Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển tốc độ cho động cơ không dùng lõi thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Bùi Trung Tuyến

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Bùi Trung Tuyến

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. Nguyễn Quang Địch

Hà Nội – Năm 2017

Mục Lục

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ..................................................................... iii
Danh mục bảng biểu.................................................................................................. iv
Danh mục hình vẽ, đồ thị ............................................................................................v
Lời nói đầu ..................................................................................................................1
Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc .............................................................1
Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu của luận văn ........................................3
Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả .....................3
Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................4
Chƣơng 1.

TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỘNG CƠ KHÔNG DÙNG LÕI THÉP ....5

1.1. Tổng quan về động cơ không lõi thép ...........................................................5
1.1.1.

Hiện tƣợng mô men đập mạch (Cogging Torque) ..............................6

1.1.2.

Động cơ khơng lõi thép .......................................................................8

1.1.3.

So sánh động cơ có lõi thép và không lõi thép ....................................9

1.1.4.

Ứng dụng của động cơ không lõi thép ..............................................11

1.2. Động cơ tự nâng không lõi thép ..................................................................11
Chƣơng 2.

XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG

DÙNG LÕI THÉP .....................................................................................................13
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ..................................................................13
2.1.1.

Cấu tạo ...............................................................................................13

2.1.2.

Nguyên lý hoạt động .........................................................................16

2.2. Mô hình tốn học động cơ tự nâng khơng lõi thép ......................................17
2.2.1.

Mô tả cấu trúc động cơ trên hệ trục tọa độ Oxy và z-θ .....................17

2.2.2.

Phân tích các thành phần lực và mô men ..........................................18
i

Mục Lục
2.2.3.

Mơ hình hóa động cơ tự nâng khơng lõi thép ...................................24

Chƣơng 3.

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG

KHÔNG DÙNG LÕI THÉP .....................................................................................29
3.1. Cấu trúc điều khiển cho động cơ tự nâng không lõi thép ............................29
3.1.1.

Bộ điều khiển mơ men vịng kín ......................................................30

3.1.2.

Bộ điều khiển mơ men vịng hở ........................................................31

3.2. Tính tốn tham số bộ điều khiển PI và PID cho mạch vòng tốc độ và vị trí...
.....................................................................................................................33
3.2.1.

Bộ điều khiển vị trí ............................................................................35

3.2.2.

Bộ điều khiển tốc độ ..........................................................................36

Chƣơng 4.

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG .......................40

4.1. Mơ phỏng bằng cơng cụ Matlab/ Simulink .................................................40
4.1.1.

Xây mơ hình trên Matlab/Simulink ...................................................41

4.1.2.

Mô phỏng...........................................................................................43

4.2. Chế tạo thực nghiệm ....................................................................................46
4.2.1.

Các thiết bị phần cứng .......................................................................48

4.2.2.

Kết quả chế tạo và thực nghiệm ........................................................54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................57
5.1. Kết luận........................................................................................................57
5.2. Kiến nghị .....................................................................................................57
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................58
Phụ lục .......................................................................................................................60

ii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Ký hiệu

Ý nghĩa

Tiếng anh

ABM

Ổ đỡ từ chủ động

Active magnetic bearings

AC

Dòng điện xoay chiều

Alternating Current

ADC

Mạch chuyển đổi tƣơng tự ra số

Analog-to-digital converter

BJT

Transistor lƣỡng cực

Bipolar junction transistor

BLDC

Động cơ một chiều không chổi than Brushless DC electric motor

DAC

Mạch chuyển đổi số ra tƣơng tự

Digital-to- analog converter

DC

Dòng diện một chiều

Direct Current

HP

Mã lực

Horse power

PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ

Proportional Integral Derivative

SBSM

Động cơ tự nâng không lõi thép

Self-Bearing Slotless Motor

TTL

Mạch kỹ thuật số dùng transistor

Transistor-transistor logic

iii


Danh mục bảng biểu

Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1. So sánh thơng số cơ bản giữa động cơ có và khơng lõi thép ....................11
Bảng 2.1. Chiều của lực từ và vị trí tƣơng ứng của các pha .....................................16
Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng các trƣờng hợp điểm cực khác nhau ..........................38
Bảng 4.1. Tham số chế tạo động cơ ..........................................................................41
Bảng 4.2. Tham số mô phỏng ...................................................................................42
Bảng 4.3. Liệt kê đầu vào ra sử dụng trên card DS1104 ..........................................47
Bảng 4.4. Thông số kỹ thuật của họ cảm biến LS-500 .............................................52
Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật mạch khuếch đại công suất .........................................54

