Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do (Đề tài NCKH)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY
PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ
PISTON TỰ DO
Mã số: T2020-05TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

TP. HCM, Tháng 08 năm 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY
PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ
PISTON TỰ DO
Mã số: T2020-05TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt
Thành viên đề tài: TS Nguyễn Văn Trạng
ThS Huỳnh Quốc Việt

TP. HCM, Tháng 08 năm 2021


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI NGHIÊN
CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài: PGS. TS. Lý Vĩnh Đạt
Thành viên đề tài: Nguyễn Văn Trạng, Huỳnh Quốc Việt
Đơn vị phối hợp thực hiện: Bộ mơn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

i


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

MỤC LỤC
Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện.............................. i
Mục lục ...................................................................................................................... ii
Danh sách các hình....................................................................................................v

Danh sách các bảng ............................................................................................... viii
Danh mục các chữ viết tắt ...................................................................................... ix
Thông tin kết quả nghiên cứu ................................................................................ xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................1
1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................1
1.2. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ...............................................................3
1.1.1. Trong nước .................................................................................................3
1.1.2. Ngoài nước .................................................................................................3
1.3. MỤC TIÊU ....................................................................................................17
1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................17
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................................17
1.6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .........................................................................17
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................19
2.1. NĂNG LƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ......................................................19
2.1.1. Các định luật hiện tượng cảm ứng điện từ ...............................................19
2.1.1.1. Định luật Faraday..............................................................................19
2.1.1.2. Định luật Lenz ....................................................................................19
2.1.2. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm ..................................................................20
2.1.2.1. Hiện tượng tự cảm .............................................................................20
2.1.2.2. Hệ số tự cảm ......................................................................................20
2.1.2.3. Hiện tượng hỗ cảm .............................................................................21
2.1.3 Năng lượng điện cảm ................................................................................22
2.2. CÁC CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ....23
2.3. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM CHUYỂN ĐỘNG ......25

ii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

2.4. MƠ HÌNH MÁY ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM VĨNH CỮU
TRONG ANSYS MAXWELL ............................................................................29
2.4.1. Phương trình Maxwell .............................................................................29
2.4.2. Lập mơ hình bằng Chương trình MAXWELL 16v .................................29
2.4.2.1. Giới thiệu về Ansys Maxwell ..............................................................29
2.4.2.2. Giao diện của Maxwell ......................................................................30
2.4.2.3. Các bước để hoàn thành một dự án trên Maxwell .............................31
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ....34
3.1. ĐIỀU KIỆN BIÊN ........................................................................................34
3.1.1. Nhu cầu điện năng trên một chiếc xe lại sạc điện ....................................34
3.1.2. Cấu hình mơ – đun FPLG thiết lập ..........................................................35
3.2. TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ ............................................36
3.2.1. Chiều dài phần cảm ..................................................................................37
3.2.2. Độ rộng của cực và khoảng cách của khe ................................................38
3.2.3. Kích thước khe và răng ............................................................................38
3.2.4. Kích thước nam châm vĩnh cửu ...............................................................39
3.2.5. Kích thước thành phần cảm và phần ứng .................................................39
3.2.6. Thông số cuộn dây máy phát điện............................................................40
3.3. TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN TĨNH VÀ PHẦN ĐỘNG ........................44
3.4. THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3D CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH
TRÊN MAXWELL ..............................................................................................48
3.4.1. Thiết kế phần ứng .....................................................................................48
3.4.2. Thiết kế phần cảm ....................................................................................51
3.4.3. Tạo điểm đầu cuối cho những cuộn dây ..................................................54
3.4.4. Thiết kế khu vực chi tiết của mơ hình di chuyển và khu vực phầm mền
tiến hành mô phỏng ............................................................................................55
CHƯƠNG 4. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................58
4.1. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ...............58

4.1.1. Thiết lập các thơng số ..............................................................................58

iii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

4.1.2. Thiết lập sơ đồ mạch điện máy phát điện ................................................64
4.1.3. Thiết lập sơ đồ mạch điện của máy phát điện trong phần mềm Ansoft
Maxwell Circuit Editor ......................................................................................71
4.1.4. Chạy phần mềm và phân tích các kết quả ................................................73
4.2. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG SỐ ................................................74
4.2.1. Kết quả mô phỏng số ở tần số 15 Hz .......................................................74
4.2.2. Kết quả mô phỏng số ở tần số 35 Hz (v = 8.4 m/s)..................................78
4.2.3. Kết quả mô phỏng ở tần số 50 Hz (v = 12 m/s) .......................................79
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................82
5.1. KẾT LUẬN ....................................................................................................82
5.2. KIẾN NGHỊ ..................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................84

