ĐỒ án THIẾT kế THIẾT bị điện tài đề THIẾT kế NG b ĐỘNG cơ đồ ộ NAM CHÂM VĨNH cửu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN
====o0o====

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Việt Anh
Sinh viên thực hiện

: Hứa Trọng Khiêm

Trần Văn Cương
Nguyễn Trường Giang
Hoàng Thế Vũ
Lớp

: Điện 3 – k13

Hà nội, 2021

download by :


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN
Số: 22
1. Tên lớp: 20211EE6023006
2. Họ và tên sinh viên: Nhóm 22

STT

Họ và tên

1

Trần Văn Cương

2

Nguyễn Trường Giang

3

Hứa Trọng Khiêm

4

Hoàng Thế Vũ

3. Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Việt Anh

NỘI DUNG
Đề tài: Thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có cơng suất đầu trục P đm

= 750 w, có số rãnh là 12 và số cực là 10, tốc độ định mức n đm = 600v/p, hiệu suất

ŋ=0,8, Điện áp một chiều Vdc=127 V.
YÊU CẦU THỰC HIỆN
A. Phần thuyết minh
1. Tính tốn kích thước chủ yếu.
2. Tính toán stator, rotor.
3. Thuật toán thiết kế sơ bộ động cơ PMSM.
4. Kết quả tính tốn giải tích.
5. Kết quả mô phỏng động cơ PMSM.
B. Bản vẽ kỹ thuật

STT
1
2

download by :


Ngày giao đề tài: 14/9/2021
BỘ MƠN THIẾT BỊ ĐIỆN

Ngày hồn thành: 21/12/2021
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Phạm Văn Cường
ThS. Nguyễn Việt Anh


download by :

Chương 1: Sơ lư c v động cơ đ ng bộ nam
châm v nh c u
1.1: Khái niệm v động cơ đ ng bộ nam châm v nh c u
Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu, là loại
động cơ có dạng sóng hình thang. Chính sức phản điện động có kết
cấu dạng hình thang này mới chính là yếu tố quyết định để xác định
được 1 động cơ BLDC. Thay cho sự chuyển mạch dịng phần ứng
giống như các động cơ một chiều thơng thường sử dụng chổi than
cổ góp thì động cơ BLDC lại sử dụng chuyển mạch điện từ.

Hình 1: Máy phát điện sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu

download by :


Do đó, các cuộn dây của phần ứng đặt trên stator giúp cho pm motor dễ
dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây đi ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các
phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần. Vì vậy, động cơ BLDC
có mật độ cơng suất lớn hơn hẳn so với động cơ 1 chiều truyền thống.

Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than
BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ
truyền động có cơng suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) như
trong các ổ đĩa quang, động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt,
quạt làm mát trong máy tính cá nhân, các thiết bị văn phịng
(máy in, máy scan,...). Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển
được chế tạo một cách đơn giản và có độ tin cậy cao hơn.

1.2: Phân loai động cơ năm châm v nh c u
Theo thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu gồm có 2 loại:
Động cơ pm DC có kích từ bằng điện cùng với dải cơng
suất lớn. Động cơ pm DC với dải công suất nhỏ.
Theo kết cấu, động cơ pm DC có thể chia thành:
Máy điện đồng bộ có cực ẩn
Máy điện đồng bộ có cực lồi.
Theo chức năng:
Máy phát điện đồng
bộ Động cơ điện đồng
bộ Máy bù đồng bộ.

download by :


1.3 : Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ nam
châm v nh c u
1.3.1 : Cấ u tạo pm motor
Stator của nam châm vĩnh cửu bên trong động cơ pm DC như đã
được chỉ ra từ trong chính cái tên của động cơ DC: Cực trường của
động cơ này thường được làm bằng 1 thanh nam châm vĩnh cửu.
Một động cơ pm DC sẽ bao gồm 2 phần, 1 stator và 1 armature.
đây, các stator chính là một xi lanh thép, còn các nam châm lại được
gắn kết trong chu vi, tức là mặt trong của chiếc xi lanh này. Các nam
châm vĩnh cửu thường được gắn kết theo cách tương tự như đầu N và
cực S của mỗi thanh nam châm được quay về mặt nạ của động cơ.