iv


Danh mục hình vẽ, đồ thị

Danh mục hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Động cơ khơng lõi thép ...............................................................................5
Hình 1.2. Phƣơng pháp giảm mô men đập mạch bằng cách tạo rãnh xoắn ................6
Hình 1.3.Cấu trúc động cơ khơng lõi thép (slotless motor)(a) và mơ hình mạch từ
đơn giản(b). .................................................................................................................8
Hình 1.4. So sánh cấu tạo động cơ có lõi thép và khơng lõi thép .............................10
Hình 1.5. So sánh mơ men hai loại động cơ .............................................................10
Hình 1.6. Cấu tạo động cơ tự nâng khơng lõi thép ...................................................12
Hình 2.1. Cấu tao Rotor động cơ khơng lõi thép ......................................................13
Hình 2.2. Đƣờng sức từ khi có vỏ sắt .......................................................................14
Hình 2.3. Cấu tạo stator.............................................................................................14
Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo một vịng dây quấn của động cơ .........................................15
Hình 2.5. Một cuộn dây động cơ trong thực tế .........................................................15
Hình 2.6. Lực từ và mô men quay động cơ tự nâng khơng lõi thép .........................16
Hình 2.7. Sơ đồ động cơ theo trục tọa độ: a) trục Oxy b) trục z-θ ..........................17
Hình 2.8. Phân tích lực thành phần tạo lực nâng Fx và Fy .......................................19
Hình 2.9. Véc tơ lực nâng đối với rotor ....................................................................21
Hình 2.10. Phân tích thành phần lực tạo mơ men .....................................................23
Hình 2.11. Sơ đồ quấn dây ........................................................................................26
Hình 3.1. Bộ điều khiển vịng kín .............................................................................31
Hình 3.2. Bộ điều khiển vịng hở ..............................................................................32
Hình 3.3. Mơ hình đối tƣợng bộ điều khiển vị trí .....................................................34
Hình 3.4. Mơ hình đối tƣợng cho bộ điều khiển mạch vịng tốc độ .........................34
Hình 3.5. Phân tích đặc tính quá độ trong các trƣờng hợp điểm cực khác nhau. .....38
Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng khơng lõi thép ................................40

Hình 4.2. Mơ hình động cơ trên simulink .................................................................41
Hình 4.3. Mơ hình mơ phỏng mạch vịng kín trên simulink .....................................42
Hình 4.4. Mơ hình mơ phỏng trƣờng hợp vịng hở ...................................................43
Hình 4.5. Kết quả mơ phỏng trƣờng hợp vị trí ban đầu x=0.5mm, y=-0.5mm ........44
Hình 4.6. Kết quả mơ phỏng trƣờng hợp vị trí ban đầu x = -0.5mm, y = 0.5mm và
tác dụng lực 1N tại t=0,5s .........................................................................................44
v


Danh mục hình vẽ, đồ thị
Hình 4.7. Kết quả mơ phỏng với momen cản bằng 0 ...............................................45
Hình 4.8. Kết quả mô phỏng với mô men cản bằng 1Nm tại thời điểm t = 0,5s ......45
Hình 4.9. Kết quả mơ phỏng điều khiển mơ men vịng hở .......................................46
Hình 4.10. Mơ hình thực nghiệm điều khiển động cơ SBSM sử dụng DS1104 .......47
Hình 4.11. Các bƣớc quấn dây stator ........................................................................48
Hình 4.12. Hình ảnh của động cơ tự nâng khơng lõi thép ........................................49
Hình 4.13. Card điều khiển DS1104 .........................................................................50
Hình 4.14.Cảm biến LS-500-2A ...............................................................................53
Hình 4.15. Đƣờng đặc tính đầu ra với vật liệu đối tƣợng là sắt , thép .....................53
Hình 4.16. Sơ đồ nguyên lý mạch cơng suất.............................................................53
Hình 4.17. Layout mạch in phần cơng suất...............................................................54
Hình 4.18. Cấu trúc bộ thí nghiệm ............................................................................55
Hình 4.19. Giao diện điều khiển trên máy tính .........................................................55
Hình 4.20. Sơ đồ điều khiển xây dựng trên Matlab/Simulink ..................................56

vi


Lời nói đầu

Lời nói đầu
Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây nhờ sự phát triển của khoa học, kỹ thuật rất nhiều loại
máy móc thiết bị mới đã ra đời phục vụ cho công nghiệp và sinh hoạt. Với những
đặc điểm nổi bật nên động cơ điện đồng bộ kết hợp ổ từ đƣợc sử dụng trong nhiều
lĩnh vực với các ứng dụng khác nhau nhƣ: trong y tế, động cơ đồng bộ dùng ổ từ tạo
truyền động cho dây chuyền điều chế thuốc; bơm làm mát cho các bộ phát tia laser;
ứng dụng trong công nghệ thực phẩm; máy phát tua–bin... Các đặc điểm vƣợt trội
hơn các loại động cơ khác nhƣ hiệu suất, cosφ cao; tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp;
khơng bị hao mịn, ma sát rất nhỏ do dùng ổ từ; có khả năng tăng công suất khi tăng
thêm các stator và rotor gắn trên trục động cơ…
Hơn nữa, chất lƣợng của một hệ truyền động phụ thuộc rất nhiều vào động cơ
tạo nên truyền động đó. Cần phải tạo ra một hệ truyền động có khả năng thay đổi
tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lƣợng điều chỉnh
ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ
quá trình quá độ nào cũng phải đạt đƣợc độ ổn định cao và hệ phải có khả năng đáp
ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh. Tất cả những điều này thực sự đặt ra những yêu
cầu càng ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống truyền động; đặc biệt yêu cầu
điều khiển thông minh, nhanh ở động cơ đồng bộ sẽ đƣợc đề cao hơn rất nhiều. Các
cấu trúc động cơ thông thƣờng đã đƣợc cải tiến một cách mạnh mẽ tuy nhiên vẫn
tồn tại các nhƣợc điểm của một động cơ có lõi thép nhƣ: tồn tại mô men đập mạch,
tần số hoạt động thấp…
Và để giải quyết các yêu cầu đó tác giả quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
thiết kế hệ điều khiển tốc độ cho động cơ không dùng lõi thép” để làm luận văn.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Khoảng hơn mƣời năm trở lại đây trên thế giới đã thực hiện nhiều nghiên cứu
về động cơ tự nâng không lõi thép, đặc biệt đã chế tạo thành cơng nhiều mẫu trong
phịng thí nghiệm. Một số nghiên cứu đã đƣợc cơng bố trên các tạp chí khoa học
hàng đầu. Cụ thể:

-1-


Lời nói đầu
-

Tại phịng thí nghiệm Cơ điện tử trƣờng đại học Kentucky, Hoa Kỳ. Các
phân tích và đánh giá về động cơ tự nâng không lõi thép cho thấy: mơ men
và lực nâng có thể thực hiện đƣợc với số lƣợng cực của nam châm lớn, độ
lớn của mô men và lực nâng có thể đƣợc gia tăng theo chiều dày của nam
châm, động cơ có thể hoạt động ổn định nếu sự sai lệch giữa dòng điện và từ
trƣờng nam châm nhỏ[1]. Nhóm tác giả này đã chế tạo thử nghiệm động cơ
này với thông số : đƣờng kính 152mm, dài 25.4mm, lực đỉnh lên tới 213.6 N
và mơ men đỉnh đạt 24Nm.[2]

-

Tại phịng thí nghiệm Điện tử công suất của Viện công nghệ Liên bang Thụy
sĩ . Các nhà nghiên cứu đã thực hiện chế tạo động cơ loại này đạt đƣợc tốc
độ 550000 rpm. Điều mà các động cơ thông thƣờng chƣa thực hiện đƣợc [3].

-

Tại Trƣờng đại học Ritsumeikan, Nhật bản, một cấu trúc động cơ mới đã
đƣợc nghiên cứu bằng cách thay đổi cách thức chế tạo đã đơn giản hóa đƣợc
phƣơng pháp điều khiển[4].
Ngồi ra cịn có một số nghiên cứu bổ sung hồn thiện thiết kế đã đƣợc cơng

bố khác. Cịn tại Việt Nam, loại động cơ này còn tƣơng đối mới nên chƣa có các
nghiên cứu cụ thể về lĩnh vực này.

Việc nghiên cứu mới chỉ thực hiện trong phịng thí nghiệm, mặc dù các công
bố cho thấy khả năng làm việc của chúng nhƣng vẫn chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi.
Các bài toán điều khiển cho loại động cơ này chƣa thực sự đƣợc đề cập tới, phần
lớn các nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và chế tạo động cơ cũng nhƣ phân
tích các cách thức làm việc của nó.

-2-


Lời nói đầu
Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục đích chính của đề tài là tìm hiểu nghiên cứu về động cơ tự nâng không lõi
thép. Tìm hiểu và nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển đối với một cấu trúc động cơ
cụ thể. Tính tốn mơ phỏng hệ thống và thực nghiệm kiểm chứng.
Đối tƣợng của đề tài là động cơ tự nâng không lõi thép sử dụng 6 pha đƣợc
miêu tả cụ thể trong chƣơng 2 của luận văn. Phạm vi đề tài là thực hiện nghiên cứu
lý thuyết nguyên lý hoạt động của động cơ từ đó xây dựng mơ hình thí nghiệm kiểm
chứng tạo tiền đề cho các nghiên cứu mở rộng sau này.
Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Trong luận văn này tác giả sẽ trình bày nội dung theo bốn chƣơng, cụ thể là:
-

Chƣơng 1: Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không sử dụng lõi thép.
Tổng quan về loại động cơ khơng lõi thép, phân tích các ƣu điểm và
nhƣợc điểm của loại động cơ này so với động cơ lõi thép thông thƣờng,
đồng thời giới thiệu về cấu trúc động cơ tự nâng không lõi thép đang
nghiên cứu.

-

Chƣơng 2: Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ khơng dùng lõi thép
đang nghiên cứu.

-

Chƣơng 3: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ tự nâng không lõi
thép. Xây dựng mơ hình hệ điều khiển cho động cơ, phân tích các phƣơng
pháp điều khiển khả quan cho đối tƣợng và tính tốn lựa chọn tham số bộ
từng bộ điều khiển đối với mạch vịng vị trí và mơ men.

-

Chƣơng 4: Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng. Mô phỏng đối tƣợng
trên công cụ Matlab/Simulink. Đồng thời chế tạo bộ thí nghiệm động cơ
tự nâng khơng lõi thép với cơng cụ điều khiển DS1104.

Luận văn này góp phần vào việc nghiên cứu các hệ thống truyền động mới trên
thế giới. Việc nghiên cứu các hệ điều khiển truyền động cho động cơ tự nâng không
lõi thép chƣa phổ biến ở Việt Nam. Do đó, với kết quả của luận văn này có thể đƣợc
làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo.

-3-


Lời nói đầu
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên các kết quả đã đƣợc công bố, phƣơng pháp tiếp cận là thừa hƣởng
các nghiên cứu đã có, áp dụng các lý thuyết chung để thực hiện chế tạo thử nguyên
mẫu, từ đó nghiên cứu và giải quyết các vấn đề mang tính mới.
Phƣơng pháp nghiên cứu là sử dụng các phân tích lý thuyết vật lý cơ bản trong

lý thuyết điện từ trƣờng để tìm hiểu ngun lý động cơ. Từ đó kiểm nghiệm lại bằng
các mơ phỏng và thí nghiệm.