iv


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ phác thảo mơ-đun FPLG ..............................................................6
Hình 1.2. Các mơ hình phần tử hữu hạn của máy phát điện tuyến tính PM ..............8
Hình 1.3. Phân bố thơng lượng của mảng quasi-Halbach ..........................................8
Hình 1.4. Đường dẫn từ thơng của máy .....................................................................9
Hình 1.5. Mặt cắt ngang của máy điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu chuyển đổi từ
thông (FSPMLEM) và nguyên lý mạch từ khơng cân bằng của nó ..........................10
Hình 1.6. Sơ đồ máy PM mơ-đun hình ống ba pha, 10 cực, 9 khe ..........................11
Hình 1.7. Máy phát điện tuyến tính tại Đại học Giao thơng Thượng Hải ................12
Hình 1.8. Cơng suất riêng (a) và hiệu suất (b) so với tải ngoài. ...............................12
Hình 1.9. Cấu trúc máy phát tuyến tính của ngun mẫu đầu tiên của Toyota
Central R & D ..........................................................................................................13
Hình 1.10. Cấu trúc máy phát tuyến tính của nguyên mẫu thứ hai của Toyota
Central R & D ...........................................................................................................13
Hình 1.11. Hệ thống FPLG của Ferrari và Friedrich................................................14
Hình 1.12. Máy phát tuyến tính thế hệ thứ nhất của DLR .......................................14
Hình 1.13. Máy phát tuyến tính thế hệ thứ hai của DLR .........................................15
Hình 1.14. Trình diễn chức năng trên băng ghế thử nghiệm ....................................15
Hình 1.15. Cấu trúc máy phát điện tuyến tính của DLR ..........................................16
Hình 2.1. Cấu trúc cuộn dây .....................................................................................21
Hình 2.2. Hiện tưởng hỡ cảm ...................................................................................21
Hình 2.3. Năng lượng từ trường ...............................................................................22
Hình 2.4. Máy phát điện tuyến tính cuộn dây di chuyển..........................................24
Hình 2.5. Máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động...................................24
Hình 2.6. Máy phát điện tuyến tính sắt chuyển động ...............................................25
Hình 2.7. Một máy phát điện tuyến tính nam châm đơn với nam châm lị xo .........26
Hình 2.8. Nam châm ở một vị trí nhất định..............................................................26
Hình 2.9. Hình học và kích thước của máy phát điện. .............................................28
Hình 2.10. Mạch tương đương của PMLM. .............................................................28

v

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

Hình 2.11. Hình ảnh về ANSYS Maxwell 16 ..........................................................30
Hình 2.12. Giao diện của Maxwell ...........................................................................31
Hình 3.1. Năng lượng điện cần thiết trong chu kỳ lái xe mới của châu Âu .............34
Hình 3.2. Cơng suất cần thiết để lái xe với tốc độ không đổi ..................................35
Hình 3.3. Cách bố trí máy phát điện tuyến tính trên xe của DLR ............................36
Hình 3.4. Mơ hình FEM của một phần máy phát điện tuyến tính 4 mặt phẳng với
Stator 7.3 mm và translator 7.7 mm ..........................................................................44
Hình 3.5. Mật đồ từ thông phân bố trong lõi stator và translator trước khi tối ưu ...45
Hình 3.6. Mật độ từ thông phân bố trong lõi translator dày 14 mm ........................45
Hình 3.7. Mật độ từ thông phân bố trong lõi translator dày 18 mm ........................46
Hình 3.8. Hình chiếu bằng của máy phát điện tuyến tính ........................................47
Hình 3.9. Mặt cắt đứng của máy phát điện tuyến tính .............................................47
Hình 3.10. Vẽ phần ứng ...........................................................................................48
Hình 3.11. Các bước vẽ nam châm và stator ............................................................52
Hình 3.12. Các bước vẽ cuộn dây ............................................................................53
Hình 3.13. Các bước tạo Terminal ...........................................................................54
Hình 3.14. Band của mơ hình ...................................................................................56
Hình 3.15. Region của mơ hình ................................................................................57
Hình 4.1. Sơ đồ mạch điện của máy phát .................................................................64
Hình 4.2. Bảng Report để xem giá trị độ tự cảm của các cuộn dây .........................67
Hình 4.3. Bảng Report để xem giá trị độ hỗ cảm của các cuộn dây với nhau .........67
Hình 4.4. Giá trị độ tự cảm của các cuộn dây trong mô phỏng của Maxwell ..........67
Hình 4.5. Giá trị độ hỗ cảm của các cuộn dây trong mô phỏng của Maxwell .........68
Hình 4.6. Biểu đồ thể hiện các thông số theo hàm điện trở từ 0- 110

ở tần số 15

Hz ..............................................................................................................................70
Hình 4.7. Biểu đồ thể hiện các thông số theo hàm điện trở tới 20

ở tần số 15 Hz

...................................................................................................................................70
Hình 4.8. Một số thiết bị trong Compoments được sử dụng để vẽ mạch điện .........72

vi


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

Hình 4.9. Mạch điện của mơ hình máy phát điện tuyến tính có RL là 3.2 Ohm ứng
với tần số 15 Hz ........................................................................................................72
Hình 4.10. Bảng Edit External Circuit sau khi import mạch điện thành công .........73
Hình 4.11. Bảng Validation check khi các thông số đã được hồn thiện ................74
Hình 4.12. Đồ thị mật độ từ thơng B trên phần tĩnh (stator) ....................................74
Hình 4.13. Đồ thị mật độ từ thông B trên phần động (translator) ............................75
Hình 4.14. Đồ thị mật độ điện từ J trên cực cuộn dây ..............................................76
Hình 4.15. Đồ thị cường độ từ trường H trên cực cuộn dây ....................................76
Hình 4.16. Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 15 Hz ..................77
Hình 4.17. Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 15 Hz ......................77
Hình 4.18. Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 15 Hz ......................77
Hình 4.19. Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 35 Hz ..................78