Ở

Rotor của động cơ pm DC cũng có cấu tạo tương tự giống như
động cơ DC khác. Rôto hay là bộ phận của động cơ DC chạy
bằng nam châm vĩnh cửu cũng bao gồm các phần như: cốt lõi,
cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch. Lõi gia cố của động cơ được
làm bằng 1 lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa
bằng thép. Bằng cách cố định chặt các tấm thép tròn vào 1 chỗ, 1
chiếc lõi hình trụ có khe lúc này cũng được hình thành.

download by :


Các tấm thép mỏng, có độ bóng và cách điện được sử dụng để làm
giảm tổn hao của dòng điện dịng xốy bên trong phần cố định của
thiết bị động cơ DC nam châm vĩnh cửu. Các khe này nằm ở ngoại vi
phía mặt ngồi của chiếc lõi phần ứng dụng, chúng thường được sử
dụng để làm dây dẫn cuộn dây cho phần vỏ ở trong đó.

Các dây dẫn cuộn nối được kết nối theo cách thích hợp làm
tăng cuộn dây phần ứng. Các đầu cuối của cuộn dây được kết
nối với các bộ phận chuyển mạch đặt trên trục động cơ.
Giống như các động cơ DC khác, 1 lớp carbon hoặc than chì khác sẽ
được đặt cùng với áp suất lò xo ở trên các phân đoạn của bộ phận
chuyển mạch nhằm mục đích cung cấp dịng điện lên cho phần mềm.

1.3.2. Nguyên lý làm việc
PMSM là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do đó hoạt động của
nó như sau: khi cấp 3 dịng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất
hiện từ trường quay với tốc độ ntt = 60f/p, trong đó f- tần số biến thiên
của dịng điện, p – số đơi cực. Do từ trường của nam châm vĩnh cửu
là từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quay

với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình của
mơ men này có giá trị 0. Để máy điện có thể làm việc được phải quay
nam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ trường, lúc này mơ men
trung bình của động cơ sẽ khác 0. Việc đưa nam châm vĩnh cửu tới
tốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thường
mà ta đã nghiên cứu trước đây. Do đó khởi động bằng máy lai ngồi,
phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên rất ít khi sử dụng. Phương
pháp hay dùng nhất đó là phương pháp khởi động dị bộ. Lúc này mới
đặt tải lên động cơ. Như vậy máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam
châm quay đồng bộ với từ trường quay, hoặc quay với tốc độ đồng bộ.

download by :


1.3.4. Nh ng ưu như c đi m của động cơ đ ng bộ nam châm v nh
cu
Động cơ nam châm vĩnh cửu DC hay còn gọi là động cơ pm DC hoạt động
theo nguyên tắc của nam châm vĩnh cửu, dựa trên một thực tế là bất cứ
khi nào một dây dẫn mang dòng điện hiện tại được đặt trong 1 từ trường
thì sẽ có lực cơ học chạy qua dây dẫn đó. Tất cả các loại động cơ DC
thông thường chỉ hoạt động theo nguyên tắc này. Do đó, để có thể xây
dựng được 1 động cơ DC, chúng ta cần phải thiết lập 1 từ trường.

Từ trường vừa được thiết lập bằng các nam châm, còn nam
châm có thể chọn bất kỳ loại nào, có thể là nam châm vĩnh cửu
hoặc loại khác. Khi nam châm vĩnh cửu được chúng ta sử dụng
để tạo ra từ trường trong động cơ DC thì động cơ sẽ được gọi là
động cơ DC nam châm vĩnh cửu hoặc gọi tắt là động cơ pm DC.
Ưu Điểm :
Động cơ pm DC khơng cần sắp xếp để kích thích từ trường.

