Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các thông số của máy phát điện tuyến tính

Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang

Số 12/2022

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các thông số của máy
phát điện tuyến tính
A study on manufacturing and surveying parameters of linear generators
Trương Hoà Hiệp1,*, Nguyễn huỳnh Thi1, Huỳnh Văn Lộc1
1

Trường Đại học Tiền Giang, 119 Ấp Bắc, Phường 5, Mỹ Tho, Tiền Giang, Việt Nam

Thơng tin chung

Tóm tắt

Ngày nhận bài:
17/04/2022
Ngày nhận kết quả phản biện:
10/05/2022
Ngày chấp nhận đăng:
13/06/2022

Bài báo này đề xuất thiết kế và nghiên cứu một máy phát
điện tuyến tính một pha với cấu tạo đơn giản. Bằng các cơ cấu
giả lập và mô phỏng chuyển động, mục tiêu là khảo sát các
thông số của máy phát ở tốc độ dịch chuyển thấp từ 0,25 m/s đến
0,5 m/s. Mô phỏng đã được đối chiếu với thực nghiệm qua thông
số điện áp, khi tăng tốc độ dịch chuyển từ 0,25m/s đến 0,5m/s khi
khơng tải và có tải RL = 3,5, điện áp tăng từ 20V đến 40V đối
với trường hợp không tải và tăng khoảng 4V đến 15V khi có tải.

Từ khóa:
Máy phát điện tuyến
tính; máy phát điện, máy
phát điện phẳng.

Keywords:
Linear
generators;
generators, flat generators.

1.

Abstract
This paper proposes to design and study a single-phase
linear generator with simple structure. By motion simulators and
simulation mechanisms, the research aims to survey the
parameters of the generator at a low speed from 0.25 m/s to 0.5
m/s. The simulation was compared with the experiment through
voltage parameters. When the displacement speed increased
from 0.25m/s to 0.5m/s without loads and with loads of RL =
3.5,, the voltage increased from 20V to 40V without loads and
form about 4V to 15V with loads.

GIỚI THIỆU

Hiện nay, máy phát điện tuyến tính
PMLG (Permanent Magnet Linear
Generator- PMLG) được coi là ứng cử
viên tiềm năng cho những ứng dụng thực

tế khi sử dụng chuyển động thẳng biến đổi
điều thay cho chuyển động quay của máy
phát truyền thống, Vì thế PMLG thường
có cấu trúc đơn giản, ít tổn thất trong quá
trình chuyển đổi năng lượng do loại bỏ các
thiết bị truyền dẫn dư thừa [1-3]. Với sự
phát triển mạnh của vật liệu nam châm
mật độ từ thông cao, PMLG ngày càng
được được nghiên cứu cho nhiều ứng
dụng vì nâng cao được cơng suất và độ tin
cậy [4]. PMLG được ứng dụng trong tái

tạo năng lượng từ sóng biển [5-7]. Ngoài
ra, PMLG là bộ phận chuyển đổi năng
lượng cơ học thành điện năng cho động cơ
đốt trong không trục khuỷu. Cái mà có ưu
điểm nhỏ gọn, hiệu suất cao [8], tỷ số nén
biến đổi nên phù hợp với nhiều loại nhiên
liệu khác nhau[9], giảm ma sát so với
động cơ nhiệt thơng thường [10]. Vì thế,
động cơ đốt trong không trục khuỷu đang
là xu hướng nghiên cứu để nâng cao khả
năng vận hành xe lai (hybrid) . Tùy thuộc
vào các cấu hình, tần số và khoảng dịch
chuyển động cơ đốt trong khơng trục
khuỷu có cơng suất phát điện khác nhau
[11-13] .Các nghiên cứu đưa ra công suất
phát điện ở tốc độ tối đa, nhưng thực tế

* tác giả liên hệ, email: , 0918 386 391

-71-


No.12/2022

động cơ đốt trong không trục khuỷu hoạt
động ổn định ở những tốc độ thấp hơn do
vấn để kiểm soát [14-15]
Bài báo này đề xuất thiết kế và nghiên
cứu một PMLG một pha với cấu tạo đơn
giản. Bằng các cơ cấu giả lập chuyển
động, mục tiêu là khảo sát hoạt động của
PMLG ở tốc độ dịch chuyển thấp từ 0,25
m/s đến 0,5 m/s - theo tốc độ cao nhất vì
phần dịch chuyển của máy phát chuyển
động biến đổi đều theo hình sin, khoảng
dịch chuyển ngắn ± 40mm, điện áp đầu ra
ở tốc độ khác nhau là giá trị để nghiên
cứu, đánh giá. Máy phát điện được mơ
hình hóa trong khơng gian 3-D bằng cách
sử dụng phần mềm Maxwell 16V để tìm
ra các thơng số tĩnh từ, từ đó mơ phỏng
bằng phần mềm Matlab tìm các giá trị đầu
ra như dịng điện ,điện áp, công suất và
cuối cùng thực nghiệm đối chiếu với mô
phỏng. Cuối cùng, so sánh, đánh giá mô
phỏng với thực nghiệm.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Cấu trúc và kích thước

