THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Anh
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Đức Hoàng 2019607198
Phạm Văn Khoa

2019607191

Lại Cao Quân

2019607016

Lớp: 20214EE6023001

Hà Nội, 2022


BỘ CƠNG THƯƠNG

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN
Số: 05

1. Tên lớp: 20214EE6023001
2. Họ và tên sinh viên: Nhóm 05
STT

Họ và tên

Mã SV

Lớp

1

Nguyễn Đức Hoàng

2019607198

2019DHDIEN08 - ĐH K14

2

Phạm Văn Khoa

2019607191

2019DHDIEN08 - ĐH K14

3

Lại Cao Quân

2019607016

2019DHDIEN08 - ĐH K14

3. Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Anh
NỘI DUNG
Đề tài: 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.
YÊU CẦU THỰC HIỆN
A. Phần thuyết minh
1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
2. Tính tốn, thiết kế:
➢ Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn stato, rơto.
➢ Thuật tốn thiết kế sơ bộ động cơ PMSM.
➢ Kết quả tính tốn giải tích.
3. Mơ phỏng kết quả thiết kế động cơ PMSM trên phần mềm.
4. Nội dung trình bày báo cáo ĐAMH theo đúng quy cách chung
(BM03-Quy định số 815/QĐ-ĐHCN, ngày 15 tháng 8 năm 2019).


B. Bản vẽ kỹ thuật
STT

Tên bản vẽ

Khổ giấy

Số lượng

1

Sơ đồ hình trải dây quấn stato.

A4

01

2

Bản vẽ hình dạng lá thép và mạch

A4

01

A4

01

từ stato, hình dạng nam châm rơto.
3

Sơ đồ lắp ráp động cơ.

Ngày giao đề tài: 04/7/2022

Ngày hoàn thành: 22/8/2022
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Việt Anh


(BM01)

PHIẾU HỌC TẬP NHĨM 5
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: 20214EE6023001
2. Họ và tên sinh viên: Nhóm 5
TT

Họ và tên

Mã SV

Lớp

1

Nguyễn Đức Hoàng

2019607198

2019DHDIEN08 - ĐH K14

2

Phạm Văn Khoa

2019607191

2019DHDIEN08 - ĐH K14

3

Lại Cao Quân

2019607016

2019DHDIEN08 - ĐH K14

II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: 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.
Yêu cầu thực hiện:
5. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
6. Tính tốn, thiết kế:
➢ Tính tốn kích thước mạch từ, dây quấn stato, rơto.
➢ Thuật tốn thiết kế sơ bộ động cơ PMSM.
➢ Kết quả tính tốn giải tích.
7. Mô phỏng kết quả thiết kế động cơ PMSM trên phần mềm.
2. Hoạt động của sinh viên.
2.1. Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu.

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Kiến thức về thiết kế máy điện đặc biệt.
2.2. Hoạt động/Nội dung 2: Tính tốn, thiết kế động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu.
- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Xây dựng được quy trình thiết kế đồng
bộ nam châm vĩnh cửu, cách tính tốn mạch từ, dây quấn và nam châm
rôto.


2.3. Hoạt động Nội dung 3: Mô phỏng kết quả tính tốn, thiết kế trên phần
mềm.
- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Biết được cách sử dụng phần mềm để mô
phỏng xác định kết quả, so sánh đối chiếu với kết quả tính tốn giải tích.
3. Sản phẩm nghiên cứu.
- Bản báo cáo thuyết minh đồ án môn học và các bản vẽ kỹ thuật kèm theo.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành ĐAMH theo đúng thời gian quy định (từ ngày 04/7/2022 đến
ngày 22/8/2022)
2. Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao, trước giảng viên và
những sinh viên khác.
IV. Học liệu thực hiện ĐAMH
1. Tài liệu học tập: Thiết kế máy điện (Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng
Thanh…..); Máy điện đặc biệt (Nguyễn Trọng Thắng);) SPEED’s Electric
Machines with problems and solutions (TJE Miller 2002).
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện ĐAMH (nếu có): Máy tính cá nhân,
bản vẽ.


