Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
I HC BÁCH KHOA HÀ NI




NGUY





















LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIN












HÀ NỘI – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
I HC BÁCH KHOA HÀ NI




NGUY












Chuyên ngành: K thut đin
Mã số: 62520202

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIN





NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. BI ĐNH TIẾU
2. TS. PHẠM HNG PHI






HÀ NỘI – 2015


3





LỜI CAM ĐOAN

trình nghiên cu ca tiêng tôi. Các s liu, kt qu trình
bày trong Lun án này là trung thc ai công b trong bt c công trình
nào khác!


Hà Ni, ngày tháng 




Nguy



TP TH NG DN KHOA HC





u TS. Phm Hùng Phi

4

LI C

Tác gi c by t li cc nhn hai thng dn khoa hc trc
tiu và TS. Phm Hùng Phi. Nhi thy tn tâm, thu hiu
và luôn tu kin nghiên cu tt nh tác gi có th yên tâm thc hin lun án.
Tác gi xin trân trng cn Hng Thanh và
TS Lê Huy Bình. Ba thi gian quý báu c c quy
nh s hoàn thin lun án ca mình.
Tác gi luôn trân trng c tr v công ngh ch
to và tr giúp nhit tâm cho mô hình thc t mà tác gi c hi
th ng ý kin quý giá giúp cho tác gi hoàn thành tt
mô hình thc t ca mình.
Tác gi xin trân trng cng Qu TS. Bùi
nh và ThS. Hà Xuân Hòa ng viên và lng nghe nh và thc
mc mà tác gi gp phi trong quá trình thc hin lun án ca mình.
Tác gi  li cn TS. Trng viên và
ch bo nhng kinh nghim quý giá ca mình giúp cho tác gi t qua nhng quãng
u khoa hc.





 Lê Xuân


Tác gi trân trng cp th các thy cô, các bng nghip ca b môn Thit
B n  n T u kin thun li nht v th vt ch tác gi
hoàn thành tt ni dung lun án ca mình.
Cui cùng, tác gi thc s cng và t  lòng bin
các Bc sinh thành và i v yêu qu bên tác gi nhng
t, nhng lúc mt mi nh  h tr v tài chính và tinh
thn, giúp tác gi có th ng vng trong quá trình nghiên cu và hoàn thin bn lun án
này.

Tác gi lun án




Nguy


5

MC LC
Trang

DANH MC CÁC KÍ HIU VÀ CH VIT TT 8
DANH MC CÁC BNG 15

DANH MC CÁC HÌNH  TH 16
M U 19
1.  22
1.1 So sánh gi 23
1.2  25
1.3 C 27
1.4  29
1.5 Các nghiên cu h tr thit k 29
1.6 T 33
1.7  33
1.8 Kt lun 34
2.  36
2.1 u 36
2.2  37
2.2.1  37
2.2.2  38
2.3  39
2.3.1  39
2.3.2  40
2.3.3  43
2.4  45
2.5  46
2.5.1  46
2.5.1.1  46
2.5.1.2  46
2.5.2  48
2.6  49
2.6.1  49
2.6.2  50

6

2.6.3  50
2.6.4  51
2.6.5  51
2.6.5.1  51
2.6.5.2  53
2.7  53
2.7.1  54
2.7.2  55
2.7.3  57
2.8  58
3.  59
3.1  59
3.1.1  59
3.1.2  61
3.1.2.1  61
3.1.2.2  62
3.1.2.3  62
3.1.2.4  64
3.2 
 68
3.3   1 69
3.3.1   1 69
3.3.2  72
3.3.2.1   1 73
3.3.2.2  74
3.4  74
3.4.1  74
3.4.2  81

