thiết kế động cơ kđb 2,2kw

BỘ CÔNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
--------

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
Tên đề tài: " Ứng dụng phần mềm hiện đại (Ansys Maxwell) trong thiết kế,
khảo sát đặc tính làm việc động cơ KĐB 2,2kW "

Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Văn Hiếu

1141040483

Hồ Văn Mậu

1141040497

Lê Trọng Khôi

1141040463

Trương Văn Vinh

1141040477

Lớp : Điện 7 – K11

Khoa : Điện

Người hướng dẫn : TS. Lê Anh Tuấn

Hà Nội, 06/2020


PHIẾU ĐĂNG KÝ VÀ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
1. Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Địa chỉ: Số 298 – Đường Cầu Diễn – Bắc Từ Liêm – Hà Nội.
Điện thoại : 04 37655121.
2. Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm hiện đại (Ansys Maxwell) trong thiết kế, khảo
sát đặc tính làm việc động cơ KĐB 2,2kW
3. Chủ nhiệm đề tài:
Họ và tên: Nguyễn Văn Hiếu

Mã số sinh viên: 1141040483

Lớp: ĐH Điện 7- K11

Khoa : Điện

Điện thoại: 09734496404
Email:
4. Giảng viên hướng dẫn
Họ và tên: TS. Lê Anh Tuấn
Đơn vị công tác: Khoa Điện
Điện thoại: 0985179699
Email:
5. Sinh viên tham gia thực hiện đề tài
Stt

Họ và tên

Mã số sinh viên

Lớp

1.

Nguyễn Văn Hiếu

1141040483

ĐH Điện 7-K11

2.

Hồ Văn Mậu

1141040497

ĐH Điện 7-K11

3.

Lê Trọng Khôi

1141040463

ĐH Điện 7-K11

4.

Trương Văn Vinh

1141040477

ĐH Điện 7-K11


6. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:
Nghiên cứu về thiết kế động cơ điện ứng dụng các phần mềm hiện đại được nhiều nhà
khoa học quan tâm. Việc nghiên cứu, ứng dụng phần mềm Ansys Maxwell trong quá
trình thiết kế khảo sát đặc tính làm việc của động cơ là rất cần thiết.
7. Tình hình nghiên cứu ở trong nước:
Ở Việt Nam việc nghiên cứu, ứng dụng các phần mềm thiết kế động cơ là cần thiết.
Hiện nay việc thiết kế khảo sát đặc tính động cơ ở các nhà máy chủ yếu dựa vào các tài
liệu thiết kế được kế thừa từ Liên Xô cũ.
8. Mục tiêu của đề tài
- Sinh viên làm quen với việc NCKH
- Sinh viên vận dụng kiến thức lý thuyết môn học máy điện vào tính tốn thiết kế động
cơ khơng đồng bộ.
9. Nội dung nghiên cứu
-Tổng quan về đề tài nghiên cứu
- Phân tích phần mềm thiết kế Ansys Maxwell
- Tính tốn các thông số động cơ 2,2kW
- Thiết kế động cơ điện với Ansys Maxwell
- Mô phỏng động cơ với Ansys Maxwell
10. Mục tiêu kinh tế - xã hội
Việc ứng dụng phần mềm hiện đại (Ansys Maxwell) trong thiết kế, khảo sát động cơ
không đồng bộ, giúp sinh viên làm chủ bài tốn cơng nghệ. Phần mềm này giúp người

thiết kế khảo sát được các đặc tính của động cơ qua đó đánh giá để có những điều chỉnh
trong thiết kế. Việc này sẽ làm giảm các bước trong quá trình thiết kế động cơ theo
phương pháp truyền thống (chế tạo và thử nghiệm động cơ mẫu).
11. Mục tiêu khoa học công nghệ
Nghiên cứu thiết kế và khảo sát động cơ không đồng bộ 2,2 kW ứng dụng phần mềm
Ansys Maxwell.
12. Tóm tắt nội dung đề tài
- Phân tích phần mềm Ansys Maxwell


- Tính tốn các thơng số động cơ khơng đồng bộ 2,2 kW
- Thiết kế động cơ không đồng bộ 2,2 kW với các thơng số tính tốn với Ansys Maxwell
- Mơ phỏng các đặc tính của động cơ.
13. Thời gian, tiến độ thực hiện công việc

