Nghiên cứu đặc tính khởi động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả tính
toán trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ
công trình nào khác.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Bùi Đức Hùng

PGS. TS. Nguyễn Anh Nghĩa

i

Nghiên cứu sinh

Lê Anh Tuấn


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án này, tác giả trước tiên bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai
thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Bùi Đức Hùng và PGS. TS. Nguyễn Anh
Nghĩa luôn dành nhiều công sức, thời gian quan tâm, động viên và tận tình hướng dẫn
nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Phùng Anh Tuấn, TS. Bùi Minh Định đã hỗ trợ và
đóng góp các ý kiến quý báu để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn các thầy, cô Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử, Viện Điện và
Viện đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để
nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình
thực hiện luận án.
Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Lãnh đạo và toàn thể anh/chị trong

Phòng Tổ chức lao động tiền lương Tổng công ty Điện lực - TKV là nơi tác giả công tác đã
tạo mọi điều kiện để tác giả thuận lợi về thời gian học tập và nghiên cứu luận án.
Tác giả trân trọng cảm ơn Công ty Cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM) đã tạo mọi
điều kiện cho tác giả trong công tác gia công và chế tạo mẫu thử nghiệm LSPMSM.
Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu quốc tế về Khoa học & Kỹ thuật tính toán
(DASI) đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng chương trình phần mềm
ANSYS/Maxwell 2D để thực hiện các bài toán mô phỏng FEM cho LSPMSM.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các bạn bè đã động viên, giúp đỡ về mọi mặt góp phần
vào sự thành công của luận án.
Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ và các con đã luôn động viên và hỗ
trợ về vật chất và tinh thần cho tác giả những lúc khó khăn, mệt mỏi nhất để tác giả yên
tâm trong quá trình nghiên cứu, góp phần không nhỏ vào thành công của luận án.
Tác giả luận án

Lê Anh Tuấn

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................................ xii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ................................................................... xiii
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………………...1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................................. 3
1.1 Lịch sử phát triển của LSPMSM ................................................................................ 3
1.2. Ưu điểm của LSPMSM.............................................................................................. 4

1.3 Nhược điểm của LSPMSM ......................................................................................... 4
1.4 Các nghiên cứu trong nước và thế giới về LSPMSM ................................................. 4
1.4.1 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................... 4
1.4.2 Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................................. 4
1.5 Kết luận ..................................................................................................................... 13
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG
CỦA LSPMSM .................................................................................................. 15
2.1 Mô hình máy điện đồng bộ tổng quát ....................................................................... 15
2.2 Mô hình toán LSPMSM ............................................................................................ 18
2.3 Mô phỏng LSPMSM ................................................................................................. 21
2.3.1 Mô phỏng LSPMSM từ mô hình toán ............................................................ 21
2.3.2 Mô phỏng LSPMSM từ các phần mềm ứng dụng phương pháp
phần tử hữu hạn .............................................................................................. 27
2.4 Kết luận ..................................................................................................................... 31
CHƯƠNG 3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG
CỦA LSPMSM .................................................................................................. 33
3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính khởi động của LSPMSM .................................. 33
3.1.1 Ảnh hưởng bão hòa mạch từ đến điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục
và ngang trục Lmd, Lmq .................................................................................... 33
3.1.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài ................................................................ 53
3.1.3 Ảnh hưởng của bão hòa mạch từ đến điện kháng tản stato, rôto x1, x’2 ......... 60
3.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................. 64
3.1.5 Ảnh hưởng của tính chất tải ............................................................................ 66

iii


3.2 Tổng hợp các yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính khởi động của LSPMSM ........ 69
3.2.1 Mô hình toán của LSPMSM xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ
và hiệu ứng mặt ngoài ..................................................................................... 69

3.2.2 Sơ đồ MATLAB/Simulink với mạch từ hiệu chỉnh đề xuất ........................... 71
3.2.3 Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 74
3.2.4 So sánh kết quả mô phỏng với phương pháp tổng hợp đề xuất
và phương pháp phần tử hữu hạn.................................................................... 76
3.3 Khảo sát ảnh hưởng kích thước NCVC đến đặc tính khởi động LSPMSM và lựa
chọn kích thước NCVC LSPMSM 2,2 kW .............................................................. 80
3.3.1 LSPMSM với độ dày NCVC khác nhau ......................................................... 81
3.3.2 LSPMSM với bề rộng NCVC khác nhau ....................................................... 84
3.3.3 Lựa chọn kích thước NCVC cho LSPMSM 2,2 kW ...................................... 87
3.4 Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 87
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................. 89
4.1 Giới thiệu chung ....................................................................................................... 89
4.2 Ứng dụng LabVIEW và Card NI USB-6009 đo đặc tính dòng điện
và tốc độ khởi động LSPMSM ................................................................................. 89
4.2.1 Giới thiệu phần mềm LabVIEW ..................................................................... 89
4.2.2 Card đo lường NI USB-6009 .......................................................................... 91
4.3 Mô hình thí nghiệm LSPMSM ................................................................................. 92
4.3.1 Đo dòng điện ................................................................................................... 92
4.3.2 Đo tốc độ LSPMSM ....................................................................................... 93
4.4 LSPMSM 2,2 kW thực nghiệm ................................................................................ 95
4.4.1 Cấu hình rôto LSPMSM ................................................................................. 95
4.4.2 Gia công NCVC .............................................................................................. 95
4.4.3 Hoàn thiện rôto ............................................................................................... 96
4.4.4 Lắp ráp LSPMSM ........................................................................................... 96
4.4.5 Bàn thử nghiệm LSPMSM ............................................................................. 97
4.5 Kết quả mô phỏng và đo lường đặc tính tốc độ và dòng điện khởi động LSPMSM
ở chế độ không tải ..................................................................................................... 98
4.5.1 Đặc tính dòng điện khởi động......................................................................... 98
4.5.2 Đặc tính tốc độ khởi động............................................................................... 99
4.6 Kết luận chương 4 ................................................................................................... 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 102

iv


TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 103
Tiếng Việt ..................................................................................................................... 103
Tiếng Anh ..................................................................................................................... 103
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................ 109
PHỤ LỤC………………………………………………………………………………...110
PHỤ LỤC A .................................................................................................................... 110
PHỤ LỤC B ...................................................................................................................... 130
PHỤ LỤC C ...................................................................................................................... 137

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu/
Viết tắt

Đơn vị

A

Wb.m-1

Ag

m2

Am

m

2

Asy

m2

Tiết diện gông từ stato

Ast

m2

Tiết diện trung bình răng stato

Ary

m2

Tiết diện trung bình gông từ rôto

Ary1

m2

Tiết diện trung bình gông từ rôto phần trên NCVC

Ary2

2

Tiết diện trung bình gông từ rôto phần dưới NCVC

2

m

Ý nghĩa
Vecto từ thế
Tiết diện hữu ích khe hở không khí
Tiết diện bề mặt khối nam châm vĩnh cửu

Art
a
a1
B
B

Tesla
Tesla

Tiết diện trung bình răng rôto
Chiều rộng vành ngắn mạch
Số mạch nhánh song song
Mật độ từ thông
Mật độ từ thông quy đổi trong khe hở không khí

Bg

Tesla

Mật độ từ thông khe hở không khí

Br

Tesla

Mật độ từ thông dư nam châm vĩnh cửu

Bsy

Tesla

Mật độ từ thông gông từ stato

Bst

Tesla

Mật độ từ thông răng stato

Bry

Tesla

Mật độ từ thông gông từ rôto

Bry1

Tesla

Mật độ từ thông gông từ rôto phía trên khối NCVC

Bry2

Tesla

Mật độ từ thông gông từ rôto phía dưới khối NCVC

Brt

Tesla

Mật độ từ thông răng rôto

Bs
b
b41

Tesla
m
m

Mật độ từ thông bão hòa lõi thép rôto
Chiều cao vành ngắn mạch
Bề rộng miệng rãnh stato

b42

m

m
m

Bề rộng miệng rãnh rôto

Cbh

Hệ số bão hòa

C1

Hệ số biến đổi tương đương rãnh hở stato khi bão hòa mạch từ

C2
c
c'
cv

Hệ số biến đổi tương đương rãnh hở rôto khi bão hòa mạch từ
Chiều dày cách điện rãnh
Chiều dày cách điện trên nêm
Hệ số thể tích nam châm vĩnh cửu

m
m

vi


m
m
m
m

Đường kính trong stato
Đường kính ngoài stato
Đường kính ngoài rôto
Đường kính trục rôto

dcđ

m
m
m

Đường kính trung bình của vòng ngắn mạch
Đường kính dây dẫn
Đường kính dây dẫn có kể đến cách điện

d1

m

Đường kính đáy tròn nhỏ rãnh stato

d2
E0
f
f2

m

Đường kính đáy tròn lớn rãnh stato

V
Hz
Hz

Sức điện động cảm ứng do NCVC sinh ra
Tần số dòng điện stato
Tần số dòng điện rôto