(BM02)

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC

1. Tên lớp: 20214EE6023001
2. Họ và tên sinh viên: Nhóm 5
TT

Họ và tên

Mã SV

Lớp

1

Nguyễn Đức Hoàng

2019607198

2019DHDIEN08 - ĐH K14

2

Phạm Văn Khoa

2019607191

2019DHDIEN08 - ĐH K14

3

Lại Cao Quân

2019607016

2019DHDIEN08 - ĐH K14

3. Tiến độ thực hiện: 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.
Người thực hiện

Nội dung công việc

Phương pháp thực
hiện

Nguyễn Đức Hoàng
Phạm Văn Khoa

Chương 1: Tổng quan
về đồng bộ nam châm
vĩnh cửu.

Tìm hiểu tài liệu, viết
báo cáo.

Chương 2: Tính tốn,
thiết kế
Lại Cao Qn

- Tính tốn kích thước

mạch từ, dây quấn

Tìm hiểu tài liệu, viết
báo cáo.

stato, rơto.
Chương 2: Tính tốn,
thiết kế
Nguyễn Đức Hồng

- Thuật tốn thiết kế sơ
bộ động cơ PMSM.

Tìm hiểu tài liệu, thiết
kế theo yêu cầu đề tài,
viết báo cáo.


Chương 2: Tính tốn,
Tìm hiểu tài liệu, thiết

thiết kế
Phạm Văn Khoa

- Kết quả tính tốn giải

kế theo u cầu đề tài,
viết báo cáo.

tích .

Tìm hiểu tài liệu, nhập
Chương 3: Mơ phỏng

số liệu kỹ thuật cho

Lại Cao Qn

tính tốn, thiết kế.

chương trình, theo dõi

Phạm Văn Khoa

- Xác định kết quả và

quá trình chạy phần

so sánh giải tích.

mềm và xuất dữ liệu kết
quả.
Tổng hợp tất cả các nội

Nguyễn Đức Hoàng
Phạm Văn Khoa
Lại Cao Quân

Trình bày nội dung báo

dung đã được trao đổi,

cáo ĐAMH

thống nhất trong nhóm
và các kết quả đạt được.

Ngày 04 tháng 7 năm 2022.
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS. Nguyễn Việt Anh


(BM04)

BÁO CÁO HỌC TẬP NHÓM
1. Tên lớp: 20214EE6023001
2. Họ và tên sinh viên: Nhóm 5
TT

Họ và tên

Mã SV

Lớp

1

Nguyễn Đức Hồng

2019607198

2019DHDIEN08 - ĐH K14

2

Phạm Văn Khoa

2019607191

2019DHDIEN08 - ĐH K14

3

Lại Cao Quân

2019607016

2019DHDIEN08 - ĐH K14

Tên chủ đề: Thiết kế động cơ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

Người thực hiện

Nguyễn Đức Hồng
Phạm Văn Khoa

Nội dung cơng việc
Chương 1: Tổng quan về
động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu.

Kết quả

Kiến nghị với

đạt được

GVHD

Bản báo
cáo đồ án

Khơng

Chương 2: Tính tốn, thiết
Lại Cao Qn

kế

Bản báo

- Tính tốn kích thước mạch

cáo đồ án

Khơng

từ, dây quấn stato, rơto.
Chương 2: Tính tốn, thiết
Nguyễn Đức Hồng

kế

Bản báo

- Thuật tốn thiết kế sơ bộ

cáo đồ án

Khơng

động cơ PMSM.
Chương 2: Tính tốn, thiết
Phạm Văn Khoa

kế
- Kết quả tính tốn giải tích

Lại Cao Qn

Chương 3: Mơ phỏng tính

Bản báo
cáo đồ án
Bản báo

Khơng

Khơng

Phạm Văn Khoa

toán, thiết kế.

cáo đồ án

- Xác định kết quả và so
sánh giải tích.
Nguyễn Đức Hồng
Phạm Văn Khoa
Lại Cao Qn

Trình bày nội dung báo cáo

Bản báo

ĐAMH

cáo đồ án

Khơng

Ngày 04 tháng 7 năm 2022
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS.Nguyễn Việt Anh