STT

Kết quả đạt được

Nội dung công việc

Thời gian

Người

kết thúc

thực
hiện

Đưa ra các vấn đề
trong thiết kế, khảo sát
1

Tổng quan về đề tài nghiên cứu

đặc tính động cơ; các
đặc điểm của phần

01/09/2019-

Hiếu,

30/09/2019

Mậu

mềm Ansys Maxwell
Phân tích phần mềm thiết kế Phân
2

Ansys Maxwell

tích các

đặc

điểm của phần mềm 01/10-31/10
Ansys Maxwell

Hiếu,
Khơi

Tính tốn các thơng số động cơ Tính tốn các thông số
3

động cơ 2,2 kW

2,2 kW

Thiết kế động cơ điện với Ansys Thiết
4

5

Maxwell

động

2,2kW với Maxwell

Mô phỏng động cơ với Ansys Kết quả mô phỏng
Maxwell

14. Loại hình nghiên cứu
N/C

kế

N/C

Cơ bản ứng dụng
X

Triển khai
thực nghiệm

01/11-30/11

Khôi,
Vinh

cơ
01/12-

Hiếu,

30/01/2020

Vinh

01/02-30/03

Hiếu,
Mậu

15. Lĩnh vực khoa học
Tự nhiên Kỹ thuật Nông nghiệp Y học
công nghệ
X

Xã hội
nhân văn


Ngày........ tháng ........ năm 2020
Giảng viên hướng dẫn

TS. Lê Anh Tuấn

Ngày ........ tháng ........ năm 2020
Trưởng đơn vị

Ngày ........ tháng ........ năm 2020
Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Văn Hiếu


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

LỜI MỞ ĐẦU
Nói đến Maxwell nhiều người nghĩ đến James Clerk Maxwell nhà vật lý vĩ đại
người Scotland với nhiều thành tựu nổi bật trong đó phải kể đến đó là thiết lập nên lý
thuyết cổ điển về bức xạ điện từ. Phương trình Maxwell của trường điện từ đã được gọi
là lần thống nhất vĩ đại thứ hai trong vật lý.
Vì vậy sau này Ansoft một tập đoàn hàng đầu trong lĩnh vực thiết kế các phần
mềm mô phỏng đã cho ra mắt phần mềm ANSYS Maxwell mang tên nhà vật lý vỹ đại

là một phần mềm mô phỏng công nghiệp.
Đề tài nghiên cứu của nhóm mang tên “ Ứng dụng phần mềm hiện đại (Ansys
Maxwell) trong thiết kế, khảo sát đặc tính làm việc động cơ KĐB 2,2kW ” đã giúp
chúng em có được cơ hội được tìm hiểu học hỏi về một phần mềm có nhiều ứng dụng to
lớn trong công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực điện công nghiệp mà em đang theo học.
Nhờ sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của những người lái đị, những người đi trước như
thầy TS. Lê Anh Tuấn trong đề tài này nhóm nghiên cứu đã hiểu khái quát chức năng
cách cài đặt và sử dụng phần mềm. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện một số ví dụ mơ
phỏng trên phần mềm và thu được kết quả tương đối chính xác. Bên cạnh những kết quả
khiêm tốn mà nhóm đạt được, chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót khi thực hiện
đề tài do hạn chế về kinh nghiệm. Sự phê bình góp ý của thầy cơ sẽ là bài học quý báo
cho nhóm, giúp chúng em có một nền tảng tốt hơn, có thêm kinh nghiệm q báo cho
cơng việc thực tế sau này.
Nhóm nghiên cứu mong nhận được những đóng góp quý báu của các thầy để
giúp chúng em trở thành chuyên gia về phần mềm này.
Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy
cơ để chúng em hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học.
Kính chúc thầy cơ mạnh khỏe, đạt được nhiều thành công trong nghiên cứu khoa
học và sự nghiệp giảng dạy.


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

Bố cục
Báo cáo được thực hiện với các nội dung chủ yếu sau:
Chương 1: Tổng quan về phầm mềm ANSYS/MAXWELL
Chương 2: Phân tích phần mềm thiết kế Ansys Maxwell
Chương 3: Tính tốn các thông số của động cơ không đồng bộ 2,2 kW

Chương 4: Mô phỏng động cơ không đồng bộ trên ANSYS/MAXWELL
Chương 5: Báo cáo và đánh giá


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
Chương I. TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ANSYS/MAWELL ..................................... 1
1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS ............................................................................... 1
2. Giới thiệu về phần mềm Maxwell ............................ Error! Bookmark not defined.
Chương II. PHÂN TÍCH PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSYS MAXWELL ..................... 12
1. RMxprt ..................................................................................................................... 12
2. Công cụ mô phỏng 2D.............................................................................................. 16
3. Cơng cụ mơ phỏng 3D.............................................................................................. 20
Chương III. TÍNH TỐN CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2,2KW .............................................................................................................................. 28
1. Khái quát về động cơ không đồng bộ....................................................................... 28
2. Tính tốn tham số máy điện ở chế độ động cơ khơng đồng bộ ............................... 34
Chương IV. MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ TRÊN MAXWELL ............................................ 49
1. Thiết kế sơ lược về động cơ trên ANSYS Maxwell................................................. 49
2. Thiết kế Stator trên ANSYS Maxwell...................................................................... 50
3. Thiết kế rotor trên phần mềm ANSYS Maxwell. .................................................... 55
4. Chạy mô phỏng 2d ................................................................................................... 60
5. Chạy mô phỏng 3d ................................................................................................... 68
Chương V. BÁO CÁO VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ....................................................... 72
1. Chỉnh thời gian chạy mô phỏng. .............................................................................. 72
2. Đặc tính .................................................................................................................... 73

3. Từ trường trong máy điện ........................................................................................ 76
4. Đánh giá kết quá ....................................................................................................... 79
KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................... 81


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Chương I.