Fds

A

Từ thế sinh ra bởi dòng ids

Fg

A

Sức từ động khe hở không khí

Frt

A

Sức từ động răng rôto

Fst

A

Sức từ động răng stato

Fsy

A

Sức từ động gông từ stato

Fqs

A

Từ thế sinh ra bởi dòng iqs

Fry

A

Sức từ động gông từ rôto

Fry1

A

Sức từ động gông từ rôto phía trên khối NCVC

Fry2

A

Sức từ động gông từ rôto phía dưới khối NCVC

Fztb
FEM
f
g, 
g'
g"d

A
Hz
m
m
m

Sức từ động trung bình một rãnh stato
Phương pháp phần tử hữu hạn
Tần số dòng điện
Độ rộng khe hở không khí
Khe hở không khí tương đương có tính đến răng rãnh stato và rôto
Chiều dài khe hở không khí quy đổi theo trục d

g"q

m

Chiều dài khe hở không khí quy đổi theo trục q

Hc

A/m

Lực kháng từ

Hsy

A/m

Cường độ từ trường gông từ stato

Hst

A/m

Cường độ từ trường răng stato

Hry

A/m

Cường độ từ trường gông từ rôto

Hry1

A/m

Cường độ từ trường gông từ rôto phía trên khối NCVC

Hry2

A/m

Cường độ từ trường gông từ rôto phía dưới khối NCVC

hr2

m

Chiều cao rãnh rôto

hm
IM

m

Chiều cao khối nam châm vĩnh cửu
Động cơ không đồng bộ

D
Dn
D'

Dt
Dv
d

vii


IPM
Iđm

A

Động cơ đồng bộ NCVC gắn chìm
Dòng định mức stato

ids

A

Thành phần dòng điện stato dọc trục

iqs

A

Thành phần dòng điện stato ngang trục

In

A

Inbh

A

Ik
ia, ib , ic

A

Dòng ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s = 1
Dòng ngắn mạch khi xét đến bão hòa và hiệu ứng mặt ngoài với
s=1
Dòng điện khởi động

JR

A
kg.m2

kC

Dòng điện pha A, B, C
Mômen quán tính rôto
Hệ số Carter

Kđ1
klđ

Hệ số đấu nối

kd1

Hệ số quấn rải stato

kdq1, kW

Hệ số dây quấn stato

Hệ số lấp đầy

k

Hệ số khe hở không khí

k1

Hệ số khe hở không khí stato

k2

Hệ số khe hở không khí rôto

kfq

Hệ số hình dáng từ hóa ngang trục

kfd

Hệ số hình dáng từ hóa dọc trục

kFe

Hệ số ép chặt lá thép

kL(s)

Hệ số điện cảm hiệu ứng mặt ngoài

kR(s)

Hệ số điện trở hiệu ứng mặt ngoài
Hệ số bão hòa

kbh
kbhx1

Hệ số bão hòa đặc tính điện kháng tản stato

kbhx2

Hệ số bão hòa đặc tính điện kháng tản rôto
Hệ số quấn rải

krl
ky1
LSPMSM
LPM
Ld

H

Hệ số bước ngắn
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp
Phương pháp mô hình tham số tập trung
Điện cảm đồng bộ dọc trục stato

Lq

H

Điện cảm đồng bộ ngang trục stato

Lls

H

Điện cảm tản cuộn dây stato

Lmd

H

Điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục

Lmq

H

Điện cảm từ hóa đồng bộ ngang trục

L’lr

H

Điện cảm tản lồng sóc rôto quy đổi

L’r0

H

Tổng điện cảm tản tạp, đấu nối rôto

viii


L’r2

H

Điện cảm tản rãnh rôto xét đến hiệu ứng mặt ngoài

L’r2~

H

Điện cảm tản rãnh rôto quy đổi xét đến hiệu ứng mặt ngoài

lm

m

Độ dày khối nam châm vĩnh cửu

l1

m

Chiều dài tác dụng của lõi sắt stato

l2

m

Chiều dài tác dụng của lõi sắt rôto

l1

m

Chiều dài dây quấn 1 pha stato

lđ1

m

Chiều dài phần đầu nối

lsy

m

Chiều dài trung bình của đường từ trường đi trong gông từ stato

lst

m

Chiều dài trung bình răng rôto

lry

m

Chiều dài trung bình của đường từ trường đi trong gông từ rôto

lry1

m

Chiều dài trung bình của đường từ trường đi trong gông từ rôto
phía trên khối NCVC

lry2

m

m
NCVC
n

PMSM
Pđm

vg/ph
W

Chiều dài trung bình của đường từ trường đi trong gông từ rôto
phía trên khối NCVC
Số pha dây quấn stato
Nam châm vĩnh cửu
Tốc độ động cơ
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Công suất định mức của động cơ

Pout

W

Công suất đầu ra trên trục động cơ

Pg

Wb/A.vg Từ dẫn khe hở không khí

Pm
p
Rg

Wb/A.vg Từ dẫn khối NCVC
Số cặp cực

A.vg/Wb Từ trở khe hở không khí

Rbm

A.vg/Wb Từ trở tương đương

Rm0, Rm

A.vg/Wb Từ trở khối NCVC

Rmm

A.vg/Wb Từ trở cầu nối lõi thép rôto

Rml

A.vg/Wb Từ trở barrier từ đầu cực khối NCVC

Rry

A.vg/Wb Từ trở gông từ rôto

Rry1

A.vg/Wb Từ trở gông từ rôto phía trên khối NCVC

Rry2

A.vg/Wb Từ trở gông từ rôto phía dưới khối NCVC

Rst

A.vg/Wb Từ trở răng stato

Rsi

M

Bán kính trong lõi thép stato

r1



Điện trở pha cuộn dây stato

r2



Điện trở rôto

r'2



Điện trở rôto quy đổi stato

rn



Điện trở ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s = 1

ix


rtd



Điện trở thanh dẫn rôto

r'td



Điện trở thanh dẫn rôto quy đổi

r’td~



Điện trở thanh dẫn rôto quy đổi xét đến hiệu ứng mặt ngoài

rv



Điện trở vành ngắn mạch rôto

r'v



Điện trở vành ngắn mạch rôto quy đổi

Sr2

m2

Tiết diện rãnh rôto

Std

m

2

Tiết diện thanh dẫn lồng sóc

m

2

Sv
s
Mđm

N.m

Diện tích vành ngắn mạch
Hệ số trượt
Mômen định mức

Mtải

N.m

Mômen tải

t1

m

Bước rãnh stato

t2

m

Bước rãnh rôto

uas, ubs, ucs

V

Điện áp pha A, B, C
Số cạnh tác dụng của một rãnh stato

ur
xad



Điện kháng từ hóa đồng bộ dọc trục

xaq



Điện kháng từ hóa đồng bộ ngang trục

xd



Điện kháng đồng bộ dọc trục

xq



Điện kháng đồng bộ ngang trục

x1



Điện kháng tản dây quấn stato

x1bh



Điện kháng tản dây quấn stato khi xét đến bão hòa mạch từ

x2



Điện kháng tản rôto

x'2



Điện kháng tản rôto quy đổi về stato

x’r2



Điện kháng tản rãnh rôto quy đổi về stato

x'2bh



Điện kháng tản rôto quy đổi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và bão

hòa mạch từ

xn



xnbh



w1, Nph

Vòng

wm

m

Bề rộng khối nam châm vĩnh cửu

Vm

m3

Thể tích nam châm vĩnh cửu

Điện kháng ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s = 1
Điện kháng ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa
mạch từ
Số vòng dây nối tiếp của một pha dây quấn stato

Z2

Số rãnh rôto

Z1

Số rãnh stato

zn



Tổng trở ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s = 1

zn



Tổng trở ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa
mạch từ

x


Ký hiệu chữ Latin
0
T.m/A

Độ từ thẩm không khí

rec

Al(75)