Đồng thời, khơng có cơng suất đầu vào của mạch tiêu thụ để
giúp kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động cơ DC.
Động cơ pm DC khơng có cuộn dây từ trường, do vậy
không gian dành cho cuộn dây trường được cũng sẽ được
thu hẹp lại làm giảm kích thước của tổng thể động cơ.
Động cơ pm DC có mức chi phí rẻ hơn và tiết kiệm hơn
cho dành cho các ứng dụng xếp hạng kW phân số.
Có mức chi phí rẻ và tiết kiệm

Như c Đi m :
Trong trường hợp này, có thể thấy được, động cơ DC sẽ
khơng được bù lại, do đó cường độ từ trường của động cơ
có thể bị suy yếu đi do phản ứng dị ứng có thể gây mài mờ.

download by :


Ngồi ra, động cơ pm DC cịn có một cơ hội nhận được các
cực từ bán dẫn vĩnh viễn (hoặc một phần) do dòng điện áp
được tăng lên quá nhiều trong q trình khởi động, làm đảo
ngược dịng điện cũng như tình trạng quá tải của động cơ.
Một bất lợi lớn khác rất dễ thấy của động cơ pm DC là, từ trường
trong khoảng cách khơng khí được xem là cố định và giới hạn nên
nó khơng thể kiểm sốt được từ bên ngồi. Do đó, việc kiểm sốt
tốc độ của động cơ pm DC trong loại động cơ này là rất khó.

download by :


Chương 2: Yêu cầu thiết kế và lựa chọn

phương án kết cấu
2.1 : Yêu cầu
Theo yêu cầu thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
PMSM có cơng suất đầu trục Pđm= 750 w, có số rãnh là 12 và số
cực là 10, tốc độ định mức nđm= 600v/p, hiệu suất n=0,8, điện áp
một chiều Vdc=127V. Bên cạnh đó thì thiết kế động cơ cần hoạt
động chính xác, ít gây ra tiếng ồn.
Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu thành 2 loại: Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xét
dưới đây có thể thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy này.

2.2 : Phân tích các loại động cơ đ ng bộ nam châm v nh
c u và đưa ra lựa chọn
2.2.1 : Động cơ đ ng bộ nam châm v nh c u cực l i
Cấu tạo gồm 2 phần chính là roto và stato:
* Stato của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là

lõi thép và dây quấn ngồi ra cịn có vỏ máy và nắp máy. Lõi thép stato gồm
các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic dày 0,5mm) 2 mặt được phủ lớp sơn cách
điện được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lại 15 với nhau tạo thành
những hình trụ rỗng , bên mặt trong tạo thành các rãnh theo hướng trục để
đặt dây quấn . Dọc chiều dài của lõi thép stator cư cách khoảng 3 -6 cm lại
có một khoảng thơng gió ngang trục rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố
định trong thân máy . Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một
hệ thống thơng gió làm mát máy tốt nhất. Nắp máy thường được chế tạo
bằng gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc. Dây quấn stator thường được chế
tạo bằng đồng có tiết diện hình trịn hoặc chữ nhật, bề mặt dược phủ một
lớp cách điện, được quấn thành từng bối và

download by :

lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo qui luật
nhất định tạo thành sơ đồ hình sao hoặc tam giác.
* Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên dường kính
roto có thể lớn trong khi chiều dài lại nhỏ. Roto thường là đĩa nhơm
hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao. Các nam châm được gắn
chìm trong đĩa này . Các loại máy này thường được goi là máy từ
trường hướng trục. Loại này thường sử dụng trong kỹ thuật robot.

Hình 1.10 động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
cực lồi 2.2.1 : Động cơ đ ng bộ nam châm v nh c u cực ẩn

Stator động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự
như động cơ cực lồi

*

* Roto của máy điện cực ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng

cao, được rèn bằng khối trụ sau đó gia cơng phay rãnh để đặt các thanh
nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rơt thì có thể đạt được cẩu
trúc cơ học bền vững hơn. Kiểu này thường được sử dụng trong các động
cơ cao tốc. Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm roto
thường có dạng hình trrongs với tỷ số “chiều dài/ đường kính “ lớn. Máy

download by :


này được gọi là máy từ trường hướng kính, nó thường được sử dụng

trong các máy công cụ. Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu
chìm, máy khơng thể dược gọi là khe hở khơng khí đều. Trong trường
hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép roto về mặt
vật lí coi là khơng có sự thay đổi nào của hình học bề mặt nam châm .
Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ
của máy thay đổi khá mạnh , vì do các mảng cực thép này tạo ra các
đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả khơng
gian vng góc với từ thơng nam châm. Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ
ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momen của máy điện.