Bài báo trình bài máy phát điện 1 pha
dạng phẳng với 2 mặt phát điện, cấu trúc
3-D được thể hiện trong Hình 1, kích
thước ban đầu của cụm rotor và starto
được thể hiện trong bảng 1 và Hình 2 .

Hình 1. Mơ hình cấu trúc 3-D máy
phát

Journal of Science, Tien Giang University

Hình 2. Cấu trúc đề xuất của
PMLG
Bảng 1. Thông số đề xuất của PMLG
Ký
Tên
Giá trị
hiệu
- Chiều dài stator
L
160 mm
- Chiều rộng stator
Ws
40 mm
- Chiều rộng khe
bs
20 mm
- Chiều rộng răng
bt
20 mm

- Chiều rộng nam
bm
20 mm
châm
- Chiều cao nam châm hm
10 mm
- Khe hở khơng khí
geq
1 mm
- Chiều cao răng
hs
35 mm
- Chiều dài rotor
Lr
180 mm
- Chiều rộng rotor
Wr
40 mm
- Số vịng dây
N
300×8
vịng
Như máy phát điện thơng thường
PMLG có 2 phần rotor (phần dịch
chuyển) và stator. Rotor gồm hai mặt
gắn các nam châm vĩnh cửu được phân
cực, hướng phân cực của nam châm
châm vĩnh cửu ngược nhau giữa hai mặt
đối diện và ngược nhau trên cùng một
mặt, với mục tiêu giảm khối lượng dịch

-72-


Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang

chuyển phần chuyển động được chế tạo
bằng nhơm. Stator nằm bên ngồi bao
gồm hai lõi ferrit nhiều lớp được bố trí
song song với hai mặt gắn nam châm
vĩnh cửu, khe hở giữa nam châm và
stator là 1mm. Mỗi lõi ferrit được chia
thành 4 răng và các cuộn dây được quấn
quanh các răng của lõi ferrit. Một
chuyển động tuyến tính được giả lập
bằng cơ cấu bánh lệch tâm với khoảng
dịch chuyển ± 40mm. Rotor dịch chuyển
theo hướng nằm ngang do một motor
kéo với công suất 1,5 HP. Phần dẫn từ
của động cơ được làm bằng nam châm
đất hiếm NdFeB, đường kính của dây
đồng được chọn là 1,5 mm với 300 vòng
dây trên một răng.
2.2. Mơ phỏng đặc tính máy phát
2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
(The Finite Element Method - FEM)
Giống như máy phát điện thông
thường, nguyên lý PMLG vẫn dựa vào
hiện tượng cảm ứng điện từ nhưng
chuyển động giữa rotor và stator là
chuyển động tịnh tiến khác với chuyển

động tròn của động cơ quay. Nam châm
được gắn trên rotor chuyển động biến
đổi đều từ trường xuyên qua cuộn dây
sinh ra suất điện động và sinh ra dịng
điện. Khi các thơng số cuộn dây và kích
thước lõi được tìm thấy, việc lập mơ
hình và tìm các thơng số của máy phát
điện đóng một vai trò rất quan trọng. Đối
với điều này, phần mềm Maxwell Ansoft
V16 được sử dụng để giải quyết tất cả
các vấn đề về tĩnh từ. Những vấn đề này
được mô tả bằng phương trình vi phân
Maxwell.
Các nguyên tắc cơ bản của máy phát
điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu liên
quan nguyên lý từ trường và phương
trình Maxwell.
Định luật Ampere:
  H= J
(1)

Số 12/2022

Trong đó:
: tốn tử tính độ xốy cuộn của
trường vectơ
J: mật độ dòng
H: cường độ điện trường
Từ định luật Gauss:
B=0

(2)
Mật độ từ thông B liên hệ với H qua
cơng thức:
B=µH
(3)
Nếu vật liệu phi tuyến, thì từ thẩm
sẽ là một hàm của B:
µ=