.m

Độ từ thẩm tương đối của lõi thép và vật liệu nam châm vĩnh cửu
Góc xoay rôto
Điện trở suất của nhôm ở 75 0C

Cu(75)

.m

Điện trở suất của đồng ở 75 0C

r

m

Bước rãnh rôto

s

m

Bước rãnh stato

rad

y1

'M

Wb

d, q

Wb

M1

Wb

Chiều rộng trung bình phần tử dây dẫn stato
Tỷ số giữa chiều cao của rãnh và chiều sâu hiệu ứng bề mặt rãnh
Tổng từ thông móc vòng stato do NCVC sinh ra
Từ thông móc vòng cuộn phần ứng trục d, q máy điện đồng bộ
tổng quát
Từ thông cơ bản do nam châm vĩnh cửu sinh ra

g

Wb

Từ thông khe hở không khí

rt

Wb

Từ thông khe hở không khí đi qua răng rôto

st

Wb

Từ thông khe hở không khí đi qua răng stato

sy

Wb

Từ thông khe hở không khí đi qua gông stato

ry

Wb

m


ky1
i
T

t1

(0C)-1

M

Từ thông khe hở không khí đi qua gông rôto
Hệ số quy đổi rôto sang stato
Hệ số bước ngắn
Tỷ lệ cực - đế/bước cực nam châm vĩnh cửu
Hệ số nhiệt điện trở
Chiều sâu hiệu ứng bề mặt rãnh
Hệ số từ dẫn tản tạp stato

t1bh

Hệ số từ dẫn tản tạp stato khi xét đến bão hòa mạch từ

t2

Hệ số từ dẫn tản tạp rôto khi xét đến bão hòa mạch từ
Hệ số từ dẫn tản tạp rôto
Hệ số từ dẫn tản phần đầu nối stato
Hệ số từ dẫn phần đấu nối rôto
Hệ số từ dẫn tản rãnh stato

t2bh
đ1
đ2
r1
r1bh

Hệ số từ dẫn tản rãnh stato khi xét đến bão hòa mạch từ

r2
r2
r2bh
st
rt


%

Hệ số từ dẫn tản rãnh rôto
Hệ số từ dẫn tản rãnh rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s = 1
Hệ số từ dẫn tản rãnh rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với
s = 1 và bão hòa mạch từ tản
Tỷ số giữa tiết diện răng trung bình và tiết diện một bước răng stato
Tỷ số giữa tiết diện răng trung bình và tiết diện một bước răng rôto
Hiệu suất động cơ

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các hàm giải gần đúng phương trình vi phân trong Simulink............................. 22
Bảng 2.2 Thông số LSPMSM 2,2 kW, 3 pha, tốc độ 1.500 vòng/phút .............................. 26
Bảng 3.1 Kết quả tính toán đặc tính Lmq với hai phương pháp LPM và PTHH ................. 41
Bảng 3.2 Kết quả tính toán đặc tính Lmd với hai phương pháp LPM và PTHH ................. 50
Bảng 3.3 Điện trở suất , .mm2/m ................................................................................... 64
Bảng 3.4 Giá trị điện trở stato, rôto theo nhiệt độ............................................................... 65
Bảng 3.5 Thông số quạt ly tâm VTL 4B 03 ........................................................................ 67
Bảng 3.6 Thông số LSPMSM 2,2 kW xét hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch từ .......... 74
Bảng 3.7 Kết quả tính toán đặc tính Lmd với ba độ dày NCVC khác nhau ......................... 82

Bảng 3.8 Thông số LSPMSM 2,2 kW với độ dày NCVC khác nhau ................................. 82
Bảng 3.9 Mômen tải cực đại LSPMSM 2,2 kW khởi động được với độ dày NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 83
Bảng 3.10 Hiệu suất và hệ số công suất LSPMSM với độ dày NCVC khác nhau ............. 83
Bảng 3.11 Kết quả tính toán đặc tính Lmq với ba bề rộng NCVC khác nhau ..................... 85
Bảng 3.12 Bảng tổng hợp E0 với ba bề rộng NCVC khác nhau ......................................... 85
Bảng 3.13 Thông số LSPMSM 2,2 kW với bề rộng NCVC khác nhau ............................. 85
Bảng 3.14 Mômen tải cực đại LSPMSM 2,2 kW khởi động được với bề rộng NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 86
Bảng 3.15 Hiệu suất và hệ số công suất LSPMSM với bề rộng NCVC khác nhau ............ 86
Bảng 3.16 Tiêu chuẩn hiệu suất của động cơ KĐB 2,2 kW, bốn cực theo IEC ................. 87
Bảng 3.17 Thông số LSPSM 2,2 kW với kích thước NCVC được lựa chọn
và SCIM 3K112-S4 ở chế độ vận hành xác lập ................................................. 87

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Động cơ Merrill - Cấu hình của LSPMSM nam châm AlNiCo đầu tiên .............. 5
Hình 1.2 Các dạng động cơ khởi động trực tiếp ................................................................... 8
Hình 1.3 Tám cấu hình LSPMSM phổ biến ........................................................................ 9
Hình 1.4 Cấu hình rôto LSHIPMM ................................................................................... 12
Hình 1.5 Cấu hình LSPMSM do H. Saikura và cộng sự đề xuất ....................................... 12
Hình 1.6 Cấu hình và mật độ từ thông của LSPMSM khi phân tích bằng FEM ............... 13
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của máy điện đồng bộ ............................................................... 15
Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát của máy điện đồng bộ có dây quấn phần ứng đặt ở stato,
dây quấn phần ứng ở rôto ................................................................................... 15
Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện thay thế trục d của LSPMSM ................................................... 20
Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện thay thế trục q của LSPMSM ................................................... 20
Hình 2.5 Khối biến đổi uabc sang udq ................................................................................... 22

Hình 2.6 Khối tính toán dòng dọc trục và ngang trục......................................................... 23
Hình 2.7 Khối biến đổi dòng ngược ................................................................................... 24
Hình 2.8 Mô hình LSPMSM được mô phỏng bằng MATLAB/Simulink .......................... 24
Hình 2.9 Động cơ không đồng bộ 3 pha 3K112-S4, 2,2 kW, 1.450 vòng/phút - HEM ..... 25
Hình 2.10 LSPMSM 2,2 kW được hiệu chỉnh từ động cơ 3 pha không đồng bộ
3K112-S4 ........................................................................................................... 25
Hình 2.11 Sơ đồ dây quấn LSPMSM 3 pha, 2,2 kW .......................................................... 26
Hình 2.12 Đặc tính khởi động của LSPMSM ..................................................................... 27
Hình 3.1 Sơ đồ mạch từ LPM tính giá trị Lmq của LSPMSM ............................................. 35
Hình 3.2 Kích thước răng, rãnh LSPMSM 3 pha, 2,2 kW, bốn cực ................................... 36
Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán tính toán Lmq = f(iqs)................................................................ 37
Hình 3.4 Cấu hình LSPMSM thử nghiệm .......................................................................... 38
Hình 3.5 Chia lưới phần tử hữu hạn LSPMSM thử nghiệm ............................................... 38
Hình 3.6 Đường đặc tính thép B50-A800 ........................................................................... 39
Hình 3.7 Đặc tính Lmq = f(iqs) với thép 1008, độngcơ LSPMSM 2,2 kW........................... 39
Hình 3.8 Từ thông LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW khi tính toán Lmq ................................. 40
Hình 3.9 Đặc tính Lmq = f(iqs) của LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW ...................................... 40
Hình 3.10 Đặc tính Lmq = f(iq) với thép B50-A800 sử dụng PTHH(FEM) và LPM........... 41
Hình 3.11 Đặc tính Lmd = f(ids) do Mirahki và Lovelace tính toán cho IPM ...................... 43
Hình 3.12 Mạch từ LPM luận án đề xuất để tính toán đặc tính Lmd = f(ids) ....................... 44

xiii


Hình 3.13 Các kích thước cơ bản của barrier từ không khí ................................................ 45
Hình 3.14 Mạch từ LPM rút gọn để tính toán Lmd .............................................................. 46
Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán tính toán Lmd = f(ids) ............................................................. 47
Hình 3.16 Đặc tính Lmd = f(ids) LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm, 3 pha, 2,2 kW .................. 48
Hình 3.17 Chia lưới phần tử hữu hạn khi mô phỏng LSPMSM để tính toán Lmd
với Maxwell 2D ................................................................................................. 48

