Nghiên cứu tính toán mô phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp

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

VŨ NGỌC MINH
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN MƠ PHỎNG NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN ĐỘNG
CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
THIẾT BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS BÙI MINH ĐỊNH

Hà Nội - Năm 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Ngọc Minh
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động
cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp”.
Chuyên ngành: Thiết bị điện – điện tử.
Mã số SV: CB160522
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 27 tháng 4 năm 2018 với các nội dung sau:
-

Đã lược bỏ mục 3.1 tính toán mạch từ động cơ.
Đã lược bỏ tài liệu tham khảo [48-51].
Đã thay đổi tiêu đề và bố cục chương 3.
Đã thêm giả thiết môi trường đồng chất phần 3.1 trang 63.
Đã lược bỏ một số hình vẽ khơng liên quan đến đề tài trong chương 1.
Ngày

tháng

năm

Giáo viên hƣớng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Bùi Minh Định

Vũ Ngọc Minh
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Nguyễn Thế Công


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu tính tốn mơ
phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực
tiếp” là cơng trình nghiên cứu do tơi tự xây dựng phương pháp tính tốn và thiết lập
thơng số mô phỏng dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Bùi Minh Định. Các số liệu
và kết quả hoàn toàn đúng với thực tế.
Những số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực được chỉ rõ nguồn

trích dẫn. Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên
cứu nào từ trước đến nay.
Hà Nội, ngày 21 tháng 4 năm 2018
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Vũ Ngọc Minh


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU. .................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH VẼ. ......................................................................................... 5
Chƣơng 1- GIỚI THIỆU ........................................................................................ 8
1.1. Đặt vấn đề. ........................................................................................................ 8
1.2. Động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp. ............. 9
1.2.1. Giới thiệu chung về Động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi
động trực tiếp. ................................................................................................................ 9
1.2.2 Tổn hao và độ tăng nhiệt trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
khởi động trực tiếp ...................................................................................................... 12
1.3. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 20
1.4. Ý nghĩa của nghiên cứu ................................................................................. 21
1.5. Phạm vi nghiên cứu........................................................................................ 21
1.6. Bố cục luận văn .............................................................................................. 21
Chƣơng 2- TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG NHIỆT CHO
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU................................................... 23
2.1. Cơ sở lý thuyết về mơ hình nhiệt cho động cơ điện. ................................... 23
2.1.1 Lý thuyết truyền nhiệt trong động cơ điện ................................................ 24

2.1.2 Phƣơng pháp làm mát động cơ điện. ......................................................... 30
2.1.3 Phƣơng pháp tính tốn, mô phỏng nhiệt cho động cơ điện. .................... 35
2.2.1 Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài ...................................................................... 38
2.2.2 Các nghiên cứu ở trong nƣớc ...................................................................... 50
2.3. Tổng quan về phƣơng pháp tính tốn, mơ phỏng nhiệt cho động cơ đồng
bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp. ............................................................. 51
2.3.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu tính tốn và mơ phỏng ở nƣớc ngồi. ..... 51
2.3.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu tính tốn và mơ phỏng ở trong nƣớc. ..... 55
2.3.3 Lựa chọn và cải tiến mơ hình tính tốn nhiệt cho động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp. ........................................................................... 55
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

1


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Chƣơng 3- MƠ HÌNH TÍNH TỐN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP. ......................................... 57
3.1 Xây dựng mơ hình mạch nhiệt. ...................................................................... 57
3.2 Tính toán tổn hao của động cơ LSPMSM 2,2 kW -4P ................................ 60
3.3. Tính tốn các giá trị nhiệt trở trên sơ đồ mạch nhiệt. ................................ 64
3.4 Kết quả tính tốn nhiệt .................................................................................. 83
Chƣơng 4 - TÍNH TỐN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP BẰNG MOTOR-CAD............................ 87
4.1 Giới thiệu về phần mềm tính tốn nhiệt cho động cơ điện Motor-CAD ... 87
4.2 Nhập số liệu trên phần mềm Motor-CAD .................................................... 90
4.3 Kết quả tính tốn nhiệt trên phần mềm Motor-CAD.................................. 95
4.4 Phân tích kết quả ............................................................................................ 97

KẾT LUẬN .......................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 101

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

2


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
LSPMSM:

Line start Permanent Magnet Synchronous Motor.

PMSM:

Permanent Magnet Synchronous Motor.

ĐCXCBP:

Động cơ xoay chiều 3 pha.

FEA:

Finite Element Analysis.

FEM:

Finite Element Method.

CFD:

Các tính tốn động học chất khí.