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................. 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................... 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................... 4
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................ 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU ....................................................................................................... 6
1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ...... 6
1.1.1 Khái niệm ............................................................................... 6
1.1.2 Cấu tạo .................................................................................... 6
1.1.3 Nguyên lý làm việc................................................................. 7
1.1.4 Các loại nam châm vĩnh cửu phổ biến ................................... 7
1.2 Phân loại động cơ PMSM ............................................................. 8
1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPM) ............ 8
1.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPM) ............. 9
1.3 Ưu, nhược điểm của động cơ PMSM ......................................... 10
1.4 Hệ thống truyền động của động cơ PMSM. ............................... 11
1.5 Ứng dụng của động cơ PMSM ................................................... 12
1.6 Kết luận ....................................................................................... 13
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ............................................... 14
2.1 Tính tốn tham số Stato .............................................................. 14
2.1.1 Đường kính ngồi (cm) lõi thép stato .................................. 14
2.1.2 Đường kính trịn lõi thép stator: ........................................... 14
2.1.3 Bước cực............................................................................... 14
1

Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

2.1.4 Chiều dài lõi thép ................................................................. 15
2.1.5 Khe hở khơng khí (mm) ....................................................... 15
2.1.6 Số rãnh của Stato .................................................................. 15
2.1.7 Số vòng dây mỗi pha ............................................................ 15
2.1.8 Số thanh dẫn trong một rãnh ................................................ 15
2.1.9 Tiết diện dây quấn ................................................................ 16
2.2 Tính tốn tham số Rotor.............................................................. 16
2.2.1 Đường kính ngồi rotor ........................................................ 16
2.2.2 Chiều cao nam châm ............................................................ 16
2.2.3 Thể tích của nam châm......................................................... 16
2.2.4 Chiều cao của nam châm ...................................................... 17
2.3 Thống kê kết quả tính tốn .......................................................... 17
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ......................................... 19
3.1 Mô phỏng LSPMSM sử dụng MATLAB/Simulink ................... 19
3.2 Ứng dụng mơ hình tốn với LSPMSM ....................................... 20
Kết luận ..................................................................................... 25
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 26

2


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt thống kê kết quả tính tốn .............................. 17
Bảng 3.1: Các thơng số của LMPMSM thử nghiệm ............................ 21

3


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu tạo PMSM 3 pha dây quấn tập trung 2 lớp ..................... 7
Hình 1.2: Đường đặc tính của nam châm vĩnh cửu ............................... 8
Hình 1.3: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi ....................... 9
Hình 1.4: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn ..................... 10
Hình 1.5: Hệ thống truyền động của động cơ PMSM ......................... 12
Hình 3.1: Khối tính tốn mơmen ......................................................... 19
Hình 3.2:Khối tính tốn dịng điện trục d-q ......................................... 19
Hình 3.3:. Khối biến đổi Vabc sang Vdq ............................................. 20
Hình 3.4:. Khối tính tốn dịng điện Id ................................................ 20
Hình 3.5: Cấu tạo rơto LSPMSM thử nghiệm. ................................... 21
Hình 3.6: Mơ phỏng LSPMSM với MATLAB/Simulink .................... 22
Hình 3.7: Các đặc tính mơ phỏng LSPMSM thử nghiệm .................... 23

4


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

LỜI NÓI ĐẦU

Những phát triển gần đây về vật liệu nam châm vĩnh cửu (PM) và điện tử
công suất đã tạo ra những cơ hội mới cho việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). PMSM được ưu tiên hơn các
động cơ khác khi sử dụng cho truyền động servo xoay chiều do hiệu suất cao,
tỷ lệ mơ men trên dịng điện và mơ men trên khối lượng cao, cấu trúc nhỏ gọn
và phản ứng động nhanh. Những động cơ này được sử dụng trong một số ứng
dụng dân dụng và công nghiệp.
Đồ án Thiết kế thiết bị điện là một trong những môn học chuyên ngành
quan trọng đối với sinh viên ngành Điện, nói cách khác để có thể nghiên cứu
chuyên sâu về lĩnh vực thiết bị điện thì sinh viên phải nắm vững những kiến
thức của môn học này. Đồ án Thiết kế thiết bị điện trang bị cho sinh viên
chuyên ngành củng cố lý thuyết và rèn luyện kỹ năng, tay nghề để giải quyết
các bài toán liên quan đến kiến thức của môn học Đồ án Thiết kế thiết bị điện
trong chương trình đào tạo của Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội.
Từ những kiến thức học được từ các mơn học như khí cụ điện, máy điện,
truyền động điện…vv và tham khảo một số kiến thức khác liên quan. Nhóm
em đã vận dụng những kiến thức đó và dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn
Việt Anh để thiết kế ra một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).
Tuy nhiên q trình thiết kế cịn gặp nhiều khó khăn, nhóm em mong nhận
được sự góp ý và giúp đỡ của thầy cơ để đề tài được hồn thiện hơn!
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