Hình 3.18 Từ thông của LSPMSM 2,2 kW khi tính toán Lmd ............................................ 49
Hình 3.19 Đặc tính Lmd = f(ids) thu được của LSPMSM thử nghiệm
2,2 kW-ANSYS/MAXWELL 2D ...................................................................... 49
Hình 3.20 Đặc tính Lmd = f(ids) với phương pháp LPM đề xuất và phương pháp PTHH ... 50
Hình 3.21 Phân bố mật độ từ thông trong LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW với ids = 2A...... 51
Hình 3.22 Phân bố mật độ từ thông trong LSPMSM 2,2 kW với ids = 20A ....................... 51
Hình 3.23 Mạch điện thay thế trục d khi xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ
đến điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq ............................. 52
Hình 3.24 Mạch điện thay thế trục q khi xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ
đến điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq ............................. 52
Hình 3.25 Đặc tính khởi động của LSPMSM xét ảnh hưởng bão hòa mạch từ
đến điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq, J = JR .................. 53
Hình 3.26 Phân bố từ trường tản trong rãnh rôto lồng sóc ................................................. 54
Hình 3.27 Tiết diện cắt ngang của một rãnh rôto lồng sóc ................................................. 55
Hình 3.28 Đặc tính kR(s) của LSPMSM thử nghiệm ........................................................ 56
Hình 3.29 Đặc tính kL(s) của LSPMSM thử nghiệm......................................................... 57
Hình 3.30 Sơ đồ mạch điện thay thế trục d hiệu chỉnh xét đến hiệu ứng mặt ngoài .......... 58
Hình 3.31 Sơ đồ mạch điện thay thế trục q hiệu chỉnh xét đến hiệu ứng mặt ngoài .......... 58
Hình 3.32 Đặc tính khởi động của LSPMSM xét hiệu ứng mặt ngoài ............................... 58
Hình 3.33 Đặc tính khởi động của LSPMSM không xét hiệu ứng mặt ngoài .................... 59
Hình 3.34 Sơ đồ mạch điện thay thế trục d xét ảnh hưởng bão hòa mạch từ
và hiệu ứng mặt ngoài đến x1, x’2, r’2 ................................................................ 62
Hình 3.35 Sơ đồ mạch điện thay thế trục q xét ảnh hưởng bão hòa mạch từ
và hiệu ứng mặt ngoài đến x1, x’2, r’2 ................................................................ 63
Hình 3.36 Đặc tính khởi động LSPMSM xét hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch từ tản 63
Hình 3.37 Đặc tính khởi động của LSPMSM tại một số nhiệt độ môi trường làm việc
khác nhau, J = JR, Mtải = Mđm ............................................................................. 65
Hình 3.38 Đặc tính khởi động LSPMSM với tải quạt gió .................................................. 67
Hình 3.39 Đặc tính khởi động LSPMSM với các mômen quán tính khác nhau ................ 68

xiv


Hình 3.40 Sơ đồ mạch điện thay thế trục d hiệu chỉnh của LSPMSM ............................... 70
Hình 3.41 Sơ đồ mạch điện thay thế trục q hiệu chỉnh của LSPMSM ............................... 71
Hình 3.42 Một số sơ đồ khối MATLAB/Simulink mô phỏng LSPMSM
có xét ảnh hưởng của bão hòa và hiệu ứng mặt ngoài ....................................... 71
Hình 3.43 Một số sơ đồ khối tính toán ids, iqs, idr, iqr xét ảnh hưởng bão hòa
và hiệu ứng mặt ngoài ........................................................................................ 72
Hình 3.44 Sơ đồ khối tính toán ids có xét ảnh hưởng của bão hòa và hiệu ứng mặt ngoài . 72
Hình 3.45 Sơ đồ khối tính toán iqs có xét ảnh hưởng của bão hòa và hiệu ứng mặt ngoài . 73
Hình 3.46 Sơ đồ khối tính toán L’qr, L’dr, Lls, r’2 có xét ảnh hưởng của bão hòa
và hiệu ứng mặt ngoài… .................................................................................... 73
Hình 3.47 Sơ đồ khối tính toán i’dr xét ảnh hưởng của bão hòa và hiệu ứng mặt ngoài..... 74
Hình 3.48 Sơ đồ khối tính toán i’qr xét ảnh hưởng của bão hòa và hiệu ứng mặt ngoài..... 74
Hình 3.49 Đặc tính khởi động LSPMSM có xét ảnh hưởng của bão hòa
và hiệu ứng mặt ngoài, J = JR............................................................................. 75
Hình 3.50 Khai báo tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng dòng xoáy trong Maxwell 2D ...... 76
Hình 3.51 Lựa chọn kích thước lưới phần tử hữu hạn cho thanh dẫn lồng sóc .................. 77
Hình 3.52 Chia lưới phần tử hữu hạn được khi mô phỏng LSPMSM ................................ 77
Hình 3.53 Đường từ thông LSPMSM tại thời điểm t = 0,0005 s được mô phỏng bởi
Maxwell 2D ....................................................................................................... 77
Hình 3.54 Đặc tính tốc độ và dòng khởi động LSPMSM được mô phỏng bằng
ANSYS/Maxwell 2D ......................................................................................... 78
Hình 3.55 Đặc tính tốc độ LSPMSM được mô phỏng bằng ANSYS/Maxwell 2D
và MATLAB/Simulink ...................................................................................... 79
Hình 3.56 Cấu hình của LSPMSM thử nghiệm với một số độ dày NCVC khác nhau ....... 81
Hình 3.57 Đặc tính Lmd = f(ids) của LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW với ba độ dày NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 81
Hình 3.58 Đặc tính tốc độ khởi động LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW với độ dày NCVC

khác nhau ........................................................................................................... 83
Hình 3.59 Cấu hình LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW với bề rộng NCVC khác nhau ........... 84
Hình 3.60 Đặc tính Lmq = f(iqs) của LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW với bề rộng NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 84
Hình 3.61 Đặc tính tốc độ khởi động LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW với bề rộng NCVC
khác nhau ........................................................................................................... 86
Hình 4.1 Một ứng dụng của LabVIEW trong điều khiển quá trình ................................... 90
Hình 4.2 Thiết bị OEM NI USB-6009 ................................................................................ 91
Hình 4.3 Sơ đồ mô hình đo lường LSPMSM ..................................................................... 92

xv


Hình 4.4 Biến dòng EMIC: CT0.6 - 150/5A - 5VA - Cl 0,5 - N1 ...................................... 92
Hình 4.5 Giao diện LabVIEW đo lường dòng pha LSPMSM ............................................ 93
Hình 4.6 Khối tính toán LabVIEW đo dòng pha LSPMSM ............................................... 93
Hình 4.7 Encoder tương đối ................................................................................................ 94
Hình 4.8 Thiết kế giao diện LabVIEW đo lường đặc tính tốc độ và dòng điện LSPMSM 94
Hình 4.9 Khối tính toán LabVIEW đo lường đặc tính tốc độ và dòng điện LSPMSM ...... 95
Hình 4.10 Cấu hình rôto LSPMSM thực nghiệm khi chưa có và có NCVC ...................... 95
Hình 4.11 Nam châm vĩnh cửu NdFeB sử dụng trong LSPMSM thử nghiệm ................... 96
Hình 4.12 Quá trình lắp đặt LSPMSM thực nghiệm .......................................................... 96
Hình 4.13 Phối ghép LSPMSM thực nghiệm ..................................................................... 97
Hình 4.14 Thử nghiệm LSPMSM với tải máy phát ............................................................ 97
Hình 4.15 Đặc tính dòng khởi động LSPMSM 2,2 kW với MATLAB khi không tải ....... 98
Hình 4.16 Đặc tính dòng khởi động đo được với LSPMSM 2,2 kW khi không tải ........... 98
Hình 4.17 Đặc tính dòng khởi động mô phỏng và thực nghiệm LSPMSM 2,2 kW ........... 99
Hình 4.18 Đặc tính tốc độ khởi động của LSPMSM 2,2 kW với MATLAB
khi không tải ...................................................................................................... 99
Hình 4.19 Đặc tính tốc độ khởi động đo thực tế của LSPMSM 2,2 kW khi không tải .... 100