-4-


Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỘNG CƠ KHƠNG DÙNG
LÕI THÉP
1.1.

Tổng quan về động cơ khơng lõi thép
Các nhà thiết kế thƣờng chọn những động cơ không chổi than cho các máy

bơm, quạt gió và động cơ cho ổ cứng bởi vì chúng đã loại bỏ đƣợc các thiết bị điện
tử phức tạp cũng nhƣ chổi than. Tuy nhiên, khi nhu cầu của ngành công nghiệp phát
triển, yêu cầu tối ƣu hóa hiệu suất động cơ trở nên quan trọng. Động cơ DC không
chổi than ngày nay rất tinh vi đến mức chúng có thể đáp ứng và vƣợt qua các đặc
tính, chức năng của bộ điều khiển DC servo truyền thống. Động cơ không sử dụng
lõi thép (SBSM - Self-Bearing Slotless Motor) là một ví dụ điển hình cho các tiến
bộ gần đây. Thiết kế động cơ không lõi thép cung cấp những ƣu điểm vận hành và
hiệu suất tăng đáng kể so với các động cơ một chiều khơng chổi than.

Hình 1.1. Động cơ khơng lõi thép
Hầu hết các động cơ BLDC sử dụng bộ điều khiển điện tử với các cảm biến sử
dụng hiệu ứng Hall. Ngoài ra, một số phƣơng pháp điều khiển động cơ loại này
không sử dụng cảm biến mà thay vào đó sử dụng phản hồi sức điện động. Rotor của
động cơ bao gồm một trục thép với nam châm vĩnh cửu hoặc các phiến nam châm
ghép quanh chu vi trục. Stator là các tấm thép mỏng (dày 0.35mm đến 0.5mm) đƣợc

ghép lại với nhau tạo thành một khối vững chắc chứa các rãnh quấn dây. Các cuộn
dây đồng đƣợc đặt vào trong các rãnh. Đƣờng sức của từ thông hoàn toàn khép

-5-


Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép
mạch trong stator và vỏ động cơ. Trên thị trƣờng, động cơ BLDC thơng thƣờng có
cơng suất lên đến vài HP, một số có cơng suất lớn hơn nhƣng kém phổ biến hơn.
So với động cơ có chổi than, động cơ khơng chổi than có nhiều ƣu điểm: tốc
độ cao, gia tốc nhanh, mô men xoắn liên tục cao hơn, tiếng ồn thấp và ít gây nhiễu
điện từ. Tuy nhiên, các rãnh stator tạo ra sự không đồng đều về mặt từ, cực nam
châm tác động một lực từ nhất định lên các răng stator, mật độ từ thơng của rotor tại
các điểm đó cũng lớn hơn các vị trí khác. Điều này ảnh hƣởng xấu đến hiệu suất và
sự mƣợt mà của chuyển động quay rotor. Sự dao động mô men sinh ra khi nam
châm của rotor cố gắng quay tới điểm ổn định của nó. Các cuộn dây đồng trong
rãnh tạo ra từ trƣờng tuy nhiên nó lại khơng đồng đều mà đƣợc phân bố nhiều hơn ở
mặt răng của stator. Hiện tƣợng này làm giảm hiệu năng, tạo ra rung động và tiếng
ồn của động cơ. Nó đƣợc gọi là mơ men đập mạch (Cogging Torque).
1.1.1. Hiện tượng mô men đập mạch (Cogging Torque)
Mô men đập mạch là hiện tƣợng không mong muốn trong các máy điện đƣợc
tạo ra do lực hút miễn cƣỡng giữa răng stator và cực từ rotor. Nói cách khác, tồn tại
một mơ men có xu hƣớng gây ra cho rotor tại một số điểm lớn hơn các điểm khác
khi chƣa cung cấp dịng điện stator. Có thể thấy điều này khi ta xoay nhẹ rotor bằng
tay. Mô men đập mạch có giá trị trung bình bằng 0 và nó khơng phụ thuộc vào dịng
điện đặt vào.

Hình 1.2. Phương pháp giảm mô men đập mạch bằng cách tạo rãnh xoắn
Trong khi mơ men này có lợi cho loại động cơ bƣớc thì trong động cơ nam
châm vĩnh cửu nói chung nó trở thành bất lợi. Mơ men đập mạch tạo ra tiếng ồn và

-6-


Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ khơng dùng lõi thép
xung động có thể hủy hoại máy điện trong một số trƣờng hợp nhƣ cộng hƣởng cơ
học làm giảm dải tần số làm việc của động cơ…Vì vậy mô men đập mạch là một
thông số rất quan trọng của máy điện trong quá trình thiết kế. Giá trị đỉnh của nó
đƣợc phụ thuộc vào các thơng số nhƣ độ rộng rãnh từ, từ thông nam châm vĩnh cửu
và khe hở khơng khí. Trong thực tế nó có thể đƣợc giảm thiểu bằng cách lựa chọn
các thông số trên một cách hợp lý. Nó có thể đƣợc xác định bằng cơng thức:

1 dR
Tcog   g2
2 d

(1.1)

Trong đó ϕg là từ thơng qua khe hở khơng khí sinh ra bởi nam châm, R là
khoảng cách khe hở không khí θ là vị trí của rotor.
Có một số phƣơng pháp để giảm hoặc loại bỏ mô men đập mạch dựa trên các
ứng dụng và khi đã xem xét các khía cạnh kinh tế và kỹ thuật.
-

Nghiêng rãnh stator

-

Nghiêng phiến nam châm rotor hoặc tối ƣu hóa các cực nam châm.