3.5 Kt qu kh 81
3.5.1  82
3.5.2  82
3.5.2.1  82
3.5.2.2  83

7

3.5.2.3  86
3.6  88
4.  90
4.1  90
4.2  90
4.3  91
4.4  92
4.4.1  93
4.4.2  94
4.4.3  95
4.5  95
4.5.1  95
4.5.2  95
4.5.3  95
4.5.4  96
4.5.5  97
4.5.5.1  97
4.5.5.2  98
4.5.5.3  99
4.5.5.4  99
4.5.5.5  100
4.6  101

4.7  102
4.7.1 ng 102
4.7.1  104
4.7.2  105
4.8  106
5. KT QU VÀ BÀN LUN 108
KT LUN VÀ KIN NGH 110
TÀI LIU THAM KHO 111
 118
PH LC 119


8

DANH MC CÁC KÍ HIU VÀ CH VIT TT

Kí hiu /
Vit tt


A
Wb.m
-1
Vecto t th
AM

i tích
a
m
Chiu rng vành ngn mch

a
1


S mch nhánh song song
B
T
M t thông
B
g

T
M t thông khe h không khí




T
M t thông khe h không khí t
B
m

T
M t m làm vic ca nam châm




T
Giá tr tính toán ca m t thông nam châm





T
 thành phn t thông xoay chiu bc 1
B
r

T
M t 
B
ts

T
M t 
B
tr

T
M t rotor
B
sy

T
M t thông gông stator
B
ry

T

M t thông gông rotor
B
s0

m
 m ming rãnh stator hoc rotor
B
s1
m
ng kính nh rãnh stator hong kính ln rãnh rotor
B
s2

m
ng kính ln rãnh stator hong kính nh rãnh rotor
b
m
Chiu cao vành ngn mch
b
b

m
 cc
b
tr

m
Chiu r
b
ts

m
Chiu r
C
1


H s n
Cost

Hàm chi phí tng
D
m
ng kính trong stator
DAI-Labvol

H thng thu thp s liu ca hãng Labvol
DC

t chiu
D
1
m
ng tròn ngoi tip nam châm
D
lmax
m
ng tròn ngoi tip ln nht
D
n

m
ng kính ngoài stator
D
nr

m
ng kính ngoài rotor
D
nv

m
ng kính ngoài vành ngn mch
D
tr
m
ng kính trc rotor
D
tv

m
ng kính trong vành ngn mch
D
vr

m
ng kính trung bình ca vòng ngn mch
d
m
ng kính dây dn
d

cd

m
ng kính dây dn có k n
E
Vm
-1
 ng

9

EMF


E
nc

V
Sng cm ng ca nam châm
F
g


Sc t ng khe h không khí
F
tr


Sc t 
F

ts


Sc t 
F
sy


Sc t ng gông stator
F
ry


Sc t ng gông rotor
FEA

Phân tích phn t hu hn
FEM

n t hu hn
FM


f
Hz
Tn s
f


Hz

Tn s nh mc
GA

Thut toán di truyn
G
t1

kg
Tr
G
y1

kg
Trng gông stator
G1

Hàm mc tiêu v hiu sut
G2

Hàm mc tiêu v
G3

Hàm mc tiêu v th tích nam châm
g
m
 rng khe h không khí



m

Khe h c d
g
e

m
 rng khe h không khí hiu qu




m
Khe h c q
H
A/m
 t ng
H
ci

A/m
 kháng t ni
H
i

A/m
 kháng t
H
m

A/m
 t ng cm làm vic nam châm

H
tr

A/m
 t 
H
ts

A/m
 t 
H
sy

A/m
 t ng gông stator
H
ry
A/m
 t ng gông rotor
Hs0
m
Chiu cao ming rãnh stator hoc rotor
Hs2
m
Chiu cao phn thng rãnh stator hoc rotor
h
ry
m
Chiu cao gông rotor
h

