
nc mt
ng b d c tr c (Lmd),
n c m t hóa
ng b ngang tr c (Lmq), s
ng c m ng không t i (E0). Honsinger nghiên c u
m ts c
nc
c
n s gi i quy t c u hình khác ph c
t
Trong nghiên c u, Honsinger
ng
c tính c a LSPMSM ch
v n hành xác l p ph thu c nhi u vào các thông s s
ng c m ng không t i E0,
nc mt
ng b d c tr c và ngang tr c (Lmd, Lmq).
T. J. Miler (1984) [72] nghiên c u quá trình kh

then ch t c a LSPMSM, vì v y trong khi
thi t k c n ph i l a ch n các thông s h p lý
m b o quá trình kh
ng c
ng
. Miller và c ng s (2003) [73] nghiên c u LSPMSM v i c u hình NCVC g n chìm.
Theo các tác gi , hi
ng bão hòa m ch t
c bi t ph c t
i v i LSPMSM g n
chìm do các ph n lõi thép bên trong k t c u lúc v n hành s có m
bão hòa khác nhau.
ôi khi bão hòa m ch t s
il
n giá tr
n c m và s
ng c m
ng NCVC. Tuy nhiên các giá tr này
cs d
n
th
n,
n áp
vì v y k t qu
c s có th không
m b o chính xác. Bên c
tính toán truy n th ng,
ph n t
h u h n (PTHH) v i kh
gi i quy t các bài toán

v n hành xác l p
ng. Mômen trung bình s có tác d
ng b
n trong quá trình kh i
ng. T
trung bình và
ng, các tác gi
xu t
pháp tính toán mômen
n t t ng h p
nghiên c u quá trình kh
. Bên
c
ác gi
s d
n t t ng h p nghiên c u m t s
ng c a tham s
n quá trình kh
n áp, t n s ngu n c p, t
l c cl i
n áp không t i. K t qu tính toán t
t ng h p xu t s
c so sánh v i k t qu th nghi m trên m t LSPMSM m u. Qua nghiên c u v quá trình
kh
ng LSPMSM, các tác gi cho r ng các thông s c
ng c
u
n
kh
kh

c. Bên c
có th
c ng d
xét
ng
c a các thông s
n kh
ng. Các tác gi
cho r ng
n áp
ngu n c
n tr rôto là hai thông s quan tr ng nh t
n kh
i
ng c
. Ngoài ra, p
xu t có th
nh mômen t i
ng i v i kh
ng v i
u ki
c và
ng d ng
u trong thi t k .
Ugale, Nagabhushanrao, Chaudhari và Bhasme (2008) [62] nghiên c u quá trình quá
c a LSPMSM khi ng t ngu n c p trong th i gian ng n. Theo các tác gi , LSPMSM
c thi t k v
u ki
n áp ngu n c p sin, t n s c
nh,

. Theo nghiên c u, t
c nông nghi p
3 pha, công
su t 5 Hp, 415 V, 7,3 A, b n c c, 50 Hz, hi u su t 85%, h s công su t 0,82 là lo i
c
s d ng ph bi n nh t.
so sánh các c u hình LSPMSM khác nhau.
c t n d ng t
5 Hp s
c thi t k l i l ng sóc
m b o kh
ng, bên trong lõi thép rôto t các thanh NCVC có hình d ng
khác nhau. Các tác gi nghiên c u 6 c u hình rôto ph bi n c a LS
hi u
su t c a t ng c u hình. Các tác gi
ghiên c u v i gi thi t
5 Hp
c
thay th b i LSPMSM trong th i gian m
, giá tr ph n
ng ti t ki m
c
i ích c a vi c thay th
ng LSPMSM. Các tác gi
k t lu n, v
c có n n kinh t m i n i ho
thì gi i pháp
ti t ki
ng là c n thi t. Bên c nh , do ch
n áp các vùng nông

v n hành xác l p, LSPMSM có hi u su t và h s công su t l
t c LSPMSM thí nghi m
n áp và t
nh m c u v n hành v i nhi
th
nhi
v n hành c
. Nghiên c u k t lu n, LSPMSM có kh
kh
ng tr c ti p và có nhi
m trong v n hành nên
là lo i
7


thay th
i v i LSPMSM m t pha thì c n t kh
ng có giá
tr l n
iv
m b o kh
kh
ng tr c ti p. T.
(2010, 2011) [75], [77] nghiên c u m t s d ng
kh
ng tr c ti p.
ng tr c ti p
tr
nghiên c u và so sánh hi u su t gi a các d
này (hình 1.2). Tác gi cho r ng

Nghiên
c u áp d ng tính toán cho LSPMSM thí nghi m 3 pha, 5 kW, t
3000 vòng/phút,
NCVC NdFeB. K t qu mô ph
c so sánh v i k t qu
c khi s d ng ph n
m m
ng d
PTHH. Các tác gi k t lu n v
xu t, mômen kh
ng s
c phân tích chi ti t, cho phép hi u sâu v
ng b c a LSPMSM. C ng v i các tác gi trên (2010) [22] nghiên c u quá trình kh i
ng và xác l p c a LSPMSM. Các tác gi nghiên c u hai lo i LSPMSM c c n và c c
l i. Thông qua ph n m m mô ph ng ng d
PTHH và k t qu
ng
th c t , các tác gi phân tích các c tính
và xác l p c a hai lo i LSPMSM. Các tác
gi k t lu n, LSPMSM c c l i có c tính kh
ng và v n hành xác l p t
LSPMSM c c n, hi u su t và h s công su
ng là 0,6% và 3,4%.
A. Takahashi, S. Kikuchi, H. Mikami, K. Ide, A. Binder (2012) [20] nghiên c u ng d ng
mô hình toán LSPMSM. Trong nghiên c u, các tác gi s d ng mô hình toán c a
LSPMSM vi t theo h tr c t
d, q hi u ch nh t mô hình do Honsinger
xu t, trong
qua hi u ng m t ngoài và các tham s t thông t n, t thông t
nh

kh
ng
m mômen c
n tr l ng sóc trong
quá trình m máy, bên c
kh
ng b hóa
c c i thi n
.
8


D. Aliabad, M. Mirsalim (2012) [13] nghiên c u quá trình kh
ng và mô hình toán
LSPMSM. Các tác gi kh
nh,
i c c LSPMSM khi kh
ng có r t
nhi
m
c i thi n mômen kh
ng,
kh
ng b hóa và nâng cao
hi u su t ch
v n hành xác l p
i c c s xu t hi n m t vài
ng mômen có th làm
ng x u
ng khi

ng theo th i gian, ho c các
thành ph n mômen ph thu
ng. V
i ph i
có s
th nghi m. D. Stoia, M. Cernat, K. Hameyer, D. Ban (2009) [33]
nghiên c u xu
c
m b o hài hòa quá trình
kh
ng và v n hành xác l p c
i m làm vi c c
c thi t k sao
cho có l i nh t v m t
ng.
ernat, K. Hameyer, D. Ban
(2010) [34] nghiên c
c tính kh
ng c a LSPMSM. Nghiên c u phân chia quá trình
kh
ng c a LSPMSM
o n: G
c, lúc này
dòng kh
ng cao, mômen
và mômen c
t giá tr c
i, khi t
nh
at

Hình 1.3 Tám c u hình LSPMSM ph bi n (ngu n: [44])

9

d)

h)