-

Làm tăng mật độ các rãnh dây quấn

-

Xây dựng cấu trúc động cơ không lõi thép

Trong số các phƣơng pháp nêu trên, hai phƣơng pháp đầu tiên là phổ biến hơn.
Bên cạnh đó, một số phƣơng pháp mới cũng có thể làm giảm mô men đập mạch.
Trong phƣơng pháp đầu tiên là nghiêng khe stator, dễ thấy nhƣ trong Hình 1.2,
phiến nam châm đƣợc trải dài trên một diện tích bao gồm nhiều răng nghiêng. Do
đó, mơ men này bị giảm đi do phƣơng tác động đã bị thay đổi và lực tác động tổng
bị giảm xuống. Phƣơng pháp thứ hai áp dụng tính chất nam châm nghiêng trên rotor
làm suy giảm độ lớn từ thông phân bố trên sator, bằng cách này mô men đập mạch
sẽ giảm đi rõ rệt nếu điều chỉnh tốt hình dạng và vị trí của PM. Trong phƣơng pháp
thứ ba, mỗi phiến nam châm sẽ có tƣơng tác với một số các răng của stator, việc
tăng số lƣợng răng trên stator khiến cho sự tƣơng tác nhiều hơn và chúng tạo ra các
cặp lực triệt tiêu nhau, từ đó cũng làm giảm mơ men đập mạch.
Cách cuối cùng xây dựng một động cơ không sử dụng lõi thép, đây là phƣơng
pháp tối ƣu vì nó làm biến mất hồn tồn sự tƣơng tác giữa nam châm rotor và lõi
thép stator.

-7-


Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép
1.1.2. Động cơ không lõi thép
Khi công nghệ và các phƣơng pháp sản xuất đƣợc cải tiến, các thiết kế stator
không lõi thép nổi lên nhƣ là một giải pháp thay thế cho động cơ không chổi than có

lõi thép thơng thƣờng. Thay vì uốn dây đồng qua khe trong các rãnh thép chúng
đƣợc xếp chồng lên nhau và phủ lớp chống ăn mòn bằng silicon. Sau đó, tồn bộ
dây quấn đƣợc đóng gói trong nhựa epoxy nhiệt độ cao để duy trì hình dạng. Cấu
hình này loại bỏ các biến động mô men giúp động cơ làm việc trơn tru. Thiết kế
không lõi thép cũng làm giảm tổn thất liên quan đến dịng xốy. Với tổn thất giảm
nên động cơ không lõi thép làm việc hiệu quả hơn và mát hơn.
Động cơ BLDC không lõi thép đƣợc phát triển để loại bỏ cogging Torque của
động cơ BLDC thông thƣờng. Mỗi nam châm trên rotor sẽ tƣơng tác với một số
răng nhất định trên stator, việc tăng số rãnh sẽ làm giảm sự khác biệt về vị trí tƣơng
tác của chúng từ đó làm giảm Cogging Torque. Tuy nhiên, việc này chỉ làm giảm
chứ khơng hồn tồn biến mất mô men này. Số lƣợng rãnh này càng lớn thì mơ men
gây ra càng nhỏ. Về mặt lý tƣởng, nếu khơng có rãnh sator, mơ men đập mạch sẽ
bằng 0. Do đó, các động cơ BLDC khơng sử dụng lõi thép đƣợc tạo ra cho các ứng
dụng mà ở đó u cầu về chất lƣợng mơ men là mối quan tâm lớn lớn nhất.

Hình 1.3.Cấu trúc động cơ khơng lõi thép (slotless motor)(a) và mơ hình mạch từ
đơn giản(b).
Hình 1.3 cho thấy một sơ đồ động cơ BLDC không lõi thép. Các nam châm
vĩnh cửu tách biệt đƣợc kết hợp với lõi rôto và các cuộn dây phân phối đƣợc cố định
trên lõi stator. Nếu các thông số hình học và vật liệu của mơ hình, khoảng cách
khơng khí từ tính đƣợc tính tốn thì trong mơ hình mạch từ có tính đến một cặp cực
từ thơng Φ có thể đƣợc biểu diễn bằng:

-8-


Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép



2 Rm
r 
2 Rm  2 K r Rg

1
R
1  Kr g
Rm

r

(1.2)

Trong đó Rm và Rg là từ trở rãnh và khe hở khơng khí tƣơng ứng, Φr là từ
thông cực từ, và Kr hệ số để bù đắp cho sự thiếu hụt của vật liệu thép khơng sử
dụng.
Từ thơng giữa khe hở khơng khí có thể đƣợc viết nhƣ sau:

 g  Kl  

Kl
1  Kr

r gAm

r

(1.3)

lm Ag

Trong đó: Kl  1.5 p

g
Dw

(1.4)