sl
m
Chiu cao toàn b rãnh stator
h
sy
m
Chiu cao gông stator
h
t

m
 dy lá thép
IM

ng b
IPM

ng b nam châm gn chìm
I
tj
A
n chy qua thanh dn lng sóc th j



A
Ma trn các thanh dn




A
Ma trn cn ngn mch
I
1

A
nh mc

10

I
d

A
Thành phn trc d
I
q

A
Thành phn trc q
i(t)
A
c tính bu t thm xác lp t
1

I
f

A
Giá tr hiu dng cn pha

I

A
Dòng khng
J
A/mm
2
M n
J
1

A/mm
2

M n stator
J
j

A/mm
2

M n ca thanh dn th j
K
c


H s Carter
K
lm

H s t thông rò
k
c


H s tn tht lõi theo dòng xoáy
k



H s ly
k
dq

H s dây qun stator
k
E

H s sng
k
e


H s tn tht d ng
k
fq


H s hình dáng t hóa ngang trc

k
fd


H s hình dáng t hóa dc trc
k
Fe

H s ép cht lá thép
k
h


H s tn tht lõi theo mt tr
k
i


Bi s dòng khng
k
m

Bi s momen
k
sat

H s bão hòa
k
t

H s tn tht lõi
k
r1

H s qun ri
k
y


H s c ngn
L
m
Chiu dy cung z
L
b

m
Chiu dài thanh dn lng sóc
L
j

m
Chiu dài thanh dn th j
L
m

m
Chiu dy nam châm
L

n

H
n cm cun dây stator
L
s

m
Chiu dài tác dng ca lõi st stator




H
n cm vòng dây th j
L
tj
m
Chiu dài thanh dn lng sóc th j



H
Ma trn n cm ca tn ngn mch
LSPMSM

ng b u khng trc
tip t i
l
c

m
Chiu dài cun phu ni
l
mag
m
Ching mch t
l
le
m
Chiu dài phu ni
l
sy
m
Chiu dài gông stator
l
ts