Hình A.1 Một số hình ảnh của động cơ 3K112-S4 HEM ................................................. 110
Hình A.2 Cấu tạo stato động cơ 3K112-S4 HEM ............................................................ 110
Hình A.3 Cấu tạo rãnh stato động cơ 3K112-S4 HEM .................................................... 111
Hình A.4 Cấu tạo rôto động cơ 3K112-S4 HEM .............................................................. 118
Hình A.5 Cấu tạo rãnh rôto động cơ 3K112-S4 HEM...................................................... 118
Hình B.1 Cấu trúc rôto LSPMSM .................................................................................... 131
Hình B.2 Mạch từ thay thế tương đương của LSPMSM .................................................. 131

xvi


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án
Trong những năm qua, Việt Nam đã tập trung đầu tư phát triển nguồn và lưới điện
nhằm đảm bảo cung cấp điện cho các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo an ninh,
quốc phòng của đất nước và đáp ứng nhu cầu điện cho sinh hoạt của nhân dân. Tuy nhiên
trong thời gian tới, Việt Nam sẽ còn gặp khó khăn trong việc bảo đảm cung cấp điện. Để
ổn định nguồn điện cho sản xuất, kinh doanh và nhu cầu sinh hoạt thiết yếu của nhân dân,
trong thời gian qua các Bộ, Ban, Ngành và Chính phủ Việt Nam đã ban hành nhiều chính
sách, chỉ thị, đề án, giải pháp cụ thể để từng bước thực hiện tiết kiệm điện.
Với mục đích sử dụng năng lượng có hiệu quả, động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp (LSPMSM) với ưu điểm về hiệu suất sẽ là một giải pháp thay thế
động cơ không đồng bộ (KĐB) trong một số lĩnh vực trong tương lai. Thống kê lại,
LSPMSM có các ưu điểm sau đây:
- Hiệu suất biến đổi điện-cơ lớn.
- Khởi động trực tiếp từ lưới.
- So với động cơ KĐB cùng công suất, có thể chế tạo LSPMSM có kích thước nhỏ
gọn hơn.
- LSPMSM thuộc dòng động cơ đồng bộ NCVC, một dạng của động cơ không tiếp
xúc, vì vậy sẽ có tuổi thọ cao, dễ bảo dưỡng trong quá trình vận hành.

Bên cạnh những ưu điểm, LSPMSM tồn tại nhược điểm chính là khó khởi động. Quá
trình khởi động còn phức tạp bởi sự có mặt mômen do NCVC sinh ra và mômen này
không thể “ngắt” trong quá trình mở máy [5].
Do đó, nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM sẽ là chìa khóa để phổ biến loại động
cơ này. Vì vậy, “Nghiên cứu đặc tính khởi động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài”
là cấp thiết và có tính thời sự cao trong thời điểm hiện nay.

Mục đích của đề tài
Xây dựng mô hình toán để nghiên cứu đặc tính khởi động của LSPMSM có xét đến
yếu tố bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài. Từ đặc tính khởi động thu được, đánh giá
những yếu tố, thông số chính ảnh hưởng đến quá trình khởi động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động
trực tiếp, do có ưu điểm về hiệu suất và hệ số công suất khi vận hành.
1


Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình khởi động của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng của bão hòa
mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài và thực nghiệm với động cơ công suất 2,2 kW.

Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài luận án, NCS sử dụng các phương pháp nghiên cứu là: Phương
pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, phương pháp thực
nghiệm.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học
Xây dựng được mô hình toán và mô phỏng quá trình khởi động của LSPMSM có xét
đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu sẽ giúp ích cho các nhà thiết kế, chế tạo đánh giá và điều chỉnh
kết cấu để có đặc tính khởi động của LSPMSM phù hợp.

Các đóng góp mới của luận án
- Đề xuất mô hình toán và mô phỏng đặc tính khởi động của LSPMSM có xét đến ảnh
hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài.
- Đề xuất phương pháp mô hình tham số tập trung để tính toán đặc tính điện cảm từ
hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa
mạch từ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng mặt ngoài ảnh hưởng đến quá trình khởi động của
LSPMSM.
- Thiết kế và chế tạo động cơ LSPMSM mẫu 3 pha, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vg/phút và
thực nghiệm đặc tính khởi động, hiệu suất và hệ số công suất.

Kết cấu của luận án bao gồm
Phần mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị và 3 phụ lục, cụ thể:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Mô hình toán và mô phỏng đặc tính khởi động của LSPMSM
Chương 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính khởi động của LSPMSM
Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Kết luận và kiến nghị
Phụ lục

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử phát triển của LSPMSM
Động cơ đồng bộ NCVC khởi động trực tiếp (LSPMSM) đã có quá trình hình thành và
phát triển lâu dài, có thể tóm tắt như sau [63]: Năm 1955, F. W. Merrill là người đầu tiên
thiết kế, chế tạo một LSPMSM hoàn chỉnh, trong đó các thanh NCVC được chế tạo từ
Ferrite và hợp kim Alnico. Tuy nhiên, NCVC Alnico có hệ số lực kháng từ Hc thấp, khả
năng ổn định nhiệt không cao, NCVC Ferrite lại có mật độ từ thông dư Br thấp, độ giòn
cao. Thêm vào đó, hai vật liệu NCVC trên có các đường đặc tính khử từ phi tuyến mạnh, vì
vậy sẽ mất dần từ tính trong quá trình hoạt động. Tại thời điểm Merrill phát minh
LSPMSM, các đặc tính từ tính không tốt của NCVC đã hạn chế khả năng phổ biến thương
mại đối với loại động cơ mới đầy triển vọng này. Tiếp theo sự phát minh của Merrill, đã có
một vài tổ chức và nhà sản xuất động cơ quan tâm đến động cơ LSPMSM. Khi công nghệ
vật liệu NCVC phát triển với một số thành tựu đáng kể thì mối quan tâm đối với động cơ
đồng bộ NCVC (PMSM) theo đó cũng tăng lên. Một bước ngoặt xuất hiện vào những năm
1980 cho ngành chế tạo động cơ, vật liệu NCVC đất hiếm ra đời. Trong đó, NCVC đất
hiếm Neodymium Iron Boron (NdFeB) có các đặc tính ưu việt như có mật độ từ dư cao,
tích số năng lượng cực đại (BHmax) lớn [25], [53] rất phù hợp trong chế tạo động cơ điện,
đặc biệt là LSPMSM. Trong giữa thập kỷ 80, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá
trình vận hành xác lập của LSPMSM và đã chứng minh ưu điểm về hiệu suất của dòng
động cơ này. Tiếp sau đó, quá trình động được nghiên cứu thông qua mô hình toán phân
tích được viết theo hệ trục tọa độ d-q của động cơ. Cuối thập niên 90, phương pháp phân
tích phần tử hữu hạn bắt đầu được ứng dụng để mô phỏng quá trình đồng bộ và khởi động
LSPMSM, đây là những vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế động cơ. Ở cùng thời điểm,
các phương pháp ước lượng thông số và phương pháp phân tích phần tử hữu hạn cũng
được phát triển mạnh mẽ. Sau khoảng thời gian 10 - 12 năm tiếp theo, trong lĩnh vực sản
xuất công nghiệp, người ta bắt đầu chú ý đến LSPMSM. LSPMSM được phát triển và ứng
dụng trong công nghiệp xuất phát từ nhu cầu về động cơ có hiệu suất cao, chi phí vận hành
thấp. Bên cạnh đó, xu hướng ứng dụng LPSMSM trong công nghiệp còn do LSPMSM đáp
ứng các tiêu chuẩn quốc tế quy định hiệu suất đối với động cơ điện ngày càng cao. Trên

thực tế, đã có nhiều quy định tiêu chuẩn hiệu suất năng lượng, chính sách năng lượng
được ban hành tại Mỹ (1992), Canada (1997) và gần đây là Liên minh châu Âu vào tháng 6
năm 2014 ban hành tiêu chuẩn IEC 60034-30-1:2014. Tại Việt Nam, năm 2013 Tiêu chuẩn
quốc gia TCVN 7540-1: 2013 đã được ban hành. Ở thời điểm hiện tại, LSPMSM đang
được tập trung nghiên cứu với các cấu hình khác nhau, các thiết kế mới liên tục được phát
minh nhằm mục đích “dễ dàng chế tạo” trong thiết kế và “dễ lắp đặt” trong vận hành.