5


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU
1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
1.1.1 Khái niệm
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một trong những loại động cơ đồng
bộ xoay chiều, trong đó từ trường được kích thích bởi nam châm vĩnh cửu tạo
ra sức phản điện động hình sin. Nó chứa một rơto và stato giống như của
một động cơ cảm ứng, nhưng nam châm vĩnh cửu được sử dụng làm rơto để
tạo ra từ trường. Do đó, khơng cần phải quấn cuộn dây từ trường ở rơto. Nó còn
được gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu 3 pha sóng hình sin khơng chổi than.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất hiệu quả, không chổi than, tốc độ
rất nhanh an toàn và cho hiệu suất động lực học cao so với các động cơ thơng
thường. Nó tạo ra mô men mượt mà, tiếng ồn thấp. Thay vì sử dụng dây quấn
cho rơto, nam châm vĩnh cửu được gắn để tạo ra từ trường quay. Vì khơng có
nguồn một chiều nên động cơ rất đơn giản và ít chi phí. Nó chứa một stato với
3 cuộn dây được lắp trên đó và một rơto có gắn nam châm vĩnh cửu để tạo ra
từ trường. Nguồn điện xoay chiều đầu vào 3 pha được cấp cho stato để bắt đầu
hoạt động.
1.1.2 Cấu tạo
PMSM được trang bị nam châm bề mặt (hình 1.1) có khe hở khơng khí rộng
vì vật liệu nam châm vĩnh cửu có độ thẩm thấu gần như khơng khí. Điều này
dẫn đến độ tự cảm từ hóa thấp và hạn chế khả năng ảnh hưởng đến trạng thái
điện từ của máy bởi dòng điện stato. Việc bố trí cuộn dây pha trong stato có thể
được tập trung hoặc phân bố. Ngồi ra, cuộn dây có thể là một lớp hoặc nhiều
lớp.

6

Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

Hình 1.1: Cấu tạo PMSM 3 pha dây quấn tập trung 2 lớp.
1.1.3 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 = 60 f / p , trong đó f- tần số biến thiên của dòng
điện, p – số đôi 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 khisử 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.
1.1.4 Các loại nam châm vĩnh cửu phổ biến
Các nam châm phù hợp nhất cho động cơ không chổi than là nam châm sắt
hoặc gốm và nam châm năng lượng cao Neodymium-Iron-Boron. Chúng được
phân loại là nam châm cứng vì khả năng khử từ cao. Đường đặc tính điển hình
cho nam châm vĩnh cửu được cho trong hình 1.6. Các nam châm khác, đặc biệt
7


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

là nam châm Alnico, có từ dư cao nhưng lực từ động cưỡng bức (MMF) rất
thấp và khả năng chống khử từ thấp. Những nam châm này, được gọi là nam
châm PM mềm. Trong lịch sử lâu đời của vật liệu nam châm vĩnh cửu, kéo dài
hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm và chỉ đến trong hai thập kỷ gần đây, vật
liệu nam châm vĩnh cửu cứng thực sự mới được phát hiện và hoàn thiện. Hai
mươi năm trước, các hợp kim 'lực kháng từ cao' có khả năng chống khử từ kém
hơn nhiều so với các hợp kim hiện có ngày nay.
Đối với chi phí thấp nhất, nam châm Ferrite là sự lựa chọn phổ biến. Loại
vật liệu nam châm này đã được cải tiến đều đặn và hiện có sẵn với mật độ từ
dư là 0,38 T và đặc tính khử từ gần như thẳng trong suốt góc phần tư thứ hai.
Vì động cơ khơng chổi than phải có chi phí thấp để có thể cạnh tranh trên thị
trường, nên phải sử dụng nam châm Ferrite. Nói cách khác, từ thơng cao nhất
có thể trên mỗi cực là mục tiêu chính sau khi xem xét chi phí.

Hình 1.2: Đường đặc tính của nam châm vĩnh cửu.
1.2 Phân loại động cơ PMSM
1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPM)
Rơto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rơto
8


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

có thể lớn trong khi chiều dài lại nhỏ. Rôto thường là đĩa nhơm hay nhựa có
trọng lượng nhẹ, độ bền cao. Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này. Loại
máy này thường được goi là máy từ trường hướng trục. Loại này thường sử

dụng trong kỹ thuật robot.