m
Chi
l
tr
m
Chi

11

l
ry
m
Chiu dài gông rotor

M

Vecto t hóa
M


Nm
nh mc
M


Nm
n t
M
db

Nm
ng b
M
ch
Nm

M
kd
Nm
Momen khng
M
ls
Nm
Momen lng sóc

M
ms
Nm
Momen ma sát
M
p

Nm
Momen 
M
pk

Nm
Momen phn kháng
M
T

Nm
Momen ti trên tr
m

S 
NdFeB

t him
n


vph
T 

O
1

m
Khong cách nam châm so vi tâm trc
O
1max

m
Khong cách nam châm ln nht so vi tâm trc
PC

H s t thm
P
c

W
Thành phn tn thn xoáy gây ra
P


W
Công sunh mc c
P
e

W
Thành phn tn tht d ng
PEIM


P
h

W
Thành phn tn tht do mt tr t hóa B-H
PMSM

ng b u
P
in

W
Công suu vào
P
out

W
Công suu ra trên tr
P


W
Tn th
P
cu

W
Tn thng trên dây qun stator
P

Fe

W
Tn tht lõi st
P
ph

W
Tn tht ph





W
Tng tn th
p

S cp cc
p
c


T lai to
p
m

T bin d
p
10

W/kg
Sut tn hao ca thép
p
t1

W
Tn th
p
y1

W
Tn tht thép trên gông stator
q

S rãnh mi mt cc
(R
b
)
20

n tr thanh dn rotor  20
0
C
(R
b
)
75

n tr thanh dn rotor  75

0
C
(R
e
)
20

n tr vòng ngn mch rotor  20
0
C
(R
e
)
75

n tr vòng ngn mch rotor  75
0
C

12

R
j


n tr mt chiu trên thanh dn th j
R
lsj

n tr thanh dn lng sóc th j






n tr vòng dây th j





n tr i v phía stator
R
s


n tr pha cun dây stator
R
r


n tr rotor




Ma trn tr ca tn ngn mch









n tr stator ng vn mt chiu  nhi 75
0
C








n tr stator ng vn mt chiu  nhi 20
0
C
S
m
2

Tit din hiu qu ca mch t
S
g

m
2

Din tích khe h c cc
S
nc
m
2

Din tích nam châm
S
r

m
2
Tit din hu ích ca rãnh
S
r1

m
2
Tit din rãnh tính c nêm
S
ry
m
2

Din tích gông rotor
S
sy
m
2

Din tích gông stator
S
td
m
2

Tit din thanh dn lng sóc
S
v

m
2

Din tích vành ngn mch
s

H s t
s
k


H s t ng vi momen max
s
pmax

H s t ng vi momen  ln nht
s
j

m

2

Tin ngang ca thanh dn th j
s
vg

m
2

Tit n ngang ca vòng dây
s
d

m
2

Tit din dây dn
s
tj
m
2

Tit din ngang ca thanh dn lng sóc th j
SPM

n b mt
SynRM

ng b
t

1

s
Thm bu tính thi gian xác lp
t
2
s
Thm kt thúc khong thi gian xác lp
U
f

V
Giá tr hiu dng cn áp pha
U
1

V
n áp ngun cp
u
r1

Thanh
S ng thanh dn trong mt rãnh
V
cu

V
n áp cm ng trên thanh dn





V
n áp cm ng trên dây qun pha stator
V
dd
V
n th dây dn




V
n th thanh dn v




V
n th thanh dn v
V
nc

m
3

Th tích nam châm




m
3

Th tích nam châm t



V
Ma trn th trên thanh dn
V
x

V
Th tm x

13

V
y

V
Th tm y
W
f

m
Khong cách cu ni
W
m

m
Chiu rng nam châm




m
Chiu rng nam châm t
W
mmax

m
Chiu rng nam châm ln nht
W
1

vòng
S ng vòng dây trên mt pha dây qun
X
b


n kháng tn thanh dn rotor
X
ad


n kháng t hóa dc trc
X

aq

n kháng t hóa ngang trc
X
d

n ng b dc trc
X
q


ng b ngang trc
X
m


n kháng t hóa
X
1


n kháng tn pha stator
X
r


n kháng tn rotor





n kháng ti v phía stator
X
v

n kháng tn vành ngn mch rotor





Ma trn vuông chuyi Y
Z
2


S rãnh rotor
Z
1


S rãnh stator





Ma trn vuông chuyi Z
Kí hiu ch la tinh


m


 cm t

rm


 t thi


-1
m
-1
n dn sut

Hm
-1
 t thm

0

Tm/A
 t thm ca không khí

V
n th ng

r

(t)
rad
V trí rotor

v

kg/m
3

M khi

AL
)
20
m
2
/m
n tr sut ca nhôm  20
0
C

m
c cc

r
m
c rãnh rotor

s

m
c rãnh stator

Wb
T i mc cc

m

Wb
T thông nam châm

g

Wb
T thông khe h không khí

tr
Wb
T thông khe h 

ts
Wb
T thông khe h 

sy
Wb
T thông khe h 

ry

Wb
T thông khe h 





Wb
T thông khe h i m





Wb
T thông khe h i m

14





Wb
Mt na t thông khe h c cc

rad
Góc ti

rad

Góc momen

Fe
kg/m
3
Trng riêng ca thép


H s c ngn


H s cung cc t


Góc cc

i


H s hình dáng m t thông

T
(
0
C)
-1
H s nhin tr

ld

H s t dn tn tp

le

H s t dn tn phu ni

ls

H s t dn tn rãnh stator

lt

H s t dn ph


Hiu su





Hiu sunh mc t

min

Hiu sut  nht

max

Hiu sun nht


1


Sai lch ca mc tiêu hiu sut

2


Sai lch ca m

3


Sai lch ca mc tiêu th tích

DANH MC CÁC BNG

 34
 49
 50
LSPMSM 7,5kW 50
 51
 64
 65
 72
 72
 Thông 73
 73
 73
 93
 94
 101
 128
 M 129
--A800 137
 138