Hình 1.11 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn
Với yêu cầu của truyền động servo và truyền động phải êm, do đó cần phải
hạn chế momen răng và momen đập mạch do các sóng hài không gian và
thời gian sinh ra. Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các
nam châm , uốn nam châm lượn chéo theo trục roto, uốn rãnh và dây quấn
stattro kết hợp với tính tốn số răng và kích thước của nam châm
. Kỹ thuật tạo ra các roto xiên là khá đắt tiền và phức tạp. Trong điều kiện
bình thường của truyền động secvo , nếu momen điều hịa răng cỡ 2%
momen định mức thì có thể coi là chấp nhận được . Tuy nhiên có thể hạn
chế được đa số các momen điều hòa răng trong truyền động động cơ đồng

download by :


bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi
chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác
các thơng số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ. Trong các máy
điện nam châm vĩnh cửu kinh điển , trên stattor có các răng , ngày nay ta
có thể chế tạo stato khơng răng . Trong trường hợp này dây quấn stato
được chế tạo từ bên ngồi sau đó được lồng vào và định vị trong stato.

Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở chế độ thấp và tổn thất sẽ giảm,
tăng được không gian hơn cho dây quấn statto nên có thể sử dụng dây
quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng định mức của máy điện do đó tăng
được cơng suất của máy . Nhưng khe hở khơng khí lớn gây bất lợi cho từ
thông khe hở nên phải chế tạo roto có đường kính lớn hơn và có bề mặt
nam châm lớn hơn. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nhiều kiểu
roto khác nhau. Dưới đây là 3 kiểu thường gặp trong thực tế:

Hình 1.12 Các kiểu rotor máy điện đồng bộ cực ẩn

Động cơ nam châm cực ẩn (Interior -IPMSM) có những ưu điểm
so với động cơ nam châm cực lồi (Surface-SPMSM) như: khả
năng tạo ra mômen lớn hơn, cho phép tốc độ làm việc cao hơn,
điều chỉnh từ thơng được nhiều hơn, vì vậy sẽ có nhiều ưu điểm
trong điều khiển. Vì vậy sẽ chọn phương án kết cấu theo kiểu
IPMSM (động cơ nam châm cực ẩn).

download by :


Chương 3: Tính tốn các kích thước cơ bản
U CẦU :Thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có
cơng suất đầu trục Pđm = 750 w, có số rãnh là 12 và số cực là 10, tốc độ
định mức nđm = 600v/p, hiệu suất ŋ=0,8, Điện áp một chiều Vdc=127 V.

3.1 Tính tốn tham số stator
+ Đường kính ngồi (cm) lõi thép stator:
Dn
Trong đó :
- Ps là công suất biểu kiến (VA).

Ps

Pdm

750

1,56(w)

η.cosφ 600.0,8
- Pdm là công suất cơ định mức và η là hiệu suất động cơ.
- λ là tỷ số giữa chiều dài lõi thép với bước cực.
1
λ= t
λ =0,8 -1,5 Ta lấy λ =0.9
- A là tải đường của stator (A/cm)
A=150 (A/cm)
- Bδ : mật độ từ thơng khe hở khơng khí (T)
Bδ =0,5 (T)
+ Đường kính trong lõi thép stator:
D=k D . Dn0,55. 5, 71 3,14 cm
Trong đó : k D là hệ số kết cấu
Ta lấy k D =0,55


download by :