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ANSYS/MAWELL

Trong vận hành, thiết kế động cơ thì các đặc tính của động cơ khơng đồng bộ là rất
quan trọng và cái đặc tính này giúp người vận hành tránh lỗi trong quá trình vận hành ,
tuy nhiên đối với người sử dụng các đặc tính vận hành phải đo lường thực tế, nếu chúng
ta mô phỏng được trên máy tính mà các thơng số sát với thực tế, rút ngắn được thời gian
chế tạo. Việc ứng dụng phần mềm hiện đại (Ansys Maxwell) trong thiết kế, khảo sát
động cơ không đồng bộ, giúp sinh viên làm chủ bài tốn cơng nghệ. Phần mềm này giúp
người thiết kế khảo sát được các đặc tính của động cơ qua đó đánh giá để có những điều
chỉnh trong thiết kế. Việc này sẽ làm giảm các bước trong quá trình thiết kế động cơ
theo phương pháp truyền thống (chế tạo và thử nghiệm động cơ mẫu).

1.

Giới thiệu về phần mềm ANSYS
1.1 Giới thiệu chung
Phương pháp phần tử hữu hạn để giải các bài toán kĩ thuật đã được biết đến từ lâu.

Nhưng việc giải các bài toán kĩ thuật bằng phương pháp PTHH tương đối phức tạp, nhất

là đối với các chi tiết lớn, có kết cấu phức tạp. Với sự phát triển của khoa học máy tính
và cơng nghệ thơng tin, việc giải các bài tốn theo phương pháp PTHH đã trở nên đơn
giản hơn với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm phân tích, mơ phỏng. Nổi bật
trong đó là phần mềm ANSYS.

Hình 1.1 – Màn hình khởi động ANSYS
1


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

ANSYS là phần mềm CAE nổi tiếng của công ty ANSYS, Inc đặt tại bang
Pennsylvania, Hoa Kỳ, được phát triển từ những năm 1970 do nhóm nghiên cứu của
Dr.John Swanson, hệ thống tính toán Swanson. Trong hệ thống này, bài toán cơ kỹ thuật
được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc. Phương
pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) là phương pháp không nhưng chỉ
ngày càng ngày được sử dụng nhiều để giải quyết các bài tốn cơ kỹ thuật, mà cịn ngày
càng ngày được sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác trong kỹ thuật và nó mang lại hiệu quả
cao. Hiện nay phiên bản mới nhất là ANSYS 2020.
Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt,
thuỷ khí, điện từ, sau khi mơ hình hố và xây dựng mơ hình tốn học, cho phép giải
chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn.
ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite
Element Analysis, FEA) hồn chỉnh dùng để mơ phỏng, tính tốn thiết kế cơng nghiệp,
đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt,
dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.

 Các thành phần của ANSYS

Phần mềm ANSYS gồm nhiều modul khác nhau: ANSYS/Multiphysics, ANSYS
Mechanical, ANSYS Professional, ANSYS Structural, ANSYS LS-DYNA, ANSYS
LinearPlus, ANSYS Thermal, ANSYS Emag, ANSYS FLOTRAN, ANSYS PrepPost,
ANSYS CFX, ANSYS ED, ANSYS PTD, ANSYS TASPCB, ANSYS ICEM CFD,
ANSYS AI*Evironment, ANSYS DesignXploder, ANSYS Design Modeler, ANSYS
DesignExplode

VT,

ANSYS

BledeModeler,

ANSYS

TurboGrid,

ANSYS

AUTODYN…

 ANSYS/Multiphysics là sản phẩm tổng quát nhất của ANSYS, nó chứa tất cả các
khả năng của ANSYS và bao trùm tất cả các lĩnh vực kỹ thuật.
 Có 3 sản phẩm thành phần chính dẫn xuất từ ANSYS/Multiphysics là:
+ ANSYS Mechanical : Tính tốn kết cấu và nhiệt.
+ ANSYS Emag : Tính tốn điện từ.
+ ANSYS FLOTRAN : Tính tốn CFD.
2

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

 Ngoài ra cịn có các dịng sản phẩm khác:
+ ANSYS LS-DYNA : Giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao (VD:bài
toán động lực học biến dạng lớn trong gia công áp lực)
+ DesignSpace : Là một công cụ gọn nhẹ cho phép phân tích và thiết kế

nhanh

trong các mơi trường CAD khác nhau (ví dụ: SolidWorks, Autodesk products,
SolidEdge, Unigraphics …).
+ ANSYS/ProFEA : Cho phép phân tích và tối ưu thiết kế trong môi trường CAD
Pro/ENGINEER
1.2 Ứng dụng của ANSYS.
ANSYS là gói phần mềm FEA hồn chỉnh dùng để mơ phỏng, tính tốn thiết kế
cơng nghiệp, đã và đang sử dụng trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kĩ thuật.
ANSYS có thể giải được các bài tốn tuyến tính, phi tuyến trong các lĩnh vực như cơ
học vật rắn, cơ học lưu chất… Mặt khác, phần mềm ANSYS không chỉ hỗ trợ hơn 200
kiểu phân tử khác nhau, mỗi kiểu phần tử là một dạng bài tốn, mà cịn kết nối với các
phần mềm khác như ACAD, SOILDWORK, PRO/E…Các lĩnh vực có thể dùng
ANSYS để phân tích và tính tốn là:
 Kết cấu
 Cơ học (Structural)
 Nhiệt (Thermal)
 Dịng chảy, bao gồm cả mơ phỏng số động lực học dòng chảy (Computational
Fluid Dynamics, CFD)
 Điện, Tĩnh điện (Electric)
 Điện từ (Magnetic)