3


1.2. Ưu điểm của LSPMSM
Theo [18], so với các động cơ ở thời điểm hiện nay như: động cơ KĐB rôto lồng sóc,
động cơ KĐB rôto dây quấn, động cơ đồng bộ, LSPMSM có các ưu điểm sau:
- Hiệu suất biến đổi điện-cơ lớn.
- Hệ số công suất cao, thậm chí có thể bằng một.
- Là một loại trong dòng động cơ đồng bộ không tiếp xúc, do vậy so với các động cơ
đồng bộ tiếp xúc khác chúng có tuổi thọ làm việc cao, dễ bảo dưỡng.
- Có khả năng khởi động trực tiếp từ lưới.
Chính vì những tính chất trên mà LSPMSM hiện đang được nghiên cứu sâu rộng và kỳ
vọng sẽ thay thế cho động cơ KĐB (hiện đang được sử dụng phổ biến) trong một số lĩnh
vực trong thời gian tới.

1.3 Nhược điểm của LSPMSM
Bên cạnh ưu điểm, LSPMSM còn tồn tại nhược điểm lớn cần phải khắc phục [5], [14]:
Động cơ khó khởi động.

1.4 Các nghiên cứu trong nước và thế giới về LSPMSM
1.4.1 Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay, trong nước các nghiên cứu về LSPMSM chưa nhiều, có thể tóm tắt một số
nghiên cứu:

Bùi Đức Hùng và cộng sự (2013) [3] nghiên cứu thiết kế và chế tạo PMSM có công
suất dưới 1 kW. Các tác giả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công động cơ PMSM
công suất dưới 1 kW có tính ứng dụng cao trong đời sống.
Nguyễn Vũ Thanh (2015) [8] nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ đồng bộ 3 pha NCVC
(LSPMSM). Trong nghiên cứu, tác giả tập trung xem xét thuật toán thiết kế, chế tạo hoàn
chỉnh động cơ đồng bộ 3 pha NCVC khởi động trực tiếp từ lưới điện, từ đó thực hiện tối
ưu để nâng cao hiệu suất, hệ số công suất cos và giảm thể tích NCVC động cơ chế tạo
theo công nghệ đề xuất.
1.4.2 Các nghiên cứu trên thế giới
Ở thời điểm hiện tại, các nghiên cứu trên thế giới về LSPMSM đa dạng do vật liệu
NCVC đất hiếm ngày càng rẻ và sẵn có. Thêm vào đó, tiêu chuẩn quốc tế cũng như các
nước hiện nay đều yêu cầu hiệu suất đối với động cơ điện ngày càng cao, trong khi động
cơ KĐB gần như đã đạt đến ngưỡng hiệu suất tối đa, việc nâng cao hiệu suất gặp khó khăn
[16]. Vì vậy LSPMSM đang thu hút được sự được quan tâm từ các nhà nghiên cứu và sản
xuất động cơ. Tóm lược các nghiên cứu trên thế giới về LSPMSM có thể kể đến như sau:
F. W. Merrill [63] được coi là người đầu tiên thiết kế, chế tạo một LSPMSM hoàn
chỉnh vào năm 1955, tại thời điểm đó NCVC thường là Ferrite (oxít sắt) hoặc hợp kim
AlNiCo (hợp kim của niken, nhôm, coban cùng với việc kết hợp một số chất phụ gia khác).
Hình 1.1 biểu diễn mặt cắt ngang động cơ do Merrill phát minh, động cơ có 4 vòng lặp
4


từ thông (A, B, C và D). Với cấu hình sơ khai này, thành phần mômen từ trở của động cơ
được bỏ qua.

Hình 1.1 Động cơ Merrill - Cấu hình của LSPMSM nam châm AlNiCo (nguồn: [63])

K. J. Binns và Banard (1971) [50] nghiên cứu và đánh giá hiệu suất của một dòng
động cơ mới, động cơ LSPMSM. Các tác giả khẳng định, bằng việc thêm vào các thanh
NCVC trong cấu trúc rôto, hiệu suất và hệ số công suất của động cơ đã được nâng cao

đáng kể, không cần phải có cấu trúc rôto phức tạp hay công nghệ chế tạo chi phí lớn đi
kèm. Cũng theo các tác giả, để đánh giá quá trình quá độ và xác lập của LSPMSM cần có
một mô hình toán với các thông số đầu vào phụ thuộc cấu hình động cơ (cấu hình stato,
rôto, vị trí các thanh nam châm, các tấm cản từ,…) [51].
Honsinger (1980) [78] nghiên cứu đề xuất mô hình toán của LSPMSM được viết theo
hệ tọa độ d, q với các thông số đầu vào là điện áp, điện cảm, điện trở stato và rôto, từ thông
không tải do NCVC sinh ra,… Do công nghệ tính toán thời điểm này chưa phát triển nên
Honsinger không trực tiếp giải bài toán vi phân, mà thông qua mô hình toán Honsinger xây
dựng các phương trình tính toán mômen KĐB (mômen lồng sóc) và mômen cản dưới dạng
các hàm số giải tích. Cũng trong năm 1980 [79], Honsinger nghiên cứu phương pháp tính
toán LSPMSM ở chế độ vận hành xác lập có tính đến tổn hao sắt. Ông đề xuất hai phương
pháp, phương pháp đầu tiên ứng dụng lý thuyết máy điện đồng bộ thông thường bằng cách
sử dụng các phương trình pha được hiệu chỉnh thông qua bổ sung mạch từ phụ. Phương
pháp thứ hai ứng dụng tổng trở máy điện, trong đó tổng trở được hiệu chỉnh để tính đến
ảnh hưởng của tổn hao sắt. Tác giả kết luận, khi thiết kế phải tính toán chi tiết các tổn hao,
đặc biệt đối với các động cơ công suất nhỏ để có tổn thất sắt, tổn thất đồng nằm trong giới
hạn đảm bảo chỉ tiêu về mặt hiệu suất. Honsigner (1982) [80] nghiên cứu tính toán một số
thông số cơ bản của LSPMSM: Điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục (Lmd), điện cảm từ hóa
đồng bộ ngang trục (Lmq), sức điện động cảm ứng không tải (E0). Honsinger nghiên cứu
một số cấu hình cơ bản của động cơ, từ cấu hình cơ bản sẽ giải quyết cấu hình khác phức
tạp hơn. Trong nghiên cứu, Honsinger cũng cho rằng các đặc tính của LSPMSM ở chế độ
vận hành xác lập phụ thuộc nhiều vào các thông số sức điện động cảm ứng không tải E0,
điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục và ngang trục (Lmd, Lmq).
T. J. Miler (1984) [72] nghiên cứu quá trình khởi động của LSPMSM, trong đó tác giả
tập trung nghiên cứu phân tích sâu ảnh hưởng của các thông số chính. Miller cho rằng
5


trong quá trình khởi động, mômen điện từ tổng là tổ hợp của các thành phần mômen KĐB
(induction torque), mômen từ trở (reluctance torque) và mômen cản do NCVC sinh ra