(4)

Mật độ từ thơng B liên quan tới
vector từ thế A theo cơng thức:
B=A
(5)
từ phương trình (4) và (5) :


=0

(6)

Phương pháp phần tử hữu hạn
(Finite Element Method – EFM) là một
phương pháp số, cho phép giải phương
trình (6) được sử dụng cho các bài toán
tĩnh từ với các mối quan hệ B-H phi
tuyến. Hình 3 mơ hình mơ phỏng trên
Maxwell Ansoft V16 ,vị trí nam châm
đặt song song cuộn dây, ở vị trí này từ

thơng xun qua cuộn dây là lớn nhất.

Hình 3. Mơ hình mơ phỏng trên
Maxwell Ansoft V16
Kết quả mơ phỏng Hình 4 cho thấy
từ thơng của nam châm trong phần dịch
chuyển có thể chấp nhận trên thực tế Br
-73-


No.12/2022

= 1,2 T và Hình 5 từ thơng đi xun qua
cuộn dây cao nhất là 1,3 T và các đường
sức từ tạo ra vịng trịn khép kín xun
qua cuộn dây , tạo ra sức điện động cảm
ứng. Ngoài ra, sử dụng chức năng
matrix trong Maxwell Ansoft V16 cho
dòng điện 1 pha để tìm ra điện cảm trong
cuộn dây Ls = 24,404mH

Journal of Science, Tien Giang University

Hệ số Carter 𝐾𝑐 phải được tìm
thấy để mà tính tốn khe hở khơng khí
tương đương [16]:
Kc =

(7)

geq = KC ∙ ga

(8)

Mật độ thông lượng khe hở khơng
khí được tính theo cơng thức:
Ø=
Hình 4. Phân bố mật độ từ thông
trên bề mặt của PMLG

(9)

Br: từ thông của nam châm trong
lõi dịch chuyển
Hc =905000 A/m: Cường độ từ
trường cưỡng bức
Từ thẩm của không gian tự do µ0
được xác định là: µ0 = 4π × 10-7 T.m/A.

Hình 5. Phương chiều vector B
2.2.2. Mô phỏng các thông số đầu ra
máy phát

Điện áp cảm ứng sinh ra trong
cuộn dây:
e = R.i+Ls

Các thông số từ mô phỏng bằng
FEM và các thơng số kích thước ở Bảng
1 sẽ được đưa vào phần mềm Matlab để

mô phỏng các thông số đầu ra của máy
phát. Mục tiêu mơ phỏng tìm ra tốc độ
tạo ra điện áp, công suất để phù hợp với
tải điện trở RL = 3,5, điện trở nội cuộn
dây Ra = 0,6. Như vậy, phân tích hiệu
suất của máy phát điện 1 pha chuyển
động với tốc một tốc độ không đổi bằng
cách sử dụng mạch tương đương Hình 6.

(10)

Rph : điện trở pha
Ls : độ tự cảm pha
V: điện áp đầu cuối của máy phát
V= i.RL
i : dòng điện của pha
Điện áp cảm ứng pha chuyển động
tịnh tiến:
eph = KE.cos (

Hình 6. Mạch tương đương của máy
phát cho hoạt động trạng thái ổn định

(11)

).v(t)

(12)

z: Chuyển vị biến đổi đều của

phần dịch chuyển
-74-


Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang

z = A.sin(2.π.f.t -

)

Số 12/2022

Hình 7. Chuyển vị phần dịch chuyển
tại tốc độ 0.25 m/s và 0.5 m/s

(13)

A: Khoảng dịch chuyển của phần
dịch chuyển
f :Tần số chuyển động của phần
dịch chuyển
v(t) :vận tốc của phần dịch chuyển
v(t)= z’= 2.π.A.f.cos(2.π.f.t - )

(14)

KE = Ms .Ws. Nph. Φ. vav

(15)

Hình 8. Dịng điện I(A) tại tốc độ
0.25 m/s và 0.5 m/s

Phương trình vi phân cho dịng
điện pha
=

(16)

Hình 9. Điện áp U (V) tại tốc và 0.5
m/s

Công suất
Pout = eph.i

(17)