 Thủy khí (Fluid)
 Tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý
Các lĩnh vực cơng nghiệp chính có sử dụng ANSYS:
 Vũ trụ, hàng không
 Công nghiệp ôtô
 Y sinh
3


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

 Xây dựng và cầu đường
 Điện tử và thiết bị
 Máy móc và thiết bị công nghiệp nặng
 Các hệ vi cơ – điện tử (Micro Electromechanical Systems, MEMS).
 Dụng cụ thể thao

2.

Giới thiệu về phần mềm Maxwell

2.1.

Lịch sử phát triển

2.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi:
- Các nước trên thế giới đã sử dụng phần mềm Maxwell để thiết kế và phân tích các thiết
bị điện 3-D, 2-D, bao gồm động cơ điện, cơ cấu truyền điện, máy biến áp, cảm biến và

cuộn dây...
- Maxwell có thể làm việc nhanh chóng, chính xác đó là việc ứng dụng phương pháp mô
phỏng số - dựa trên nền tảng là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp với lý
thuyết trường điện từ để nghiên cứu, ứng dụng trong lĩnh vực thiết kế máy điện nói
chung. Hầu hết ở các nước phát triển mạnh như Nga, Trung Quốc, Nhật, Hàn … đều có
các diễn đàn về ứng dụng mơ phỏng số và FEM.
- Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài tốn được mơ tả bởi
các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Cơ sở của
phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền
liên tục được chia thành nhiều miền con, các miền này được liên kết với nhau tại các
điểm nút. Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ
dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân
bằng và liên tục giữa các phần tử.
- Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải gần đúng bài
tốn phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình
truyền nhiệt. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân
một cách hồn tồn là những vấn đề về trạng thái ổn định, hoặc chuyển phương trình vi
phân từng phần sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được
giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn.

4


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

- Trong lĩnh vực kỹ thuật điện FEM được áp dụng để giải các phương trình vi tích phân
của hệ phương trình Maxwell viết cho trường điện từ. Kết quả lời giải sẽ cho ta biết
được phân bố trường điện từ trong các loại máy điện, từ đó tính tốn được các tham số

của máy điện.
- FEM được đánh giá là có tính vạn năng, phù hợp cả mới những mơ hình phức tạp về
hình học, hoặc đặc tính vật liệu biến đổi thời thời gian.
Tuy nhiên, khi ứng dụng mô phỏng số trong thiết kế máy điện cũng vẫn cịn gặp nhiều
khó khăn, do các thơng số đưa vào mơ hình mơ phỏng và thơng số chế tạo thực tế có thể
sai khác, FEM cũng khơng thể phản ánh được tồn bộ tác động của yếu tố công nghệ
chế tạo nên giữa mơ hình mơ phỏng và mơ hình thực tế sẽ có sai số. Do đó, trong
phương pháp mới này vẫn rất cần kết hợp của phương pháp mô phỏng và kinh nghiệm
chế tạo.
2.1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước
- Trong nước phần mềm Maxwell chưa được sử dụng phổ biến.
-Tại trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội thì phần mềm chưa được ứng dụng rộng rãi
trong các môn học đặc biệt là các môn như: Máy điện, truyền động điện, đo lường và
cảm biến. Nhiều sinh viên chưa biết tới phần mềm Maxwell.
- Phần mềm này có thể áp dụng vào nhiều môn học như máy điện, truyền động điện, hệ
thống điện, trang bị điện… nếu sử dụng phần mềm này việc tính tốn diễn ra nhanh hơn
khơng gặp sai sót và tiết kiệm được thời gian.

2.2.

Giới thiệu về phần mềm Maxwell

- Khái quát về phần mềm Maxwell: Maxwell là phần mềm mô phỏng, được đánh giá là
phần mềm mô phỏng trường điện từ hàng đầu dành cho kỹ sư chuyên viết và thiết kế
phân tích các thiết bị và điện trường trong động cơ, bộ truyền động, máy biến áp và
cuộn cảm.
- Maxwell sử dụng phương pháp chính xác phần tử hữu hạn để giải quyết tĩnh, miền tần
số, và các lĩnh vực điện và trường điện khác nhau. Một lợi ích quan trọng của ANSYS
Maxwell là quá trình tính tốn tự động của nó, bạn chỉ cần xác định hình học, tính chất
vật liệu và đầu ra mong muốn. Từ đây, Maxwell tự động tạo ra một lưới thích hợp, hiệu

quả và chính xác để giải quyết vấn đề. Quá trình chia lưới này đã được chứng minh tự
5