 139
 139
 139













16

DANH MC CÁC HÌNH  TH


 23

 24
 Nh 27
 29
 30
 35
 36
 40

 40
 41
,  42
 43
nh 2.7
- 48
 49
 50
 51
 52
-periodic 52
3- 52
 53
 53
hông ti khe h 54
 54
 54
 55
 55
 56
 56
 57

17

 57
 59
 63
 64
i khe h 65


g
= 0,488 (T)) 66
 66
 3.7i khe h 66

g
= 0,494 (T)) 66
 66
i khe h 67

g
= 0,452 (T)) 67
 67

g
 68

g
 69

d
> 0 70

1
cos
1
sin 70

d

< 0 71
 72
 75
stator 76
 77

f
 78
 79
 80
 82
 84
 84
 85
 85
 86

 87

18

 87
 88
 88
 4.1 97
 98
 101
 102
 103
nh 4.6 103

 104
 104
 105
 105
 106
Hình A.1  120
-H  128
 131
 133
 134
 135
 135
--A800 136
-H 137
 138








19

M U
Lý do ch tài


. 


[56, 57]    

n
 theo 


 ba pha n.lun án 


M
 toán
, h
s công sut cos


ng và phm vi nghiên cu
ng

7,5kW. ng b công sut
nh ng có hiu sut và h s công sui nh, khin cho chúng không thích
hp vi th nh hn ch n hiu sut và tit ki
ng [84]

Phm vi nghiên cu
, bng công c
mô phng phù hp.
         



 khng trc tip vn.
U
20

 bng thut toán di truyn v
, nâng cao h s công sut cos


c và thc tin ca lun án

c

Nghiên c   lí thuyt v      t gia m n  t
ng, t c hin mô ph tht c
Nghiên cu thut toán tính toán m t thông nam châm tm làm vic, t 
thy mi quan h gii tích gia m t thông cn t
thông nam châm.
Nghiên cu ki có th thit k ng b ba pha nam châm
u khng trc tip t n  h s cos xp x mt.
Nghiên cu thut toán thit k chi tit phn t ng b ba pha nam
u khng t i, vi thit k nam châm gn chìm cu trúc vuông.



 Vic sn xut  n nhiu long
c nghiên cu và trin khai sn xung b ba pha
u c nghiên cu, sn xut hoàn
chnh. Vì vy vic trin khai  Nghiên cu
 ng b ba pha u m ra cho ngành
sn xut   khoa hc và thc tin v sn xu

ng b ba pha u.

1. 
.
2. 

3. cho
  1.
4. 

.
5. 
60034-30, trong khi
.




U
21



 và 3 ph lc






22

1. 
 cao. 



      

a
2


2

 [19]

2

g 
IE4  [10],
mc dù  Vinh v hiu sung ti thiu
ng -1:2013, TCVN7540-2:2013)
(PMSM)
PMSM



SM
 ba pha(LSPMSM).

, F. W. Merrill[68]
A


SM



FE

 (FEA)

          
[19]


-
  efficiency 
 efficiency
. 


23



            IE5 [54][59]    

(SynRM



 [10]. Do

 và tit king.

 
(: [14])
1.1 So sánh gi
 
theo [15]

      


               
[16][17]5

24


SM
d

             
statorIMr



[32][10]





, IM
 IE3 (Premium efficiency) IE5 (Ultra
premium efficiency) .
 : 



        
[79] (tham kho thêm 2)


 1.2(: [17])

 t l  th tích: 
     t l      th tích   
 .
  
r

25


                 
[19].
 

  [93] -

r

r

10%-
Rong-Jie Wang [72]             
    Premium (PEIM) 

coso
Yaxin Bao, X. Feng [97][95][96]        
  vuông, cho 
 PEIM, cos

Marcic [80]                
    

1.2 

P. W. Huang
rr[64].



g

Yun Hyun Cho [45]

[66]
, gm bng
Matlab cho th ng b tt và có kh c

 ng b khi ti, có kh  t th.
[46], so