Hình 4.20. Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 35 Hz ......................79
Hình 4.21. Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 35 Hz ......................79
Hình 4.22. Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 50 Hz ..................80
Hình 4.23. Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 50 Hz ......................80
Hình 4.24. Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 50 Hz ......................81
Hình 4.25. Biểu đồ công suất đầu vào, đầu ra của máy phát điện từ 15 Hz đến 50
Hz ..............................................................................................................................81

vii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Bảng chọn loại dây đồng American Wire Gauge.....................................41
Bảng 3.2. Thông số máy phát điện ...........................................................................43
Bảng 3.3. Thông số thành stator và translator ..........................................................46
Bảng 4.1. Điện trở tải mà máy phát điện tạo công suất đầu ra tôi đa, ứng với từng
tần số từ 15 Hz đến 50 Hz .........................................................................................71
Bảng 4.2. Công suất đầu vào Pin và công suất đầu ra Pout của máy phát điện ở các
tần số từ 15 Hz đến 50 Hz .........................................................................................81

viii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWS - Archimedes Wave Swing

Bộ thu năng lượng sóng

BIT - Beijing Institute of Technology

Viện Công nghệ Bắc Kinh

BDC - Bottom Dead Centre

Điểm chết dưới

CNG - Compressed Natural Gas

Khí nén tự nhiên

DLR – The German Aerospace Centre

Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức

EPA - Environmental Protection Agency

Cơ quan bảo vệ mơi trường

FPE - Free Piston Engine

Động cơ pít-tơng tự do

FPLE - Free piston linear engine

Máy phát điện tuyến tính pit-tơng tự do

FPLG - Free Piston Engine Linear Generator

Máy phát điện tuyến tính trên động cơ píttơng tự do

FPEC - Free piston engine converters

Chuyển đổi năng lượng pít-tơng tự do

FSPMLEM - Flux Switching Permanet

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu chuyển

Magnet Linear Electric Machine

đổi thông lượng

HCCI - Homogeneous charge compression

Đánh lửa nén đồng chất

ignition
KTH - Royal Institute of Technology

Viện Công nghệ Hồng gia

LEM - Linear Electric Machine

Máy phát điện tuyến tính

LPG - Liquefied Petroleum Gas

Khí hóa lỏng

LPMG - Linear permanent magnet generator

Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu

NUST - Nanjing University of Science and

Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh

Technology
PM - Permanent magnet

Nam châm vĩnh cửu

PCCI - Premixed charge compression ignition

Đánh lửa nén phí trộn sẵn

PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicles

Xe lai sạc điện

PMLEM - Permanent magnet linear electric

Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu

engine
SNL - Sandia National Laboratory

Phịng thí nghiệm Quốc gia Sandia

SJTU - Shanghai Jiao Tong University

Đại học Giao thông Thượng Hải

SMPMLEM - Surface Mounted Permanet

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu gắn trên

ix


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

Magnet Linear Electric Machine

bề mặt

TDC - Top Dead Centre

Điểm chết trên

Toyota Central R & D Labs Inc

Phịng Thí nghiệm Trung tâm Nghiên cứu và
Phát triển của toyota

TFPMLEM - Transverse Flux Permanet

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu thông

Magnet Linear Electric Machine

lượng ngang

WVU - West Virginia University

Đại học Tây Virginia

x


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CKĐ

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BẢN GIẢI TRÌNH CHỈNH SỬA BÁO CÁO TỞNG KẾT ĐỀ TÀI
NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM
1. Tên đề tài: Nghiên cứu mơ phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên
động cơ piston tự do
2. Mã số đề tài: T2020-05TĐ
3. Họ và tên, học vị, chức danh khoa học của chủ nhiệm: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt
4. Đơn vị công tác: Khoa Cơ khí Động lực
5. Giải trình chỉnh sửa báo cáo tổng kết đề tài:
TT

Nội dung góp ý của
Hội đồng

Kết quả chỉnh sửa, bổ
sung

Ghi chú
Hiện nay các cơng trình
nghiên cứu trong và ngồi
nước về mơ phỏng máy phát

1.

Cần so sánh với các
ứng dụng mơ phỏng
khác hoặc nghiên cứu
trước đó để tăng tính
tin cậy và hàm lượng

khoa học của kết quả
nghiên cứu.