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

động thích ứng loại bỏ sự phức tạp trong q trình phân tích và cho phép bạn thao tác
nhanh hơn từ một thiết kế dòng hiệu quả cao, dễ sử dụng.
2.2.1 Đặc trưng
- Giảm thời gian tính tốn của kỹ sư do khả năng tính tốn nhanh và chính xác sau mỗi
giai đoạn thực hiện.
- Độ tin cậy cao kiểm chứng tính tốn bằng kiến thức giữa việc tính tốn bằng tay sau đó
thực hiện q trình mơ phỏng để so sánh.
- Việc tính tốn chính xác hơn do có các cơng cụ hỗ trợ, khả năng xử lý cực nhanh của
máy tính và các chíp điện tử trong máy tính.
- Tính thẩm mỹ đáp ứng nhu cầu của cuộc sống hiện đại.
2.2.2. Sự giống nhau giữa Maxwell và các phần mềm tính tốn, mơ phỏng khác như
Matlab.
- Maxwell và Matlab đều là các phần mềm cho phép mơ phỏng tính tốn, thực nghiệm
nhiều mơ hình trong thực tế và kỹ thuật có tính chính xác và hiệu quả cao đứng đầu
trong linh vực mô phỏng số.
- Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như
ở môi trường hàn lâm, đặc biệt là điện và công nghệ chế tạo Matlab và Maxwell là ngôn
ngữ của tính tốn khoa học có vai trị quan trọng và được ưu tiên sử dụng.
- Đây đều là nhưng phần mềm mơ phỏng, tính tốn trực tiếp trên máy tính một cách tự
động, khai báo dữ liệu, xuất kết quả một cách nhanh chóng, tiện lợi hỗ trợ cho tính tốn
bằng tay cũng như máy tính.
* Tính ưu việt của phần mềm Matlab

- Matlab là phần mềm cung cấp mơi trường tính tốn số và lập trình, do cơng ty
MathWorks thiết kế.
- Matlab cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực
hiện thuật tốn, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy
tính viết trên nhiều ngơn ngữ lập trình khác nhau.
- Matlab cho phép mơ phỏng tính tốn, thực nghiệm nhiều mơ hình trong thực tế và kỹ
thuật có tính ngun mẫu.
6


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

- Để tăng tốc độ lập trình, nhất là thao tác từ dấu nhắc lệnh, Matlab cho phép nhiều kiểu
cú pháp viết tắt, vẽ đồ thị là một tính năng được trau chuốt trong Matlab với rất nhiều
kiểu đồ thị khác nhau như biểu đồ dạng đường, biểu đồ chấm điểm, các lớp màu (patch)
hai chiều, đường đồng mức và các đường cong, mặt cong ba chiều. Ngồi ra Matlab cịn
cung cấp giao diện để người dùng trực tiếp biên tập hình vẽ, điền vào các ghi chú theo ý
muốn.
- Matlab được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền
thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mơ hình tài chính, hay
tính tốn sinh học. Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công
nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, Matlab là ngôn ngữ của tính tốn khoa học.
- Muốn thành thạo sử dụng Matlab bạn cần phải tự mình gõ các câu lệnh và xem kết quả
câu lệnh, mắc lỗi và tìm cách sửa lỗi.
- Ứng dụng: Matlab tạo điều kiện thuận lợi cho:
• Các khố học về tốn học phục vụ nhu cầu tính tốn thiết kế cho các hệ thống hay các
thiết bị tự động như PID, bộ điều khiển hay các khối điều khiển trong từng q trình.
• Cung cấp môi trường làm việc cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu khoa học để thiết lập

chương trình viết chương trình hay các thuật tốn cho các khối, các thành phần của bộ
điều khiển...
* Tính ưu việt của phần mềm Maxwell
- Maxwell là một phần mềm mô phỏng công nghiệp, được phát triển bởi Ansoft một tập
đoàn hàng đầu trong lĩnh vực thiết kế các phần mềm mơ phỏng. Nó cũng là phần mềm
có nhiều ứng dụng thực tiễn và có nhiều tính năng ưu việt, về phương diện này Maxwell
chiếm ưu thế hơn hẳn vì nó hồn tồn chỉ áp dụng sử dụng tập trung chủ yếu cho mục
đích thiết kế tính tốn trong cơng nghiệp và sâu hơn nữa là trong máy điện.
- Maxwell có thể làm việc nhanh chóng, chính xác đó là việc ứng dụng phương pháp mô
phỏng số - dựa trên nền tảng là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp với lý
thuyết trường điện từ, về mặt toán học phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để
giải gần đúng bài tốn phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân,
phương trình Maxwell viết cho trường điện từ. Kết quả sẽ cho ta biết được phân bố
trường điện từ trong các loại máy điện, từ đó tính tốn được các tham số của máy điện.
FEM được đánh giá là có tính vạn năng, phù hợp cả mới những mơ hình phức tạp về
7