+ Bước cực
τ=
Trong đó : p là số cặp cực

+ Chiều dài lõi thép
l=λ.τ=0,9.0,99=0,891(cm)
+ Khe hở khơng khí (mm)
D

314

δ=0,2+ 200 0, 2 200 1,77(mm)
+ Số rãnh của stator
Z s 2.m. p.q
Với m là số pha; q là số rãnh cho một pha dưới một cực từ.
+ Số vòng dây mỗi pha
.k .108

U
dm

Wf

e

Trong đó :
- ks là hệ số song, ks =1,1
- ke =

Udm

E

Với U

dm

dm

và Edm là điện áp định mức và sức điện động

định mức - là từ thông khe khơng khí
. .l . B

Với là hệ số cung cực từ tính tốn , =0.6 + Số
thanh dẫn trong một rãnh
W .a

U
s

s

q. p

download by :


là số mạch nhánh song
song + Tiết diện dây quấn

a

Idm

Ss

!!

a .J .n

Trong đó :

Idm là dịng điện định mức
J là mật độ dòng điện , J =6 (A/

mm2 ) n!! là số sợi chập

3.2 Tính tốn tham số rotor
+

đường kính ngoài rotor
D r D 2.

1.5

+ Chiều cao nam châm

hm

B

Bg .

B

g

r

Trong đó :

Bg là mật đọ từ thơng khe hở khơng khí
Br là mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu
+ Thể tích của nam châm

V =c
m

pdm
v f.B r

.H

c

Trong đó

Hc là lực kháng từ (A/m);
f là tần số dòng điện stator

cv là hệ số thể tích nam châm
+ Chiều cao của nam châm

h
m

Vm

4.wm .lm

download by :


3.3 Thơng kê kết quả tính tốn
Tên thơng số
Đường kính ngồi stator
Đường kính trong stator
Khe hở khơng khí
Chiều dài mạch từ stator
Số rãnh stator
Chiều cao rãnh stator
Khoảng cách rãnh stator
Độ rộng miệng của rãnh stator
Số vịng dây
Số sợi chập
Đường kính day
Đường kính ngồi rotor
Đường kính trong rotor
Chiều rộng nam châm
Chiều cao nam châm

download by :

Chương 4 : Mô phỏng động cơ PMSM
4.1 Mô phỏng LSPMSM s dụng MATLAB/Simulink

Hình . Khối tính tốn mơmen

Hình 5. Khối tính tốn dịng điện trục d-q

download by :


Hình 6. Khối biến đổi Vabc sang Vdq

Hình 7. Khối tính tốn dịngđiện Idr

Ứng dụng Mathlab/Simulink để mơ phỏng các đặc tính làm
việc của LSPMSM từ mơ hình tốn củ a động cơ t ại mục
2.1 trên. Tổng hợ p mộ t số module đượ c sử dụng trong
quá trình mơ phỏng như hình 4 ÷ 7.
4.2 Ứng dụng mơ hình tốn với LSPMSM th

nghiệm

Trong bài báo này, ta sẽ khơng làm giảm đi tính tổng qt khi lựa
chọn mơ phỏng một động cơ thử nghiệm 2,2 kW, 3 pha, 4 cực. Trong
đó, phần rơto sẽ được cải tạo từ động cơ không đồng bộ 2,2kW3K112S4 của Công ty Cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (hình 8).

Các thơng số của LSPMSM 2,2kW thử nghiệm (điện cảm tản
stato, điện cảm tản rơto quy đổi, điệm cảm đồng bộ từhóa ngang
trục, dọc trục,…) được tính tốn dựa trên cáccấu hình stato, rơto,

kích thước và vị trí đặt các thanh NCVC. Tổng kết lại, các thông
số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm được xác định tại bảng 1.

download by :


x
Hình 8. Cấu tạo rơto LSPMSM th nghiệ m Bảng 1. Các thông số c ủa LSPMSM th nghiệm


download by :


Mô phỏng LSPMSM với MATLAB/Simulink

download by :


Hình 9. Các đặc tính mơ phỏng LSPMSM th nghiệm

download by :