(braking torque). Trong các thành phần mômen, mômen do NCVC sinh ra làm cho tổng
mômen kéo giảm, dẫn đến quá trình khởi động của LSPMSM gặp khó khăn. Miller kết
luận, LSPMSM có đường đặc tính mômen/độ trượt dốc, do điện trở lồng sóc nhỏ, sẽ có khả
năng đồng bộ hóa tốt, đặc biệt đối với động cơ công suất lớn. Nhưng ngược lại, có thể dẫn
đến giá trị mômen mở máy bị suy giảm, trong trường hợp này phải thiết kế lồng sóc kép.
Qua thực nghiệm với động cơ thí nghiệm 25 Hp, 3 pha, 460 V, tốc độ 1.800 vòng/phút,
Miller nhấn mạnh quá trình khởi động là vấn đề then chốt của LSPMSM, vì vậy trong khi
thiết kế cần phải lựa chọn các thông số hợp lý để đảm bảo quá trình khởi động của động
cơ. Miller và cộng sự (2003) [73] nghiên cứu LSPMSM với cấu hình NCVC gắn chìm.
Theo các tác giả, hiện tượng bão hòa mạch từ đặc biệt phức tạp đối với LSPMSM gắn
chìm do các phần lõi thép bên trong kết cấu lúc vận hành sẽ có mức độ bão hòa khác nhau.
Đôi khi bão hòa mạch từ sẽ làm thay đổi lớn đến giá trị điện cảm và sức điện động cảm
ứng NCVC. Tuy nhiên các giá trị này thường được sử dụng trong các phương pháp truyền
thống để tính toán mômen, dòng điện, điện áp,… vì vậy kết quả thu được sẽ có thể không
đảm bảo chính xác. Bên cạnh phương pháp tính toán truyền thống, phương pháp phần tử
hữu hạn (PTHH) với khả năng giải quyết các bài toán điện từ trường với độ chính xác cao
cũng được sử dụng để tính toán LSPMSM, nhưng tốc độ tính toán chậm. Từ đó, tác giả đề
xuất phương pháp đồ thị sức từ động - từ thông (Flux - MMF Diagram) để tính toán mô
phỏng LSPMSM. Qua nghiên cứu và thực nghiệm, Miller khẳng định phương pháp đồ thị
sức từ động - từ thông đề xuất có thể xác định các thông số Xd, Xq, E0 tương tự phương
pháp PTHH, ngoài ra phương pháp này có thể xác định các thông số trên trong điều kiện
vận hành không phải lý tưởng.
M. A. Rahman, A. M. Osheiba và T. S. Radwan (1997) [54] nghiên cứu quá trình khởi
động LSPMSM. Tác giả nghiên cứu mômen điện từ tổng hợp trong quá trình khởi động.
Nghiên cứu cho rằng mômen điện từ tổng hợp là tổ hợp của mômen trung bình thời điểm
vận hành xác lập và mômen dao động. Mômen trung bình sẽ có tác dụng kéo động cơ vào
đồng bộ, trong khi đó mômen dao động làm cho động cơ rung và ồn trong quá trình khởi
động. Từ phương trình mômen trung bình và mômen dao động, các tác giả đề xuất phương
pháp tính toán mômen điện từ tổng hợp để nghiên cứu quá trình khởi động động cơ. Bên
cạnh đó, tác giả cũng sử dụng phương trình mômen điện từ tổng hợp để nghiên cứu một số

ảnh hưởng của tham số động cơ đến quá trình khởi động như: điện áp, tần số nguồn cấp, tỷ
lệ cực lồi, điện áp không tải. Kết quả tính toán từ phương trình mômen tổng hợp đề xuất sẽ
được so sánh với kết quả thử nghiệm trên một LSPMSM mẫu. Qua nghiên cứu về quá trình
khởi động LSPMSM, các tác giả cho rằng các thông số của động cơ đều ảnh hưởng đến
khả năng khởi động. Các tác giả kết luận với LSPMSM có mômen khởi động lớn (có khả
năng khởi động với mômen tải cao, điện áp nguồn cấp nhỏ) thì khả năng đồng bộ hóa lại
thấp, ngoài ra tần số nguồn cấp cao thì mômen điện từ tổng hợp sinh ra lại nhỏ, bên cạnh
đó khả năng đồng bộ của LSPMSM còn phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ cực lồi Xd/Xq.
Juliette Soulard, Hans - Peter Nee (2000) [48] nghiên cứu quá trình khởi động của
LSMPSM. Nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng khởi động của LSPMSM phụ thuộc nhiều vào
thông số động cơ. Một số thông số chịu ảnh hưởng của một số yếu tố khác như nhiệt độ, vì
vậy sẽ khó khăn để tính toán chính xác ở chế độ quá độ. Trên cơ sở phân tích, các tác giả
6


đề xuất phương trình tính toán mômen tải ứng dụng hàm Lyapunov. Các tác giả kết luận,
đây là phương pháp đơn giản để xác định mômen tải lớn nhất mà động cơ LSPMSM có thể
khởi động được. Bên cạnh đó, phương pháp cũng có thể được ứng dụng để xét ảnh hưởng
của các thông số động cơ đến khả năng khởi động. Các tác giả cũng cho rằng điện áp
nguồn cấp và điện trở rôto là hai thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng khởi
động của động cơ. Ngoài ra, phương pháp đề xuất có thể được dùng để xác định mômen tải
ngưỡng đối với khả năng khởi động với các điều kiện cho trước và cũng có thể ứng dụng
để đánh giá sơ bộ ban đầu trong thiết kế.
Ugale, Nagabhushanrao, Chaudhari và Bhasme (2008) [62] nghiên cứu quá trình quá
độ của LSPMSM khi ngắt nguồn cấp trong thời gian ngắn. Theo các tác giả, LSPMSM
được thiết kế vận hành trong điều kiện điện áp nguồn cấp sin, tần số cố định, điện áp
nguồn cấp liên tục, cân bằng,… Khi động cơ mất nguồn cấp, rôto sẽ giảm tốc độ từ từ, tốc
độ quay rôto giảm sẽ khác với trường hợp động cơ KĐB do sự có mặt của NCVC trong
rôto. Trong quá trình giảm tốc, động cơ vẫn còn tồn tại từ trường quay được sinh ra bởi
NCVC trong rôto, từ trường này cảm ứng sức điện động kích thích sinh ra dòng cảm ứng

trong stato, dòng cảm ứng sẽ sinh ra mômen cản làm cho quá trình giảm tốc chậm hơn. Khi
điện áp cấp phục hồi trở lại, có sự sai pha giữa sức điện động kích từ và điện áp nguồn cấp,
điều này có thể dẫn đến tác động có hại, đặc biệt là tác hại đối với NCVC. Tác hại do quá
trình mất điện tạm thời phụ thuộc chủ yếu vào loại tải, vì vậy khi thiết kế phải đảm bảo
rằng NCVC sẽ không bị khử từ dưới tác hại trên. Ugale, Singh, Bake và Chaudhari (2009)
[61] nghiên cứu hiệu quả tiết kiệm năng lượng khi ứng dụng LSPMSM trong ngành nông
nghiệp Ấn Độ. Theo nghiên cứu, trong lĩnh vực nông nghiệp động cơ KĐB 3 pha, công
suất 5 Hp, 415 V, 7,3 A, bốn cực, 50 Hz, hiệu suất 85%, hệ số công suất 0,82 là loại được
sử dụng phổ biến nhất. Để đánh giá, tác giả so sánh các cấu hình LSPMSM khác nhau.
Trong đó, stato được tận dụng từ động cơ KĐB 5 Hp sẵn có, rôto được thiết kế lại lồng sóc
để đảm bảo khả năng khởi động, bên trong lõi thép rôto đặt các thanh NCVC có hình dạng
khác nhau. Các tác giả nghiên cứu 6 cấu hình rôto phổ biến của LSPMSM để đánh giá hiệu
suất của từng cấu hình. Các tác giả cũng nghiên cứu với giả thiết động cơ KĐB 5 Hp được
thay thế bởi LSPMSM trong thời gian một năm, giá trị phần năng lượng tiết kiệm được
tính toán để đánh giá lợi ích của việc thay thế động cơ KĐB bằng LSPMSM. Các tác giả
kết luận, với các nước có nền kinh tế mới nổi hoặc đang phát triển như Ấn Độ thì giải pháp
tiết kiệm năng lượng là cần thiết. Bên cạnh đó, do chất lượng điện áp ở các vùng nông
nghiệp, đặc biệt ở các vùng sâu, vùng xa rất thấp, nên động cơ KĐB hiện đang sử dụng với
số lượng lớn chắc chắn sẽ không đảm bảo hiệu suất như thiết kế. Vì vậy, để nâng cao hiệu
suất động cơ trong quá trình chuyển hóa năng lượng có thể sử dụng LSPMSM để thay thế
động cơ KĐB. Nghiên cứu khẳng định, với lợi ích kinh tế nên tiếp tục nghiên cứu ứng
dụng LSPMSM rộng rãi hơn trong ngành nông nghiệp Ấn Độ. Xa hơn nữa, nghiên cứu đề
xuất thay đổi công nghệ chế tạo hiện có để đảm bảo năng lực sản xuất LSPMSM với số
lượng lớn nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng LSPMSM trong tương lai.
T. Marčič, B. Štumberger, Gorazd Štumberger, M. Hadžiselimović, P. Virtić và
D. Dolinar (2008) [76] nghiên cứu so sánh LSPMSM với động cơ KĐB. Các tác giả khẳng
định ở chế độ vận hành xác lập, LSPMSM có hiệu suất và hệ số công suất lớn hơn động cơ
KĐB. Tất cả LSPMSM thí nghiệm ở điện áp và tải định mức đều vận hành với nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ vận hành của động cơ KĐB. Nghiên cứu kết luận, LSPMSM có khả
năng khởi động trực tiếp và có nhiều ưu điểm trong vận hành nên trong tương lai sẽ là loại