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

hình học, hoặc đặc tính vật liệu biến đổi thời thời gian. Chính vì FEM có tính vạn năng
nên phần mềm có tính vạn năng.
- Không như Matlab phải vẽ đồ thị, viết hàm số hay biểu đồ thông tin, viết trên nhiều
ngôn ngữ lập trình khác nhau. Maxwell có q trình tính tốn tự động của nó, bạn chỉ
cần xác định hình học, tính chất vật liệu và đầu ra mong muốn nó sẽ tự động tính tốn và
thiết lập bản vẽ, biểu đồ và đồ thị của đối tượng đó. Hơn nữa Maxwell chỉ sử dụng
những ngôn ngữ đơn giản và hầu như khơng cần lập trình.
- Maxwell là phần mềm mô phỏng thực tế, dành cho kỹ sư chuyên viết và thiết kế phân

tích các thiết bị và điện trường trong động cơ, bộ truyền động, máy biến áp và cuộn cảm
sau đó hiển thị trực tiếp trên màn hình để biểu thị kết quả về đối tượng. Còn Matlab thì
chỉ tính tốn thiết lập các thơng số về đối tượng đó.
- Khơng tập trung q rộng về nhiều lĩnh vực, chuyên môn khác nhau mà Maxwell chỉ
tập trung duy nhất vào q trình thiết lập, tính tốn, lựa chọn phân tích... Về máy điện
trong cơng nghiệp nên tính chủ động cao, cấp độ chun mơn hóa cũng như tập trung
sâu vào nâng cao chất lượng thiết kế rất nhiều so với các phần mềm khác.
- Maxwell không cần phải sử dụng gõ các lệnh, chỉ cần thiết lập tính chất cho đối tượng,
chính vì vậy cũng sẽ khơng gây ra các lỗi cũng như phải kiểm tra lỗi như Matlab.
- Ứng dụng của mawell có phạm vi rộng trong nghành công nghiệp máy điện và hầu như
áp dụng vào tất cả chúng cung như các hiện tượng, vấn đề ảy ra đối với máy điện đó. Vì
vậy Mawell đúng là một phần mềm chun dụng, có tính ưu việt cao và cần tích cực
được mở rộng áp dụng cho ngành công nghiệp máy điện cung như nghiên cứu, chết tạo
máy điện song hành với phần mềm Matlab.
=> Xét cho cùng cả hai phần mềm đề là công cụ để thực hiện ý tưởng, chúng có thể cho
ta kết quả nhanh và tương đối chính xác. Ngồi ra, nó cũng là cơng cụ hỗ trợ, giúp cho
chúng ta tính tốn, mô phỏng các sản phẩm tốt nhất trong sản xuất.

2.3.

Ứng dụng

-Ứng dụng mô phỏng từ trường trong động cơ SRM loại động cơ rất mới trong máy điện
với các yêu cầu:
u cầu về khơng tải như: Xác định dịng đường cong từ hóa, tổn hao khơng tải, điện
cảm từ hóa...

8

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

Về có tải như: Xác định điện cảm tản, tổn thất từ trễ, tổn thất do dòng Fuco, sức điện
động cảm ứng...
Các yêu cầu về ngắn mạch như: Xác định điện cảm tản, lực điện động...
- Giúp phân tích quá độ trong máy biến áp, liên kết mô phỏng Maxwell và Matlab
Simulink.
Liên kết phân tích nhiệt, phân tích dung ồn trong máy biến áp.
- Áp dụng phân tích báo cáo tính tốn phục vụ cho các môn học liên quan tới máy điện,
tác động của từ trường, từ tĩnh.

2.4.

Các vấn đề Maxwell giải quyết chung

Maxwell giải quyết các vấn đề như sau:
- Maxwell giải quyết vấn đề về trường tĩnh điện: Trường tĩnh điện, lực và momen xoắn,
điện dung gây ra bởi phân bố điện áp.
- Vấn đề về trường dẫn một chiều: Điện áp, trường điện và mật độ dòng được gây ra bởi
điện thế. Ma trận trở kháng có thể thêm vào các vật liệu cách điện quanh dây dẫn để tính
điện trường bao gồm cả vật cách điện.
- Vấn đề về trường từ tĩnh: Trường từ tĩnh, momem xoắn, lực từ, cảm ứng từ gây ra bởi
dòng một chiều, trường điện tĩnh ngoài và nam châm đối với vật liệu tuyến tính và phi
tuyến tính.
-Vấn đề về dịng điện xốy: Trường điện từ biến đổi điều hòa, lực momem xoắn và trở
kháng gây ra bởi dòng xoay chiều từ trường dao động ngồi đối với các vật liệu tuyến
tính.
- Về trường điện không ổn định do các tác động từ yếu tố nội và ngoại vi.