Hình 1.3: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi.
1.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPM)
Stator động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự như động
cơ rôto cực lồi của máy điện cực ẩn. Rôto 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 rơto 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 rơto thường có dạng
hình trịn với tỷ số “chiều dài/đường kính” lớn. Máy này được gọi là máy từ
trường hướng kính, nó thường được sử dụng trong các máy cơng cụ.

9


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

Hình 1.4: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn.
1.3 Ưu, nhược điểm của động cơ PMSM
PMSM về cơ bản là một máy điện đồng bộ xoay chiều rôto không có cuộn
dây điều tiết. Sự khác biệt nằm ở chỗ, kích từ rơto được cố định và cung cấp
bởi nam châm vĩnh cửu thay vì đến từ mạch bên ngồi thông qua các vành trượt
và chổi than.
➢ Ưu điểm:
✓ Hoạt động ở hệ số công suất cao hơn so với động cơ cảm ứng
(IM) do khơng có dịng điện từ hóa.
✓ Khơng u cầu bảo trì chổi than thường xun như máy đồng bộ

rôto dây quấn thông thường.
✓ Rôto không yêu cầu bất kỳ nguồn cung cấp nào cũng như không
phải chịu bất kỳ tổn thất nào.
✓ Độ ồn và độ rung thấp hơn so với động cơ từ trở (SRM) và IM.
✓ Qn tính của rơto thấp hơn và do đó phản ứng nhanh.
✓ Mật độ năng lượng lớn hơn và cấu trúc nhỏ gọn.
➢ Nhược điểm:

10


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

✓ Giá thành cao của nam châm vĩnh cửu và độ nhạy của nó với các
điều kiện nhiệt độ và tải trọng. Tuy nhiên, chi phí đang giảm do nguồn cung
cấp dồi dào ở một số nơi trên thế giới.
1.4 Hệ thống truyền động của động cơ PMSM.
Các cuộn dây pha của PMSM được ni bằng các dạng sóng hình sin dịch
chuyển (3600/ Nph), trong đó Nph là số pha của stato. Đối với máy điện ba pha,
các cuộn dây ba pha dịch chuyển pha theo không gian 1200 được cung cấp bởi
dòng điện dịch chuyển pha theo thời gian 120 0 để tạo ra từ trường quay. Loại
máy này được gọi là động cơ sóng hình sin. Cấu trúc truyền động của động cơ
bao gồm máy, các cảm biến vị trí được kết hợp (nếu khơng phải là hoạt động
khơng có cảm biến), bộ chuyển đổi điện tử công suất và bộ điều khiển. Hệ thống
truyền động động cơ PMSM điển hình được thể hiện trong hình 1.9. Nói chung,
phản hồi từ cảm biến cung cấp thơng tin vị trí rơto, được sử dụng để cung cấp
năng lượng thích hợp cho dòng pha hoạt động của máy ở bất kỳ chế độ điều
khiển mô men đập mạch, tốc độ hoặc vị trí nào. Cảm biến dịng điện cung cấp

phản hồi cho bộ điều khiển để tái tạo lại dòng điện ba pha điều khiển dịng điện,
từ đó cho phép điều khiển mô men đập mạch. Điều khiển tốc độ, nếu cần, được
thực hiện ở vịng ngồi và điều khiển vị trí, nếu cần, được thực hiện ở một vịng
ngồi khác.

11


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

Hình 1.5: Hệ thống truyền động của động cơ PMSM.
1.5 Ứng dụng của động cơ PMSM
Động cơ PMSM trải dài trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, từ động
cơ bước cho đồng hồ đeo tay thông qua bộ truyền động công nghiệp cho đến
máy công cụ và động cơ lớn để đẩy tàu.
Trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, động cơ PMSM đang cạnh tranh
với một số động cơ đồng bộ không chổi than khác, cụ thể là cuộn cảm, bộ chỉnh
lưu quay và các cấu hình điện trở khác nhau. PMSM cũng rất phổ biến trong
ngành công nghiệp máy tính để giảm mức độ tiếng ồn, khả năng điều khiển tốc
độ và mơ men đập mạch chính xác, cũng như tính linh hoạt của hình dạng.
Những người sử dụng máy PM lớn nhất hiện nay là ngành công nghiệp ô tô;
PMSM dường như là động cơ điện đẩy tốt nhất cho các phương tiện giao thông
đường bộ và hybrid. Máy phát điện xoay chiều PM được sử dụng trong các ứng
dụng ô tô như nguồn điện phụ trong xe tải và xe địa hình.
Các loại động cơ servo PM được sử dụng làm bộ truyền động tốc độ thay
đổi trong các ứng dụng có thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao, hệ số công suất cao
và tiếng ồn thấp là những yêu cầu chính. Các ứng dụng của các động cơ này là
phanh điện thủy lực hoặc điện, trợ lực lái và một số loại van điều khiển. Mức