Khơng có chỉnh sửa, bổ
sung

điện tuyến tính trên động cơ
free piston rất hạn chế và 1 số
trình có mơ phỏng máy phát
điện tuyến tính như phục vụ
cho phát điện ở các trạm điều
khiển tàu thuyền và đầu vào
dẫn động là sử dụng sóng biển.
Vì vậy, điều kiện biên của 2
cơng trình nghiên cứu khác
nhau nên không thể so sánh về
kết quả mô phỏng.
Việc tăng độ tin cậy của kết
quả nghiên cứu, tác giả đã có
phân tích, đánh giá tính hợp lý
kết quả mô phỏng trong
chương 4 “kết quả và thảo

xi


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

luận “thông qua các biên dạng
phát điện và các giá trị mô
phỏng được so sánh với việc
tính tốn trên các cơ sở khoa
học lý thuyế phù hợp với độ
sai lệch rất nhỏ. Điều này
chứng tỏ kết quả mơ phỏng rất
phù hợp và có độ tin cậy cao
Nội dung chỉnh sửa, bổ
sung

được

thêm

vào

trang 83 như sau:
Việc sử dụng động cơ
pit-tông tự do với ưu
điểm không trục khuỷu
giảm thiểu đáng kể tổn
hao ma sát và pit-tông
chuyển động tịnh tiến rất

2.

Những lợi ích khi sử
dụng loại động cơ
này cho máy phát

điện? khả năng ứng
dụng trong thực tế và
các khó khăn khi thực
hiện?

phù hợp cho việc ứng
dụng máy phát điện
tuyến tính. Điều này đem
lại khả năng phát điện đủ
đáp ứng việc cung cấp
điện cho động cơ Hybrid
hoạt động trên một
khoảng cách phù hợp như
trong kết quả mô phỏng.
Việc động cơ pit-tông tự
do đã được nghiên cứu
rất nhiều trên thế giới với
việc ứng dụng đa nhiên
liệu, đặc biệt là nhiên liệu
LPG có trữ lượng rất lớn
ở Việt Nam dùng để phát

xii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

điện cung cấp cho xe

Hybrid nên khả năng ứng
dụng nghiên cứu này ở
Việt Nam là hồn tồn
thực tế và có tính khả thi.
Tuy nhiên, việc điều
khiển chuyển động piston
trên FPLG, kiếm soát tỉ
số nén, điều khiển tốc độ
động cơ, điều khiển quá
trình cháy và thiết kế nhỏ
gọn, hiện đang là trở ngại
chính cho hoạt động
thuận lợi của FPLG cũng
như khó khăn cho việc
chế tạo thực tế.
Tác giải đã kiểm tra rà
3.

Kiểm tra, rà soát lỡi sốt lỡi chính tả và định
chính tả và định dạng dạng báo cáo tổng kết
bằng cách canh đều hàng
báo cáo tổng kết.
trong tồn bộ báo cáo.

4.

Hình 1.1 trong chương 1
Thay hình 1.1 chất đã được thay thế bằng
hình có độ rõ ràng và chất
lượng hơn.

lượng hơn ở trang 6.

Tp. HCM, ngày 29 tháng 09 năm 2021
Chủ nhiệm đề tài
(Ký và họ tên)

Lý Vĩnh Đạt
xiii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

T2020-05TĐ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. HCM, Ngày

tháng

năm

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu mơ phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston
tự do

- Mã số: T2020-05TĐ
- Chủ nhiệm: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 12 tháng
2. Mục tiêu:
Đề tài mơ hình hoá mơ phỏng máy phát điện tuyến tính ứng với các chế độ hoạt động
của động cơ free piston thông qua phần mềm chuyên ngành. Xem xét ảnh hưởng các thông
số của máy phát điện đến công suất, hiệu suất của máy phát ở các chế độ hoạt động khác
nhau của động cơ piston tự do.
3.Tính mới và sáng tạo:
Ngày nay động cơ đốt trong sử dụng phổ biến trên các phương tiện vận chuyển. Tuy
nhiên, động cơ đốt trong có nhược điểm là hiệu suất thấp, nhiên liệu hoá thạch sử dụng chủ
yếu ngày càng cạn kiệt, đặc biệt là các chất phát thải từ động cơ đốt trong gây ô nhiễm môi
trường. Vì vậy việc nghiên cứu các giải pháp sử dụng hiệu quả nhiên liệu và giảm chất thải
gây ô nhiễm môi trường trên động cơ đốt trong là vấn đề cấp bách hiện nay.
Động cơ piston dịch chuyển tự do kết hợp máy phát điện tuyến tính FPEG (Free Piston
Engine Generator) là một động cơ thế hệ mới hiện nay đang được nghiên cứu rộng rãi trên
thế giới với các ưu điểm là hiệu suất cao, sử dụng đa nhiên liệu trong quá trình hoạt động
cũng như phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường thấp. Chính vì lý do đó "nghiên cứu
mơ phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do" nhằm nghiên
cứu đánh giá đặc tính phát điện tương ứng với các chế độ hoạt động của động cơ free
piston, góp phần hồn thiện động cơ free piston ứng dụng vào thực tiễn.
4. Kết quả nghiên cứu:
Đề tài đã đề xuất ra một máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do dựa trên
cơ sở lý thuyết. Sau khi đề xuất mơ hình mơ phỏng máy phát điện tuyến tính, nghiên cứu
đã sử dụng phần mềm Maxwell để mô phỏng từ thông của máy phát điện tuyến tính. Qua