- Một dự án Maxwell là một thư mục bao gồm một hoặc nhiều Maxwellmodels, hoặc
thiết kế. Mỗi thiết kế cuối cùng bao gồm một mơ hình hình học, điều kiện biên của nó
và bài tập vật liệu và giải pháp lĩnh vực thông tin và quá trình.
- Một dự án mới được gọi là dự án được tự động tạo ra khi phần mềm được đưa các
thông số. Nếu bạn chọn Chèn một thiết kế của nút loại đài phát thanh trên General
Options: Dự án tab Options, một thiết kế của các loại quy định được tự động tạo ra cho
các dự án mới. Bạn cũng có thể mở một dự án mới bằng cách nhấn vào File> New. Nói
9


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

chung, sử dụng các lệnh menu File để quản lý dự án. Nếu bạn di chuyển hoặc thay đổi
tên của tập tin mà khơng sử dụng các lệnh này, các phần mềm có thể khơng có thể tìm
thấy thơng tin cần thiết để giải quyết các mơ hình về:
Thời gian biến thiên từ trường, lực lượng, mômen xoắn, và trở kháng gây ra bởi dòng
điện xoay chiều và dao động từ trường bên ngồi.
Từ trường thống qua do nguồn điện và nam châm vĩnh cửu.
- Phần Expert (RMxprt) là một gói phần mềm tương tác sử dụng cho việc thiết kế và
phân tích các máy điện. Phần này gồm:

2.5.

•

Chủ đề liên quan

•

Làm việc với các dự án Maxwell và dạng

•

Thiết lập một kế Maxwell

•

Bắt đầu với RMxprt

•

Sử dụng Maxwell Circuit biên tập.

Thiết kế một bản mô phỏng Maxwell

Sau khi bạn chèn một thiết kế, bạn không cần phải thực hiện các bước cơ bản tuần tự,
nhưng tất cả đều phải được hoàn thành trước khi một giải pháp có thể được tạo ra.
Để thiết lập một thiết kế Maxwell, hãy làm theo thủ tục chung này:
•

Chèn một thiết kế Maxwell vào một dự án. Sau khi bạn chèn các thiết kế, sau đó
bạn có thể thiết lập các đơn vị của mơ hình đo lường và các vật liệu nền.

•

Vẽ hình học mơ hình.

•

Xác định rõ loại người giải quyết.

•

Gán đặc tính vật chất để các đối tượng.

•

Ranh giới Assign và kích thích.

•

Thiết lập chuyển động.

•

Thêm các thơng số mà bạn muốn giải quyết.

•

Chỉ định các thiết lập lưới.

•

Chỉ định bao Maxwell sẽ tính tốn các giải pháp.

•

(Tùy chọn) Thiết lập bất kỳ Optimetrics bạn muốn chạy.Chạy mơ phỏng.

•

Xem giải pháp kết quả, kết quả sau quá trình, xem báo cáo, và tạo lớp phủ lĩnh
vực.
10


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

•

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

(Tùy chọn) Xuất khẩu các mạch để tạo ra một tương đương mạch của mơ hình.

.

11


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Chương II.

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

PHÂN TÍCH PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSYS
MAXWELL

Các công cụ mô phỏng và khảo sát trong ANSYS Maxwell gồm 3 công cụ :
Rotating Machinery Expert (RMxprt ), Maxwell 2D và Maxwell 3D.

1.

RMxprt

Theo [3] , [4] Các nhà thiết kế máy điện và máy phát điện có thể tăng cường ANSYS
Maxwell với ANSYS RMxprt, một công cụ thiết kế dựa trên mẫu. Maxwell và RMxprt
cùng nhau tạo ra một dòng thiết kế máy thực sự tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu thị trường
cho hiệu quả cao hơn, chi phí máy thấp hơn. Sử dụng lý thuyết động cơ phân tích cổ
điển và các phương pháp mạch từ tương đương, RMxprt có thể tính toán hiệu suất của
máy, đưa ra quyết định định cỡ ban đầu và thực hiện hàng trăm phân tích "nếu như"
trong vài giây.
Một lợi ích chính của RMxprt là khả năng tự động thiết lập một dự án Maxwell hoàn
chỉnh (2-D / 3-D) bao gồm hình học, vật liệu và điều kiện biên. Thiết lập bao gồm các
đối xứng và kích thích thích hợp với cấu trúc liên kết mạch ghép để phân tích nhất thời
điện từ nghiêm ngặt. RMxprt tự động tạo ra một mơ hình thứ tự giảm, xem xét các phi
tuyến và hiệu ứng xoáy, và truyền nó tới Simplorer, nơi có thể đạt được phân tích ổ điện
hơn nữa. Theo cách tương tự, RMxprt thiết lập cấu trúc liên kết mạch lái xe tùy chỉnh
như một thành phần độc lập trong Simplorer để được kết hợp với mơ hình thứ tự giảm
máy điện tương ứng.
RMxprt cung cấp nhiều giao diện dựa trên mẫu, dành riêng cho máy cho các máy cảm
ứng, đồng bộ và điện tử và bàn giao tiếp. Các mẫu này cho phép bạn dễ dàng nhập các
tham số thiết kế và đánh giá sự đánh đổi thiết kế sớm trong quy trình.
Trình chỉnh sửa mẫu dành riêng cho máy