Là hệ số từ thông tản nơi mà từ thông sinh ra bởi nam châm mà không đi vào
lõi stator, số cặp cực p, tỉ số cực tới phân cực β, đƣờng kính trong D. Hình 1.3b cho
thấy một mơ hình đơn giản của mạch từ cho động cơ BLDC không lõi thép. Động
cơ không lõi thép đƣợc thiết kế với dạng điện áp hình sin với sai lệch khơng đáng
kể, khác với động cơ thơng thƣờng sử dụng điện áp hình thang. Đầu ra dạng hình
sin làm giảm dao động mơ men, đặc biệt là khi sử dụng một bộ biến đổi để điều
khiển chúng. Vì thiết kế khơng lõi thép nên khi dừng cấp điện động cơ không tạo ra
mô men cản sinh ra bởi nam châm và stator. Hơn nữa, độ bão hòa từ thấp cho phép
động cơ hoạt động nhiều lần công suất định mức trong những khoảng thời gian
ngắn mà khơng tạo ra các đột biến về dịng áp. Việc không sử dụng lõi thép làm
giảm đáng kể độ tự cảm cải thiện băng thông giúp động cơ có khả năng đáp ứng
nhanh và tăng tốc. Ngày nay, các dạng nam châm đất hiếm có khả năng mang từ
trƣờng lớn hơn sẽ làm tăng tối đa sức mạnh của trƣờng điện từ cho sản lƣợng điện
tối ƣu.
1.1.3. So sánh động cơ có lõi thép và khơng lõi thép
Những đặc điểm nổi trội của động cơ không lõi thép so với động cơ có lõi
thép:
-

Chuyển động mƣợt mà

-

Dao động mô men thấp

-9-


Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép
-

Năng lƣợng tổn hao bé

-

Hằng số mô men là tuyến tính

-

Mặt cắt stator mỏng hơn.

Những hạn chế của động cơ không lõi thép so với động cơ có lõi thép
-

Mơ men xoắn chỉ đạt khoảng 75% so với động cơ cùng công suất

-

Gia tốc bé hơn do mơ men qn tính động cơ lớn hơn.

Hình 1.4 mơ tả sự khác biệt giữa hai loại động cơ. Đối với động cơ không lõi
thép do dây dẫn đƣợc trải đều trên mặt stator nên cho phép thiết kế rotor lớn hơn

làm tăng mô men xoắn của động cơ lên đáng kể.

Hình 1.4. So sánh cấu tạo động cơ có lõi thép và khơng lõi thép
Hình 1.5 miêu tả chất lƣợng mô men của hai loại động cơ cùng dải mơ men,
động cơ khơng lõi thép hồn tồn triệt tiêu mơ men đập mạch.

a) Động cơ có lõi thép

b) Động cơ khơng lõi thép

Hình 1.5. So sánh mơ men hai loại động cơ

- 10 -


Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ không dùng lõi thép
Để thuận tiện trong việc so sánh các đặc điểm của động cơ có và khơng lõi
thép đƣợc liệt kê trong Bảng 1.1. Bảng số liệu so sánh hai động cơ với các tiêu chí
mang tính chất định tính, tổng quan nhất giúp ta nhận biết đƣợc hai loại động cơ
này.
Bảng 1.1. So sánh thông số cơ bản giữa động cơ có và khơng lõi thép
Thơng số
Động cơ thông thƣờng Động cơ không lõi thép
Chuyển động trơn
X
Hằng số mơ men cao
X
Độ tuyến tính mơ men
X
Đƣờng kính trục quay

X
Khả năng gia tốc
X
1.1.4. Ứng dụng của động cơ không lõi thép
Các nhà thiết kế thƣờng chọn các động cơ khơng chổi than thay cho các động
cơ có chổi than thơng thƣờng bởi vì chúng có tuổi thọ cao hơn. Các phiên bản
không chổi than của động cơ DC phù hợp với các ứng dụng yêu cầu vị trí chính xác
và hoạt động trơn tru khơng có đập mạch về mô men, điều này rõ hơn ở dải tốc độ
thấp. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm : thiết bị ngoại vi máy tính, hệ thống lƣu trữ
dữ liệu, kiểm tra và đo lƣờng, thiết bị y tế và phòng sạch.
Để kiểm sốt chính xác vị trí các nhà thiết kế của thiết bị y tế sử dụng các
động cơ khơng có khe vào các máy đo và bơm chất lỏng vào các vùng nhạy cảm
nhƣ mắt. Trong các thiết bị hình ảnh y tế, các động cơ này cung cấp hoạt động trơn
tru tốc độ thấp.
1.2.

Động cơ tự nâng không lõi thép
Trong những năm gần đây, yêu cầu cải thiện, thu nhỏ và tăng độ bền tạo ra

một xu hƣớng phát triển mạnh mẽ dòng động cơ cỡ nhỏ. Ổ đỡ từ chủ động (ABM)
xuất hiện nhƣ một lựa chọn thích hợp để thỏa mãn nhu cầu đó. Nhiều phƣơng án sử
dụng ABM đƣợc đề xuất cho dòng động cơ cỡ nhỏ, tuy nhiên chi phí giá thành cao
và kích thƣớc lớn là hạn chế so với ổ bi cơ khí. Do đó, việc phát triển các giải pháp
nhằm thay thế các ổ từ trong động cơ cỡ nhỏ đảm bảo các tiêu chí về kích thƣớc và
giá thành trở nên cần thiết. Trong xu hƣớng đó, một ABM 6 pha đã đƣợc đề xuất,
tuy nhiên với yêu cầu phải giảm số đơi cực và phải có thiết kế nhỏ hơn đồng thời
vẫn thỏa mãn lực từ đủ lớn đã khiến cấu trúc này trở nên phức tạp.