Độ dịch chuyển của phần dịch chuyển ±
40mm ở tốc độ tối đa 0,25m/s và 0,5m/s
trong Hình 7. Ở tốc độ dịch chuyển thấp,
công suất do PMLG tạo ra thấp, do phần
dịch chuyển có dạng hình sin nên điện
áp tạo ra gần như hình sin. Dịng điện từ
0,4A tăng lên 1,8A trong Hình 8, điện áp
tăng từ 3V lên 12V trong Hình 9 và cơng
suất tăng từ 1,2 W đến 15W trong Hình
10. Từ mơ phỏng, tốc độ tăng từ 0,25m/s
lên 0,5 m/s tuy tăng không đáng kể
nhưng công suất máy phát tăng từ 1,2W
lên 15W. KE.cos (

).v(t)

Hình 10. Cơng suất P (W)
2.3. Thực nghiệm
Mơ hình thực nghiệm thể hiện ở
Hình 11, số liệu thực nghiệm được lấy
bởi máy đo xung chuyên dụng XTOP4
31. Thực nghiệm ở 2 trường hợp với tải
RL=3,5 và loại bỏ tải RL.

-75-


No.12/2022

Journal of Science, Tien Giang University

Hình 11. Mơ hình thực nghiệm của
PMLG
1-Motor; 2-Biến tần; 3-Máy phát điện
Khi khơng có tải RL, Hình 12 cho
tốc độ thực nghiệm là 0,25m / s (tương
đương 250ms mỗi chu kỳ), hiệu điện thế
đạt được gần bằng 20V. Khi tăng tốc độ
lên 0,5 m / s (tương đương 150ms mỗi
chu kỳ) thì hiệu điện thế cao nhất là 40V
như Hình 13.

Hình 12.Điện áp tại tốc độ 0.25 m/s
– bỏ qua RL=3.5

Hình 13. Điện áp tại tốc độ 0.5 m/s
– bỏ qua RL=3.5
Với tải RL = 3,5, Hình 14 cho tốc độ
thí nghiệm là 0,25m / s thì hiệu điện thế
đạt được gần bằng 4V. Khi tăng tốc độ
lên 0,5 m / s thì hiệu điện thế cực đại là
15V như Hình 15.

Hình. 14. Điện áp tại tốc độ
0.25m/s – RL=3.5

Hình. 15. Điện áp tại tốc độ 0.5m/s
– RL=3.5
So sánh hai trường hợp thí nghiệm
thấy độ sụt điện áp lớn với tải. Tốc độ thí
nghiệm được điều chỉnh để gần đúng với
tốc độ mô phỏng, so sánh cho thấy điện
áp mô phỏng nhỏ hơn điện áp thí
nghiệm. Sự chênh lệch điện áp do số
vịng dây thực tế của stator khác với mơ
hình mơ phỏng vì làm bằng tay, tốc độ
thực nghiệm có thể nhanh hơn tốc độ mơ
phỏng do vấn đề điều khiển lực qn
tính. Ngồi ra, mơ hình thí nghiệm
khơng chỉ là mơ phỏng một cực từ để bổ
sung từ trường khi động cơ đảo chiều.
Kết quả chứng minh rằng điện áp máy
phát có thể được dự đoán cho các tốc độ
khác nhau. Các dạng sóng từ máy hiện

sóng gần giống như kết quả mơ phỏng.
3. KẾT LUẬN
Bài báo này đã đề xuất thiết kế và
chế tạo một mơ hình máy phát tuyến tính
một pha với cấu tạo đơn giản. Bằng các
cơ cấu giả lập mô phỏng chuyển động,
mục tiêu là khảo sát hoạt động của máy
phát ở tốc độ dịch chuyển thấp từ 0,25
m/s đến 0,5 m/s - theo tốc độ cao nhất vì
-76-


Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang

phần dịch chuyển của máy phát chuyển
động biến đổi đều theo hình sin, hành
trình dịch chuyển ngắn ± 40mm. Bằng
tính tốn, mơ phỏng các thông số như
mật độ phân bố từ thông, độ từ cảm…
bằng phần mềm Maxwell Ansoft V16 và
phần mềm Matlab mơ phỏng các giá trị
cơng suất và dịng điện từ đó tìm ra đặc
tính của PMLG. Các thơng số đầu ra của
máy phát được thực nghiệm ở tốc độ
khác nhau là giá trị để nghiên cứu, đánh
giá và đối chiếu với kết quả mô phỏng.
Từ mô phỏng cho thấy, với khoảng
dịch chuyển ±40mm khi tăng vận tốc từ
0,25m/s đến 0,5m/s điện áp tăng từ 3V 12V, dòng điện 0,4A - 1,8A, công suất
1,5W-15W. Mô phỏng đã được đối chiếu