xiv

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

đó đã tối ưu hóa kích thước của translator và stator trong máy phát điện tuyến tính ở số
vịng quay khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy máy phát điện không bị bão hịa quá
mức từ thơng ở lõi phần tĩnh (stator) và phần động (translator). Với tần số động cơ pít-tơng
tự do từ 15Hz đến 50 Hz, cường độ dòng điện của máy phát điện tuyến tính dao động từ
2.3 A đến 3.4 A; điện áp pha dao động từ 26 V đến 88 V; điện áp cực dao động từ 14.7 V
đến 40 V; công suất đầu vào dao động từ 179.4 W đến 897.6 W; công suất đầu ra dao động
từ 101.4 W đến 448.8 W; và hiệu suất dao động từ 50% đến 56.5%.
5. Thông tin chi tiết sản phẩm:
-Sản phẩm khoa học:
+ Báo cáo khoa học (ghi rõ số lượng, giá trị khoa học): 01 bài báo khoa học
được đăng trên tạp chí quốc tế International Journal of Transportation
Engineering and Technology (IJTET)
+ Bài báo khoa học (ghi rõ đầy đủ tên tác giả, tên bài báo, tên tạp chí, số xuất
bản, năm xuất bản):
Lý Vĩnh Đạt, Nguyễn Thái Học, “A Study on Linear Generator Characteristics in
Free Piston Engine”, International Journal of Transportation Engineering and
Technology (IJTET), Special Issue: Transportation Engineering Technology
and Education. Vol. 7, No. 3, 2021, pp. 78-84. năm 2021
- Sản phẩm ứng dụng (bao gồm bản vẽ, mơ hình, thiết bị máy móc, phần mềm…, ghi rõ
số lượng, quy cách, cơng suất….): 01 chương trình máy tính mơ phỏng máy phát điện
tuyến tính trên động cơ piston tự do.
6.Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Nâng cao hiệu quả học tập nghiên cứu cho học viên sinh viên chuyên ngành, góp phần vào
việc ứng dụng các ứng dụng máy phát điện trên động cơ không trục khuỷu.
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

xv


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:

Project title: A Study on Linear Generator Characteristics in Free Piston Engine
Code number: T2020-05TĐ
Coordinator: Assoc PhD, Ly Vinh Dat
Member: PhD, Nguyen Van Trang; MS, Huynh Quoc Viet.
Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and
Education
Duration: 12 months
2. Objective(s):
The study has used Maxwell software that simulates linear generator in free piston
engine at various operating modes. The study also examines the effects of proposed
generator parameters on generator performance, efficiency at different operating modes in
free piston engine.

3. Creativeness and innovativeness:
Nowadays, internal combustion engines are used popularly in transportation.
However, they have some drawbacks as: low efficiency, high fuel consumption and

emissions that create environment pollution. Hence, study find some improvement
methods about alternative fuels and emission improvement in internal combustion engine
is really necessary in this period.
Free piston engine, compares to linear generator (FPEG), is a new generation engine that is
studied by researcher in the world. The linear generator free piston engine has some
benefits as: has high efficiency, be able to use alternative fuels and produces low pollution
emissions. So “A Study on Linear Generator Characteristics in Free Piston Engine”
investigates and evaluates generator characteristics at various operating modes in free
piston engine. The study results contribute to complete free piston that apply in Hybrid
alternator in future.

4. Research results:
The study proposed a linear generator in free piston engine that based on theory.
The proposed model is simulated by Maxwell software that simulates the flux density for
linear generator. Besides, the parameters of translator and stator in generator have been
optimized at different engine speed. The simulation results show that the generator is not
excessively saturated with flux at stator) and translator. With free-piston motor frequencies

xvi


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

T2020-05TĐ

from 15Hz to 50 Hz, the current of linear generators has value from 2.3 A to 3.4 A; Phase
voltage ranges from 26 V to 88 V; Pole voltage ranges from 14.7 V to 40 V; Input power
ranges from 179.4 W to 897.6 W; Output power ranges from 101.4 W to 448.8 W; and the
efficiency ranges from 50% to 56.5%, respectively

5. Products:
-

01

published

paper

in

International

Journal

of

Transportation

Engineering and Technology (IJTET), 2021

- Ly Vinh Dat, Nguyen Thai Hoc “A Study on Linear Generator Characteristics in Free
Piston Engine”, International Journal of Transportation Engineering and Technology
(IJTET), Special Issue: Transportation Engineering Technology and Education. Vol. 7,
No. 3, 2021, pp. 78-84, 2021

6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
The study takes part in studying and teaching for researcher and contribute
complete free piston engine that will be applied in Hybrid.