- 11 -

Chƣơng 1. Tìm hiểu tổng quan về các động cơ khơng dùng lõi thép
Hiện nay, việc tối giản hóa động cơ một chiều không chổi than đƣợc phát triển
đáng kể. Trên thị trƣờng đã có những động cơ đƣờng kính chỉ cỡ 2mm. Một ý tƣởng
là đƣợc đƣa ra là kết hợp động cơ một chiều không chổi than với một ổ từ chủ động.
Dựa trên những đặc trƣng đó. Hình 1.6 mơ tả cấu trúc điển hình của dạng động cơ
đề xuất này. Bối dây quấn không sử dụng lõi thép đƣợc đặt trên stator và lõi nam
châm tròn, vỏ sắt bao quanh stator và gắn cố định với rotor. Rõ ràng ổ từ đề xuất có
cấu trúc đơn giản và đạt đƣợc các mục tiêu về việc tối giản và giá thành thấp.

Hình 1.6. Cấu tạo động cơ tự nâng không lõi thép
Trong đề tài này, động cơ tự nâng có cấu trúc đơn gian đƣợc nghiên cứu và
chế tạo thử. Bằng việc kết hợp một động cơ AC và một ổ từ, động cơ này thỏa mãn
tiêu chí cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Các thơng số lực từ và mơ men đƣợc phân
tích lý thuyết từ đó đƣa ra phƣơng pháp điều khiển chúng. Kết quả phân tích đƣợc
kiểm nghiệm bởi việc sử dụng một mơ hình thực nghiệm đơn giản.

- 12 -


Chƣơng 2. Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ khơng dùng lõi thép

Chương 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO ĐỘNG
CƠ KHƠNG DÙNG LÕI THÉP
2.1.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Nhƣ đã trình bày trong chƣơng trƣớc cấu tạo của động cơ tự nâng không lõi

thép bao gồm rotor cố định theo phƣơng z và stator mang cuộn dây không sử dụng

lõi thép. Mục tiêu của thiết kế là tối giản hóa kết cấu cơ khí nhằm giảm chi phí cũng
nhƣ ngun cơng chế tạo.
2.1.1. Cấu tạo
a)

Rotor
Cấu trúc của rotor đƣợc trình bày nhƣ trong Hình 2.1. Cấu tao Rotor động cơ

không lõi thép. Rotor bao gồm:
-

Nam châm hai cực hình trụ.

-

Vỏ sắt bao quanh.

-

Trục quay.

-

Đế nhơm kết nối các thành phần của động cơ.

Hình 2.1. Cấu tao Rotor động cơ không lõi thép
Khoảng cách của khe hở khơng khí giữa nam châm và vỏ sắt là không đổi
nhằm đảm bảo một từ trƣờng ổn định trong động cơ. Các đƣờng sức từ đi ra khỏi bề
mặt nam châm có xu hƣớng quay vịng về phía cực nam. Vì vậy vỏ sắt có vai trị

- 13 -


Chƣơng 2. Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ không dùng lõi thép
định hƣớng khép mạch từ, hay nói cách khác các đƣờng sức từ sẽ đi ra vng góc
với tiếp tuyến tại điểm đó, tạo sự phân bố đồng đều cho từ trƣờng nằm giữa rotor và
stator. Mặt khác, sự có mặt của vỏ sắt giảm sự khuếch tán từ thơng ra bên ngồi
điều này rất quan trọng trong việc giảm năng lƣợng tiêu thụ của hệ thống. Hình 2.2
mơ tả đƣờng sức từ khi có vỏ sắt.

Hình 2.2. Đường sức từ khi có vỏ sắt
Dễ dàng nhận thấy nếu khơng có vỏ sắt thì việc xác định mật độ từ thông tại
các điểm xung quanh nam châm vĩnh cửu trở nên rất khó khăn do sự phân bổ từ
thông quanh lõi là không đồng đều. Đây cũng là một điểm khác biệt so với các dòng
động cơ khác.
b)

Stator
Stator có cấu tạo nhƣ trong Hình 2.3. Stator bao gồm: cuộn dây sáu pha đƣợc

đặt trên khung nhựa. Cuộn dây đƣợc thiết kế đặc biệt với dây quấn đƣợc trải theo
hình lục giác sau đó quấn quanh một lõi nhựa hình trụ.

Hình 2.3. Cấu tạo stator

- 14 -


Chƣơng 2. Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ không dùng lõi thép
Dây quấn đƣợc thiết kế bằng cách quấn dây trên một khung lục giác sau đó

dàn mỏng đều nhau sao cho thứ tự của chúng không bị xáo trộn. Khung lục giác này
bao gồm hai thành phần:
-

Phần dây quấn song song ( đƣợc ký hiệu là lp): đây là thành phần của dây
quấn song song với trục động cơ và vng góc với đƣờng sức từ. Đây
cũng là thành phần chính tạo ra lực và mơ men chuyển động. Độ dài của
phần này đƣợc thiết kế đảm bảo mô men và lực nâng dựa trên các tính
tốn sẽ đƣợc trình bày ở phần sau.