12


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

độ gợn mômen đập mạch thấp được yêu cầu cho các ứng dụng này, vì động cơ
phải làm việc ở tốc độ thấp với độ chính xác cao trong điều khiển tốc độ.
1.6 Kết luận
Nội dung chương 1 chủ yếu tập trung giới thiệu một cách tổng quan nhất
về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) về định nghĩa, cấu tạo,
nguyên lý làm việc, phân loại động cơ, ưu nhược điểm, mơ tả hệ thống truyền
động và tính ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong cuộc
sống.
Nhằm giúp cho người đọc có một cái nhìn khái quát nhất về động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đồng thời để tạo điều kiện cho việc nghiên cứu
các chương sau.

13


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ

2.1 Tính tốn tham số Stato
2.1.1 Đường kính ngồi (cm) lõi thép stato
Dn = 14,9.

3

Ps
1,56
= 14,9.
= 5,71 (cm)
3
B . A.
0,5.150.0,9

(2.1)

Trong đó:
-

Ps là cơng suất biểu kiến (VA).
Ps =

Pdm
750
=
= 1,56 (W)
.cos  600.0,8

-

Pdm là công suất cơ định mức và  là hiệu suất động cơ.

-

 là tỷ số giữa chiều dài lõi thép với bước cực.
=

(2.2)

1
t

 = 0,8 − 1,5 Ta lấy  = 0,9
-

A là tải đường của stato (A/cm)

A = 150 (A/cm)
-

B : mật độ từ thơng khe hở khơng khí (T)
B = 0,5 (T)

2.1.2 Đường kính trịn lõi thép stator:
D = k D .Dn = 0,55.5,71 = 3,14 (cm)

(2.3)

Trong đó: k D là hệ số kết cấu
Ta lấy k D = 0,55
2.1.3 Bước cực

=

 .D
2p

=

3,14.3,14
= 0,99
2.5

14

(2.4)


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

Trong đó: p là số cặp cực
2.1.4 Chiều dài lõi thép

l = . = 0,9.0,99 = 0,891 (cm)

(2.5)

2.1.5 Khe hở khơng khí (mm)

 = 0,2 +

D
314
= 0,2 +
= 1,77 (mm)
200
200

(2.6)

2.1.6 Số rãnh của Stato
Z s = 2.m. p.q

(2.7)

Với m là số pha, q là số rãnh cho một pha dưới một cực từ.
2.1.7 Số vòng dây mỗi pha

U dm .ke .108
Wf =
4.ks . f . .kdp

(2.8)

Trong đó:
k s là hệ số song, k s = 1,1

ke =

U dm
Edm

Với: - U dm và Edm là điện áp định mức và sức điện động điện mức
-  là từ thơng khe hở khơng khí

 =   . .l.B
Với  là hế số cung cực từ tính tốn  = 0,6
2.1.8 Số thanh dẫn trong một rãnh
Us =

Ws .a
q. p

(2.9)

a là số mạch nhánh song song
15


Đồ án TKTBĐ

Thiết kế động cơ đồng bộ PMSM

2.1.9 Tiết diện dây quấn
Ss =

I dm
a.J .n!!

(2.10)

Trong đó:
I dm là dịng điện định mức

J là mật độ dòng điện, J = 6 (A/mm 2 )

n!! là số sợi chập
2.2 Tính tốn tham số Rotor
2.2.1 Đường kính ngồi rotor
Dr = D − 2. = 1,5

(2.11)

2.2.2 Chiều cao nam châm

hm =

Bg .

(2.12)

Bg − Br

Trong đó:
Bg là mật độ từ thơng khe hở khơng khí

Br là mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu

2.2.3 Thể tích của nam châm
Vm = cv .

Pdm
f .Br .H c

(2.13)

Trong đó:
H c là cực kháng từ (A/m)
f là tần số dịng điện stato

cv là hệ số thể tích nam châm

16