với thực nghiệm qua thông số điện áp,
khi tăng tốc độ dịch chuyển từ 0,25m/s
đến 0,5m/s điện áp tăng từ 20V lên 40V
không tải RL và điện áp tăng từ 4V lên
15V với tải RL=3,5. Kết quả cho thấy,
các thông số máy phát từ việc mô phỏng
và thực nghiệm ở chế độ có tải là gần
giống nhau. Điều này chứng minh rằng,
chúng ta có thể chế tạo máy phát điện
tuyến tính trong nghiên cứu này để phục
vụ cho mục đích phát điện.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. J. Zou, M. Zhao, Q. Wang, J. Zou,
and G. Wu, “Development and
analysis of tubular transverse flux
machine with permanent magnet
excitation,” IEEE Trans. Industrial
Electronics, vol.59, no.5, pp.21982207, May 2012.
[2]. H. Jing, N. Maki, T. Ida, and M.
Izumi, “Electromechanical design of
an MW class wave energy converter
with an HTS tubular linear
generator,” IEEE Trans. Appl.
Supercond., vol. 28, no. 4, Jun.
2018, Art. no. 4902504

Số 12/2022

[3]. L. Huang, B. Hu, M. Hu, C. Liu,
and H. Zhu, “Research on primary

excitation fully superconducting
linear generators for wave energy
conversion,” IEEE Trans. Appl.
Supercond., vol. 29, no. 5, Aug.
2019, Art. no. 5203405
[4]. A. Gandhi and L. Parsa, “Thrust
optimization of a five-phase
faulttolerant flux-switching linear
synchronous motor,” in Proc. IEEE
Industrial Electronics Society Conf.,
pp.2067-2073, 2012.
[5]. Hodgins,
N.;
Keysan,
O.;
McDonald, A.S.; Mueller, M.A.
“Design and Testing of a Linear
Generator
for
Wave-Energy
Applications,”. IEEE Trans. Ind.
Electron. 59, 2094–2103,201,.
[6]. N. M. Kimoulakis, A. G. Kladas,
and J. A. Tegopoulos. “Power
Generation Optimization from Sea
Waves by Using a Permanent
Magnet Linear Generator Drive”. In:
IEEE Transactions on Magnetics
44.6 (2008), pp. 1530– 1533.
[7]. C. Liu, H. Yu, M. Hu, Q. Liu, S.

Zhou, and L. Huang, “Research on a
permanent magnet tubular linear
generator for direct drive wave
energy conversion,” IET Renewable
Power Generation, vol. 8, no. 3, pp.
281–288, 2014.
[8]. J. Hansson and M. Leksell.,
“Performance of a Series Hybrid
Electric Vehicle with a Free-Piston
Energy Converter,” IEEE Xplore,
2007.
[9]. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, “A
review of free-piston engine history
and applications,” Applied Thermal
Engineering, vol. 27, pp. 23392352, Oct 2007.
-77-


No.12/2022

Journal of Science, Tien Giang University

[10]. B. Jia, R. Mikalsen, A.
Smallbone, and A. Paul Roskilly, “A
study and comparison of frictional
losses in free-piston engine and
crankshaft
engines,”
Applied
Thermal Engineering, 2018.

[11]. Ondřej
Vysoký,
“Linear
combustion engine as main energy
unit
for
hybrid
vehicles,”
Proceedings of Transtec Prague.
Prague: Czech Technical University,
2007: p. 236-244.
[12]. Ocktaeck Lim, Nguyen Ba Hung,
Seokyoung Oh, Gangchul Kim,
Hanho Song, Norimasa Iida, “A
study of operating parameters on
the linear spark ignition engine,”.
Applied Energy, 2015. 160: p. 746760.
[13]. Subhash Nandkumar, Two-stroke
linear engine. 1998, Dissertation,
West Virginia University.
[14]. R. Mikalsen and A. P. Roskilly,
“The control of a free-piston engine
generator. Part 2: Engine dynamics
and piston motion control,” Applied
Energy, vol. 87, 2010.
[15]. Boru Jia, Zhengxing Zuo, Huihua
Feng, Guohong Tian, A. P. Roskilly,
“Development approach of a sparkignited
free-piston
engine

generator”. 2014, SAE Technical
Paper, No. 2014-01-2894.
[16]. F.
W.
Carter.
“Air-Gap
Induction”. In: Electric World and
Engineer 38.22 (1901),pp.884888.url: />a.x030741299.

-78-