12

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

Hình 2.1 Các mẫu máy

Rotor

Hình 2.2. Rotor

Kiểu rãnh

13


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

Hình 2.3. Kiểu rãnh và kiểu dây quấn

Quả lê

Hình 2.4. Quả lê
Chỉ số hiệu suất
Dữ liệu hiệu suất quan trọng, chẳng hạn như mô-men xoắn so với tốc độ, tổn thất điện
năng, thông lượng trong khe hở khơng khí, hệ số cơng suất và hiệu quả có thể được tính
tốn nhanh chóng. Dạng sóng đầu ra bao gồm:
14

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

 Dòng điện
 Mơ-men xoắn
 Thơng lượng trong khe hở khơng khí
Thiết kế đầu ra
Các bảng thiết kế liệt kê tất cả các tham số đầu vào có liên quan và các tham số được
tính tốn và hiển thị dạng sóng hiển thị đồ họa bao gồm dịng điện, điện áp, mơ-men
xoắn và EMF trở lại. Một bố trí cuộn dây chi tiết cũng được sản xuất. RMxprt có thể
xuất các bảng thiết kế định dạng Excel dựa trên mẫu do người dùng xác định.
Thiết kế tổng hợp tự động
RMxprt bao gồm các tính năng tiện lợi có thể hướng dẫn quy trình thiết kế của bạn bằng
cách tự động xác định kích thước khe, vịng cuộn và đường kính dây, bắt đầu bố trí điện
dung và cuộn dây từ các thơng số thiết kế đã cho của bạn.

Mơ hình tiền xử lý để phân tích điện từ
Ngồi việc cung cấp các tính tốn hiệu suất động cơ cổ điển, RMxprt có thể tự động tạo
ra sự chuyển giao hồn tồn hình học 3-D hoặc 2-D, thiết lập chuyển động và cơ học,
tính chất vật liệu, mất lõi, và thiết lập nguồn và cuộn dây. Mạch ổ đĩa có thể được gửi
trực tiếp đến Maxwell để tính tốn phân tích phần tử hữu hạn chi tiết.
Mơ hình hệ thống độ trung thực cao
RMxprt tạo ra các mơ hình mạch tương đương phi tuyến có độ chính xác cao, chiếm
kích thước vật lý của máy, đặc tính cuộn dây, tính chất vật liệu phi tuyến và hiệu ứng
động hiện có như dịng điện xốy. Bạn có thể sử dụng mơ hình tương đương kết quả để
khám phá các cấu trúc liên kết điều khiển điện tử, tải và tương tác với các thành phần hệ
thống ổ đĩa và đa miền trong ANSYS Twin Builder.

15


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

2.

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

Công cụ mô phỏng 2D
Maxwell 2D là một công cụ nhỏ trong ANSYS Electronics – một phần mềm của

ANSYS Inc dùng để phân tích các mạch điện, điện tử và các cấu trúc điện-từ khác.
Maxwell 2D dược tích hợp để ứng dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong
bài tốn liên quan đến điện trường và từ trường cũng như quá trình q độ điện từ trong
hệ thống. Để phân tích điện từ người ta phải đưa vào phần mềm các mơ hình vật thế với
các yếu tố như kích thước, vật liệu, kích thích, điều kiện xét … một các chính xác, và
phần mềm sẽ chia nhỏ vật thể thành một hữu hạn phần tử nhỏ và tính tốn các phương
trình Maxwell trên mỗi phần nhỏ ấy và tổng hợp kết quả. Về lí thuyết thì chia càng nhỏ
độ chính xác càng cao, tuy nhiên thời gian tính tốn sẽ lâu hơn.

2.1.

Làm quen với Maxwell 2D

Vẽ một đối tượng
Số 1| Mở Maxwell 2D
B1:

Click đúp vào biểu tượng trên màn hình desktop

B2:

Cửa sổ hiện ra có sẵn Project 1, ta có thể đổi tên sau.

Nhấp chuột phải Project 1 >> Insert >>Insert Maxwell 2D Design

Hình 2.5. Khởi động maxwell 2D
16


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. LÊ ANH TUẤN

Quan sát giao diện khi mở Maxwell 2D
Thanh
Thanh cơng

menu

cụ

Cửa

số

Project

Cửa

Cửa số làm

sổ

việc

lịch

Cửa số

sử

thư
viện

Cửa

số

propertie
s
Hộp
Hình 2.6. Giao diện 2D

tin

báo

Số 2| Tạo hệ tọa độ (Coordinate System)

Hệ tọa độ mặc định là hệ tọa độ Global khi ta mở rộng cây Coordinate System
trong Cửa sổ lịch sử

Hình 2.7.Chọn hệ tọa độ
Ta có thể tạo thêm các hệ tọa độ tương đối khác bằng cách chọn
Modeller >> Coordinate System >> Create >> Relative CS >> Offset
Offset là hệ tọa độ có các trục song song với hệ Global, Rotate là hệ tọa độ quay
tương đối so với hệ Global và gốc trùng gốc của hệ Global, Both là kết hợp 2 hệ tọa độ
trên

17