xvii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS: T2020-05TĐ

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn dầu thơ của Trái đất ngày càng giảm, mối quan tâm ngày càng tăng
về ô nhiễm môi trường, tiêu thụ nhiên liệu và tiêu chuẩn khí thải buộc các nhà sản
xuất ơ tơ và xe tải phải nỗ lực không ngừng để thiết kế, sản xuất và đưa ra thị
trường các loại xe ít ô nhiễm hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn.
Theo dự đốn của Ivanhoe, sản lượng dầu thơ sẽ giữ ở mức tăng nhẹ cho đến
năm 2010, sau đó sẽ giảm dần và vào năm 2050, sản lượng dầu sẽ ở mức xấp xỉ
25% so với ngày nay. Các nỗ lực đã được thực hiện để sử dụng các nhiên liệu gốc
hydrocacbon khác như khí nén tự nhiên (CNG) và khí hóa lỏng (LPG), nhưng kết
quả cuối cùng sẽ khơng bị thay đổi đó là trữ lượng dầu thơ sẽ cạn kiệt. Việc sản
xuất nhiên liệu giảm sẽ dẫn đến giá nhiên liệu ngày càng tăng, buộc xã hội loài
người phải tiết kiệm với dầu mỏ và cuối cùng phải tìm các nguồn năng lượng thay
thế.
Mặt khác, chất lượng khơng khí kém ở các đơ thị do khí thải phương tiện
giao thông gây ra là mối quan tâm và ảnh hưởng đến tồn bộ người dân địa phương.
Khói mù kéo dài xung quanh các thành phố lớn thể hiện mối nguy hiểm nghiêm
trọng đối với sức khỏe cư dân của các khu vực đơ thị vì nó là ngun nhân chính
gây ra bệnh hen suyễn, dị ứng và các bệnh hơ hấp khác. Để cải thiện chất lượng
khơng khí ở các khu vực đơ thị và cùng với đó là giảm thiểu các nguy cơ đối với
sức khỏe và cải thiện các vấn đề về tầm nhìn bắt nguồn từ khí thải của các phương
tiện giao thơng. Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đã thiết lập các tiêu chuẩn khí
thải buộc các nhà sản xuất xe phải sản xuất các loại xe thải ít khí thải hơn. Xu

hướng này cũng tương tự đối với các quy định về khí thải của Nhật Bản và Châu
Âu.
Việt Nam là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và được định
hướng trở thành nước cơng nghiệp. Cùng với q trình cơng nghiệp hố hiện đại
hố của đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển cho nên nhu cầu vận
chuyển hàng hóa ngày càng tăng trên cả đường biển, đường bộ và đường hàng
Trang 1


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS: T2020-05TĐ

không. Phương tiện giao thơng đường bộ giúp vận chuyển hàng hóa nhanh chóng
giữa các khu vực, đồng thời giúp cho sự phát triển nhanh chóng về kinh tế và các
mặt khác của xã hội. Bên cạnh đó hoạt động của các phương tiện giao thông gây
ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và mơi trường một cách nghiêm trọng do lượng
khí thải của các phương tiện này gây ra song song đó trái đất ngày càng nóng lên do
hiệu ứng nhà kính, con người đang chịu ảnh hưởng trực tiếp từ việc biến đổi khí
hậu. Đây là động lực để các nhà nghiên cứu trên thế giới nghĩ đến việc cải tiến động
cơ đốt trong truyền thống, cũng như tích hợp các bộ chuyển động năng lượng mới
để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải và bảo vệ
mơi trường.
Xu hướng điện khí hóa ở ngành công nghiệp bốn bánh đã tiến xa hơn quá
khứ. Việc sử dụng những nguồn năng lượng thay thế đang là xu hướng của thời đại
mới, áp dụng các nguồn năng lượng sạch như điện vào phương tiện giao thông là
một trong những giải pháp tốt nhất nhằm giảm phát thải khí CO2 ra mơi trường. Sự
ra đời gần đây của xe điện (Battery Electric Vehicles, BEV) như là một điều tất yếu,
nhưng động cơ đốt trong vẫn có thể tồn tại một thời gian dài nữa như là một thành
phần của plug-in hybrid. Xe lai sạc điện (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV)

là một hệ thống plug-in hybrid gồm có bộ đôi động cơ điện và một động cơ xăng.
Động cơ điện được hỗ trợ bởi một bộ pin lithium-ion. Động cơ xăng sẽ được kích
hoạt khi bộ pin cạn kiệt và hoạt động chủ yếu như một máy phát điện, điều này sẽ
giúp xe lai sạc điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện. Khắc phục
được điểm yếu lớn nhất của xe điện là quãng đường đi được bị hạn chế. Vì pin dùng
cho đơng cơ điện cũng đồng thời làm ắc quy, nên việc nghe nhạc, xem phim hay các
ứng dụng trực tuyến cũng đều ảnh hưởng đến quãng đường đi được của xe điện.
Ngoài ra các yếu tố tốc độ, cách lái xe và địa hình cũng làm phạm vi hành trình thay
đổi khá nhiều.
Hiện nay, động cơ xăng chạy máy phát điện sử dụng trên xe plug-in hybrid của
các hãng ô tô trên thế giới là động cơ chu kỳ Atkinson, nhiều nhà sản xuất đặt tên là
động cơ "van biến thiên", có khả năng tăng thể tích kỳ dãn nổ, giảm thể tích kỳ hút
nén, được đánh giá là hiệu quả nhiên liệu hơn động cơ xăng thông thường 10%, con
Trang 2