7


thay thế cho động cơ KĐB, nhưng đối với LSPMSM một pha thì cần tụ khởi động có giá
trị lớn hơn đối với động cơ KĐB để đảm bảo khả năng khởi động trực tiếp. T. Marčič
(2010, 2011) [75], [77] nghiên cứu một số dạng động cơ khởi động trực tiếp. Tine Marčič
đưa ra ba loại động cơ khởi động trực tiếp là động cơ KĐB, động cơ từ trở và LSPMSM để
nghiên cứu và so sánh hiệu suất giữa các dạng động cơ này (hình 1.2). Tác giả cho rằng
động cơ từ trở có thể là một giải pháp thay thế động cơ KĐB nhưng chỉ ứng dụng cho động
cơ công suất lớn, lý do là nhằm đảm bảo kích thước cản từ (Flux Barrier) để động cơ có
thể khởi động. Nghiên cứu kết luận, LSPMSM gắn chìm với nhiều ưu điểm trong vận hành
đang là hướng nghiên cứu để thay thế động cơ KĐB, đặc biệt là ở dải công suất nhỏ.
Lồng sóc

Động cơ KĐB

Tấm cản từ

Động cơ từ trở

Nam châm vĩnh cửu

Động cơ LSPMSM

Hình 1.2 Các dạng động cơ khởi động trực tiếp (nguồn: [27])

A. Takahashi, S. Kikuchi, K. Miyata, S. Wakui, H. Mikami, K. Ide, A. Binder (2008)
[21] nghiên cứu mômen khởi động của LSPMSM. Các tác giả ứng dụng mô hình toán
LSPMSM do Honsinger đề xuất để mô phỏng quá trình khởi động của động cơ. Nghiên
cứu áp dụng tính toán cho LSPMSM thí nghiệm 3 pha, 5 kW, tốc độ 3000 vòng/phút,

NCVC NdFeB. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thu được khi sử dụng phần
mềm “LUVENS-EX5” ứng dụng phương pháp PTHH. Các tác giả kết luận với phương
pháp đề xuất, mômen khởi động sẽ được phân tích chi tiết, cho phép hiểu sâu về cơ chế
đồng bộ của LSPMSM. Cũng với các tác giả trên (2010) [22] nghiên cứu quá trình khởi
động và xác lập của LSPMSM. Các tác giả nghiên cứu hai loại LSPMSM cực ẩn và cực
lồi. Thông qua phần mềm mô phỏng ứng dụng phương pháp PTHH và kết quả đo lường
thực tế, các tác giả phân tích các đặc tính quá độ và xác lập của hai loại LSPMSM. Các tác
giả kết luận, LSPMSM cực lồi có đặc tính khởi động và vận hành xác lập tốt hơn
LSPMSM cực ẩn, hiệu suất và hệ số công suất tăng tương ứng là 0,6% và 3,4%.
A. Takahashi, S. Kikuchi, H. Mikami, K. Ide, A. Binder (2012) [20] nghiên cứu ứng dụng
mô hình toán LSPMSM. Trong nghiên cứu, các tác giả sử dụng mô hình toán của
LSPMSM viết theo hệ trục tọa độ d, q hiệu chỉnh từ mô hình do Honsinger đề xuất, trong
đó bỏ qua hiệu ứng mặt ngoài và các tham số từ thông tản, từ thông từ hóa được xác định
bằng phương pháp PTHH. Tác giả nghiên cứu thực nghiệm với LSPMSM thí nghiệm 3
pha, 2 cực, 5 kW, tốc độ 3000 vòng/phút, điện áp 200V. Qua nghiên cứu các tác giả kết
luận, các đặc tính và mômen tải tới hạn trong quá trình khởi động thu được từ phương pháp
đề xuất và phương pháp phần tử hữu hạn là tương đương nhau. Như vậy có thể khẳng định
rằng, phương pháp đề xuất cho phép ước lượng đặc tính khởi động trong thời gian ngắn.
D. Aliabad, M. Mirsalim, N. F. Ershad (2010) [14] nghiên cứu cải tiến mômen, khả
năng khởi động và chế độ vận hành xác lập của LSPMSM. Nghiên cứu đề xuất một
phương pháp mở máy đơn giản dựa trên cuộn đổi cực stato, phương pháp này cho phép
khắc phục nhược điểm khó khởi động của LSPMSM. Với phương pháp đề xuất, chất lượng
đặc tính tốc độ khởi động tăng lên do làm giảm mômen cản, tăng điện trở lồng sóc trong
quá trình mở máy, bên cạnh đó, khả năng đồng bộ hóa cũng được cải thiện đáng kể.
8


D. Aliabad, M. Mirsalim (2012) [13] nghiên cứu quá trình khởi động và mô hình toán
LSPMSM. Các tác giả khẳng định, phương pháp đổi cực LSPMSM khi khởi động có rất
nhiều ưu điểm như cải thiện mômen khởi động, tăng khả năng đồng bộ hóa và nâng cao

hiệu suất ở chế độ vận hành xác lập, tuy nhiên khi đóng cắt đổi cực sẽ xuất hiện một vài
dao động mômen có thể làm ảnh hưởng xấu đến quá trình quá độ. Biên độ dao động khi
đóng cắt đổi cực phụ thuộc vào tốc độ động cơ, thời điểm đóng cắt, biên độ dao động này
lớn có thể dẫn đến chế độ vận hành không ổn định, thậm chí còn làm cho LSPMSM hoạt
động dưới tốc độ đồng bộ. Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn để có thể lợi dụng triệt
để ưu điểm của phương pháp đổi cực khi khởi động.
D. Stoia, S. S. Sorea, C. Apetrei, D. M. Ionel, A. Popa, E. Demeter, D. Ştefan (1997)
[35] nghiên cứu quá trình khởi động của LSPMSM. Các tác giả đề xuất phương pháp tính
toán mômen khởi động LSPMSM thông qua giải pháp đo lường và thu thập dữ liệu. Các
thông số đầu vào (dòng, áp, độ trượt) được đo thông qua card CIO-AD16JR tốc độ cao và
sẽ là dữ liệu trong khâu tính toán trên máy tính ứng dụng các phương trình cơ bản của
LSPMSM. Kết quả đầu ra là đặc tính mômen điện từ khởi động theo thời gian, hoặc các
thành phần mômen phụ thuộc vào độ trượt s tương ứng. Với phương pháp này, đòi hỏi phải
có sẵn động cơ để thử nghiệm. D. Stoia, M. Cernat, K. Hameyer, D. Ban (2009) [33]
nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán kích thước NCVC để đảm bảo hài hòa quá trình
khởi động và vận hành xác lập của LSPMSM, điểm làm việc của NCVC được thiết kế sao
cho có lợi nhất về mặt năng lượng. D. Stoia, O. Chirilă, M. Cernat, K. Hameyer, D. Ban
(2010) [34] nghiên cứu đặc tính khởi động của LSPMSM. Nghiên cứu phân chia quá trình
khởi động của LSPMSM thành ba giai đoạn: Giai đoạn 1 là giai đoạn tăng tốc, lúc này
dòng khởi động cao, mômen KĐB và mômen cản đạt giá trị cực đại, khi tốc độ động cơ
nhỏ hơn nửa tốc độ đồng bộ sẽ xuất hiện các khoảng “giảm tốc”; Giai đoạn 2 là giai đoạn
kéo vào đồng bộ, lúc này LSPMSM đi vào trạng thái dao động quanh điểm cân bằng (tốc
độ đồng bộ); Giai đoạn 3 là quá trình đồng bộ hóa, mômen cản do NCVC sinh ra luôn
dương, mômen kéo lồng sóc giảm dần giá trị về không.
İlhan Tarimer (2009) [44] nghiên cứu đánh giá hiệu suất vận hành xác lập một số cấu
hình điển hình của LSPMSM. İlhan Tarimer nghiên cứu tám loại cấu hình rôto LSPMSM
phổ biến nhất (hình 1.3).

a)

b)

c)

e)

f)

g)

Hình 1.3 Tám cấu hình LSPMSM phổ biến (nguồn: [44])

9

d)

h)