-

Phần dây quấn nối tiếp ( đƣợc ký hiệu là lt ): đây là thành phần của dây
quấn kết nối các phần song song, chúng khơng hồn tồn đƣợc tính tốn
độc lập mà phụ thuộc vào phần song song sao cho đảm bảo góc nghiêng
α xác định và có chiều dài phù hợp để hai cạnh song song của một hình
lục giác vừa đủ ¼ chu vi hình trịn của vỏ nhựa bao quanh rotor.

Hình 2.4 trình bày sơ đồ cấu tạo của một vòng dây quấn và một đoạn dây quấn
của động cơ. Hình 2.5 là hình ảnh một cuộn dây trong thực tế.

Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo một vịng dây quấn của động cơ

Hình 2.5. Một cuộn dây động cơ trong thực tế
- 15 -


Chƣơng 2. Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ không dùng lõi thép
2.1.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý tạo mô men và lực nâng đƣợc thể hiện nhƣ trong Hình 2.6. Để đơn

giản, số vịng dây mỗi pha của động cơ đƣợc minh họa là 1. Nếu dòng điện đƣợc
cấp có chiều nhƣ trong Hình 2.6 thì lực Lorentz đƣợc tạo ra biểu diễn bằng các mũi
tên màu đen trong hình. Theo định luận 2 Newton, và do cuộn dây đứng yên nên
phản lực tác dụng vào rotor động cơ có cũng phƣơng và ngƣợc chiều. Lực này bao
gồm hai thành phần, một thành phần tạo ra lực nâng và một phần tạo ra mô men
quay rotor. Khi cấp một dịng điện bất kỳ vào một pha nó sẽ sinh ra một cặp lực có
chiều phụ thuộc vào vị trí của nó so với rotor. Cụ thể, nếu ta quy định mặt phẳng
Oxy cố định so với rotor và trục bắc nam có chiều trùng với Ox thì ta có bảng sau:
Bảng 2.1. Chiều của lực từ và vị trí tương ứng của các pha
STT

Vị trí

1

Trùng với Ox
Trong góc phần
tƣ thứ 1
Trùng với Oy
Trong góc phần
tƣ thứ 2
Trùng với Ox
Trong hóc phần
tƣ thứ 3
Trùng với Oy
Trong góc phân
tƣ thứ 4

2
3

4
5
6
7
8

Chiều lực của thành phần
mang dòng điện dƣơng
Cùng chiều kim đồng hồ

Chiều lực của thành phần
mang dòng điện âm
Bằng không

Cùng chiều kim đồng hồ

Cũng chiều kim đồng hồ

Bằng không

Cùng chiều kim đồng hồ

Ngƣợc chiều kim đồng hồ

Ngƣợc chiều kim đồng hồ

Ngƣợc chiều kim đồng hồ

Bằng không

Cùng chiều kim đồng hồ

Cùng chiều kim đồng hồ

Bằng không

Ngƣợc chiều kim đồng hồ

Ngƣợc chiều kim đồng hồ

Ngƣợc chiều kim đồng hồ

Hình 2.6. Lực từ và mô men quay động cơ tự nâng không lõi thép
Nhƣ vậy, trong một vòng quay mỗi vòng dây sẽ tạo ra các lực có 8 trạng thái
thay đổi với độ lớn không bằng nhau mà biến thiên liên tục. Trong cấu trúc này, cứ

- 16 -


Chƣơng 2. Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ khơng dùng lõi thép
mỗi pha lại có một pha đối lập với nó đối xứng qua gốc O, dễ dàng nhận thấy để
cân bằng vị trí ta cần phối hợp hai thành phần dịng điện đi qua nó. Cụ thể, ba pha
abc tƣơng ứng từng cặp với các pha cdf. Mơ men và lực nâng có thể điều khiển
đƣợc bằng cách thay đổi biên độ và pha dòng điện trong stator.
2.2.

Mơ hình tốn học động cơ tự nâng khơng lõi thép

2.2.1. Mô tả cấu trúc động cơ trên hệ trục tọa độ Oxy và z-θ
Để mơ hình hóa động cơ tự nâng, giả sử mỗi pha chỉ bao gồm 1 vịng dây. Sơ

đồ dây quấn đƣợc trình bày nhƣ trong Hình 2.7a) gắn hệ trục tọa độ Oxy cố định
với stator. Lúc này các ký hiệu:
-

a là pha dƣơng với chiều dịng điện đi từ ngồi vào mặt phẳng Oxy cùng
chiều dƣơng với trục Oz, -a là pha âm với chiều dòng điện đi ra từ trong
mặt phẳng Oxy ngƣợc chiều với trục Oz. Tƣơng tự với pha bcdef.

-

ψ là góc của rotor so với trục Ox

-

θ0 là góc của pha a so với trục Ox chiều dƣơng là chiều ngƣợc chiều kim
đồng hồ

-

θ là vị trí góc của cung tròn với tâm O chiều dƣơng là chiều ngƣợc chiều
kim đồng hồ.

Hình 2.7. Sơ đồ động cơ theo trục tọa độ: a) trục Oxy b) trục z-θ
Trong Hình 2.7b) các giá trị lp tƣơng ứng chiều dài đoạn dây quấn song song
với trục Oz, lt là chiều dài hình chiếu phần nối tiếp chiếu trên trục Oz. Lúc này ta có
biểu thức mơ tả vị trí của các pha đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

- 17 -