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS: T2020-05TĐ

số này vẫn chưa làm các nhà nghiên cứu hài lòng nên đã phát triển một thế hệ bộ
đôi động cơ điện và một động cơ xăng mới thay thế. Động cơ pít-tơng tự do đã
được phát triển bởi một số nhóm trên tồn thế giới, cả trong học viện và cơng
nghiệp. Một trong những động lực chính của những nỗ lực nghiên cứu này được
cho là tiềm năng của động cơ pít-tơng tự do kết hợp với máy phát điện tuyến tính để
tạo nên một hệ thống máy nổ - phát điện mới được đặt tên "Máy phát điện tyến tính
trên động cơ pít-tơng tự do" (Free Piston Engine Linear Generator, FPLG) để cung
cấp cho xe lai sạc điện (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV) một máy phát
điện nhỏ gọn và hiệu quả.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước.

1.2.1. Nghiên cứu trong nước.
Hiện nay, máy phát điện tuyến tính chưa nhận được nhiều sự chú ý ở nước ta.
Nên các nghiên cứu, báo cáo còn khá khiêm tốn, các nhóm nghiên cứu chủ yếu là từ
một số trường Đại học lớn trong nước như: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM,
Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Bách khoa Hà Nội,… nghiên cứu về máy
phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tơng tự do cho ơ tơ và Đại học hàng hải Việt
Nam nghiên cứu về máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cữu trong
khai thác điện song biển. Các nghiên cứu mới chỉ dừng tính tốn thiết kế và ở mơ
phỏng trên các phần mềm Ansoft Maxwell, Matlab/Simulink, Ansys Symplorer,
FEMM, ...
1.2.2. Nghiên cứu nước ngoài.
Nhiều cuộc điều tra đã được tiến hành kể từ khi khái niệm FPLG đầu tiên
được đề xuất bởi nhà nghiên cứu người Canada Kos vào những năm 1990 [1]. Các
FPLG được nghiên cứu nói chung có thể được phân loại thành các loại xi lanh đơn,
pít-tơng kép và các loại pít-tơng đối nghịch [2].
Nhiều tổ chức, chẳng hạn như Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR),
Toyota Central R & D Labs Inc. (Toyota) và Đại học Khoa học và Công nghệ Nam
Kinh (NUST), đã thực hiện nhiều nghiên cứu về FPLG xi lanh đơn. Kock và cộng
sự tại DLR đã phát triển một FPLG xi lanh đơn hai kỳ với lị xo khí hoạt động như
một thiết bị hồi phục [3-6]. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy nó có thể tạo ra công suất
điện khoảng 10 kW ở tần số 21 Hz. Cơng suất đầu ra có thể được cải thiện hơn nữa
Trang 3


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS: T2020-05TĐ

lên đến 25 kW bằng cách tăng tần số chuyển động lên đến 50 Hz. Kosaka và cộng
sự tại Toyota cũng đã phát triển một lị xo khí hai kỳ phục hồi ngun mẫu FPLG xi

lanh đơn [7, 8]. Piston được thiết kế đặc biệt theo cấu trúc hình chữ W, có lợi cho
hoạt động trong thời gian dài vì nó có thể ngăn nam châm khử từ do quá trình gia
nhiệt. Theo báo cáo, FPLG có thể nhận ra hoạt động liên tục kéo dài khoảng 4 giờ,
có thể cung cấp sản lượng điện 10,4 kW với hiệu suất tổng thể là 36,2%. Xu và
Chang tại NUST đã phát triển một nguyên mẫu bốn thì với sự phục hồi cơ học của
lị xo. Máy điện tuyến tính được thiết kế để trở thành động cơ điện một chiều cuộn
dây chuyển động (VCM). Cơng suất phát trung bình chỉ đạt 2,2 kW với hiệu suất
phát điện là 32% [9].
FPLG kiểu pít-tơng kép là một cấu hình phổ biến đã được nghiên cứu rộng
rãi bởi nhiều học viện như Viện Cơng nghệ Hồng gia (KTH), Đại học Tây Virginia
(WVU), Đại học Giao thông Thượng Hải (SJTU), Đại học Newcastle và Viện Công
nghệ Bắc Kinh (BIT). Hansson và cộng sự tại KTH [10] đã phát triển một ngun
mẫu FPLG pít-tơng kép. Cơng suất định mức của máy phát điện là gần 29 kW. Hiệu
suất hệ thống trung bình là 23%. Cơng việc của họ chủ yếu tập trung vào thiết kế tối
ưu hóa máy điện tuyến tính được sử dụng đặc biệt trong FPLG. Shoukry và cộng
sự. tại WVU đã thiết lập một nguyên mẫu hai thì pít-tơng kép, có thể tạo ra cơng
suất điện đầu ra cực đại là 316 W với tần số 23,1 Hz [11]. Xiao và cộng sự tại SJTU
cũng đã nghiên cứu FPLG pít-tơng kép. Họ cũng phát triển một nguyên mẫu và các
đặc điểm chuyển động của nguyên mẫu đã được nghiên cứu kỹ lưỡng [12].
Mikalsen và cộng sự tại Đại học Newcastle đã thực hiện các nghiên cứu có
hệ thống tập trung vào cấu hình FPLG pít-tơng kép, bao gồm thiết kế, mơ hình hóa,
mơ hình hóa nhiệt động lực học và các chiến lược điều khiển [13-15]. Gần đây hơn,
Roskilly hợp tác với Jia et al tại BIT đã phát triển một nguyên mẫu hai piston được
ước tính có tiềm năng tạo ra cơng suất điện 3,76 kW với hiệu suất 34,5% [16].
Ngồi ra cịn có một số nghiên cứu về FPLG pít-tơng đối nghịch. Van
Blarigan và cộng sự tại Phịng thí nghiệm Quốc gia Sandia (SNL) đã phát triển một
ngun mẫu pít-tơng đối nghịch. Mục tiêu của họ là thiết kế FPLG 30 kW làm pin
Trang 4

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS: T2020-05TĐ

nhiên liệu cho xe điện hybrid [17, 18]. Họ nhận thấy rằng việc điều khiển đồng bộ
FPLG pít-tơng đối nghịch tương đối khó hơn so với loại pít-tơng đơn và pít-tơng
kép.
Từ các cơng trình nghiên cứu trước đây, chúng ta có thể thấy rằng với FPLG
xi lanh đơn, việc kiểm soát hoạt động ổn định dễ dàng hơn so với các loại pít-tơng
kép và pít-tơng đối nghịch. Do đó, FPLG pít-tơng đơn với thiết bị hồi phục lị xo
khí được coi là một trong những thiết kế có triển vọng. Tuy nhiên, việc vận hành ổn
định trong thời gian dài của FPLG xi lanh đơn vẫn là một bài tốn khó. Bên cạnh
việc thiếu các chiến lược kiểm soát hiệu quả, thiết kế hệ thống khơng phù hợp cũng
có thể dẫn đến hoạt động khơng ổn định. Để giải quyết những khó khăn trên, Trung
tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) đã nghiên cứu thiết kế máy phát điện tuyến tính
dạng phẳng kết với công nghệ động cơ “đối đỉnh” trên động cơ pít- tơng tự do [3].
Ngun tắc chức năng cơ bản của các thiết kế được trình bày trong hình 1.1 là giống
hệt nhau: Năng lượng tích trữ trong nhiên liệu được chuyển đổi theo chu trình đốt
trong hai kỳ trong bộ đốt. Sự gia tăng áp suất do sự tỏa nhiệt sẽ di chuyển các bộ
phận pít-tơng về phía lị xo khí. Trong lị xo khí, khơng khí được nén để lưu trữ
năng lượng được sử dụng để đảo ngược chuyển động của pít-tơng và tăng tốc píttơng về phía tâm chết trên cùng của quá trình đốt cháy. Máy phát điện tuyến tính
thực hiện việc khai thác năng lượng được giải phóng trong hệ thống con của bộ đốt.
Do đó, năng lượng được trích xuất trong giai đoạn giãn nở cũng như nén. Máy phát
điện tuyến tính bao gồm một động cơ có nam châm vĩnh cửu và các cuộn dây được
cố định trong vỏ, tạo thành stator.
Do các lực khối lượng sinh ra từ chuyển động dao động của khối pít-tơng
trong động cơ pít-tơng tự do, sự phát triển ở DLR nhằm mục đích tạo ra một hệ
thống có hai pít-tơng đối nghịch. Với sự đồng bộ hóa thích hợp của các đơn vị píttơng, thiết lập này cho phép bù đắp hoàn toàn tất cả các lực khối. Điều này có thể
đạt được, ví dụ bằng cách sắp xếp được thể hiện trong hình 1.1.

Trang 5


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS: T2020-05TĐ

Hình 1.1 Sơ đồ phác thảo mô-đun FPLG [4]
a) Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế buồng đốt đơn
b) Thiết kế lò xo khí trung tâm
c) Thiết kế buồng đốt trung tâm
d) Thiết kế buồng đốt trung tâm với lị xo khí tích hợp
Sự sắp xếp đầu tiên trong hình 1.1 bao gồm hai đơn vị đốt riêng biệt, máy
phát tuyến tính và lị xo khí. Sự kết hợp của hai hệ thống con cung cấp khả năng
giảm chiều dài và trọng lượng của FPLG. Do đó, lị xo khí hoặc các buồng đốt có
thể được hợp nhất (thiết kế b và c). Với sự tích hợp của lị xo khí ở phía sau của
pít-tơng đốt, có thể giảm thêm chiều dài, hiệu suất nhiệt cao hơn và lợi thế về sự
đồng bộ hóa của hai bộ pít-tơng, DLR đang phát triển hệ thống FPLG với buồng
đốt trung tâm (thiết kế d). Sự sắp xếp này cũng là cơ sở cho việc thiết kế máy phát
điện tuyến tính trên động cơ pít-tơng tự do, trong bài viết này.
Liên quan đến máy phát điện tuyến tính (Linear Electric Machine, LEM) có
rất nhiều nghiên cứu liên quan như: Nghiên cứu các cơng nghệ chính của thiết kế
Trang 6