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

3


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

DANH MỤC BẢNG BIỂU.
Bảng 1. 1 Bảng so sánh động cơ IM và động cơ LSPMSM. ...................................10
Bảng 1. 2 Kết quả so sánh giữa phân tích FEM và thực nghiệm phản ánh sự thay
đổi tổn hao và hiệu suất trên động cơ LSPMSM 4kW [7]. ...........................................14
Bảng 1. 3 Hệ số tính tổn hao cơng suất và các kết quả phân tích bằng FEM thu
được khi có sự tăng nhiệt độ. ........................................................................................16
Bảng 2. 1 Quan hệ giữa đại lượng điện và đại lượng nhiệt. ..................................23
Bảng 2. 2 Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. ..................................................................25
Bảng 2. 3 Hệ số phát xạ của một số vật liệu ở nhiệt độ 300 oK. ............................ 28
Bảng 2. 4 So sánh kết quả đo và kết quả tính tốn nhiệt độ động cơ PMSM (oC). 54
Bảng 2. 5 Tổn hao trong động cơ LSPMSM khi hoạt động có tải. .........................54
Bảng 3. 1 Thơng số kỹ thuật của động cơ LSPMSM 2,2 kW – 4P. .........................60
Bảng 3. 2 Bảng thơng số hình học cơ bản của động cơ LSPMSM 2,2 kW – 4P. ...60
Bảng 3. 3 Bảng thống kê các tổn hao trên động cơ LSPMSM 2,2 kW – 4P. ..........64
Bảng 3. 4 Giá trị nhiệt trở phân bố động cơ 2,2 kW- 4P. .......................................84
Bảng 4. 1 So sánh các kết quả nhiệt độ động cơ tính được bằng các phương pháp.

.......................................................................................................................................99

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

4


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

DANH MỤC HÌNH VẼ.
Hình 1. 1 Ý tưởng thiết kế động cơ LSPMSM. ..........................................................9
Hình 1. 2 Các dạng cấu trúc rơto khác nhau của động cơ LSPMSM. ...................11
Hình 1. 3 Cấu trúc động cơ LSPMSM được lựa chọn để nghiên cứu. ...................12
Hình 1. 4 Giản đồ phân tách tổn hao trên động cơ IM 4kW – IE1 và động cơ
LSPMSM 4kW ở chế độ tải định mức. ...........................................................................13
Hình 1. 5 Sự giảm của tổn hao của các thành phần tổn hao trên động cơ LSPMSM
4kW theo độ tăng của nhiệt độ trên vỏ động cơ. ........................................................... 14
Hình 1. 6 Sự giảm của từ dư nam châm vĩnh cửu do sự tăng nhiệt với một giá trị
dòng điện stato xác định. ............................................................................................... 15
Hình 1. 7 Sự tăng giá trị của tổn hao do dịng xốy trên nam châm vĩnh cửu của
động cơ PMSM (IPM) [12]. .......................................................................................... 17
Hình 1. 8 Đo lường và tính tốn tổn hao trên lõi thép động cơ PMSM [11] .........17
Hình 1. 9 Phân tách các thành phần trong tổn hao lõi thép...................................18
Hình 1. 10 Sự phụ thuộc của tuổi thọ động cơ vào nhiệt độ dây quấn của nó. ......19
Hình 1. 11 Sự thay đổi đặc tính B-H của nam châm vĩnh cửu ............................... 20
Hình 2. 1 Vị trí các nguồn nhiệt trong động cơ điện. .............................................29
Hình 2. 2 Quá trình truyền nhiệt trong các động cơ điện.......................................29
Hình 2. 3 Mơ hình mạch nhiệt trong động cơ điện. ................................................30
Hình 2. 4 Làm mát kiểu ODP..................................................................................33

Hình 2. 5 Làm mát kiểu TEFC. ...............................................................................33
Hình 2. 6 Kiểu làm mát TENV. ...............................................................................34
Hình 2. 7 Kiểu làm mát SPV. ..................................................................................34
Hình 2. 8 Làm mát kiểu TEPV. ...............................................................................35
Hình 2. 9 Mơ hình mạch nhiệt thơng số tập trung ..................................................36
Hình 2. 10 Mơ hình FEA phân tích sự truyền nhiệt trong ......................................37
Hình 2. 11 Mơ hình CFD phân tích nhiệt và chuyển ..............................................38
Hình 2. 12 Cấu trúc hình học của động cơ khơng đồng bộ. ...................................39
Hình 2. 13 Cấu trúc điển hình dạng trụ rỗng của các ............................................39
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

5


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Hình 2. 14 Cấu hình hai nút nhiệt với dịng chảy hướng trục và hướng kính độc
lập của phần tử có dạng trụ rỗng. .................................................................................40
Hình 2. 15 Cấu hình nút nhiệt kết hợp cho phần tử có tính đối xứng.....................40
Hình 2. 16 Cấu hình nút nhiệt cho lõi thép stato. ...................................................41
Hình 2. 17 Mơ hình nhiệt thơng số rải được đề xuất bởi Mellor và Turner. ..........41
Hình 2. 18 Mơ hình nhiệt cho động cơ khơng đồng bộ rơto lồng sóc được đề xuất
bởi Gunnar Kylander.....................................................................................................43
Hình 2. 19 Mơ hình nhiệt thông số rải đơn giản do Kylander đề xuất. ..................44
Hình 2. 20 Mơ hình mạch nhiệt do Okoro đề xuất. ................................................45
Hình 2. 21 Mơ hình mạch điện thơng số rải do Chowdhury đề xuất. .....................46
Hình 2. 22 Mơ hình mạch nhiệt thông số rải được đề xuất bởi Aldo Bolietti.........48
Hình 2. 23 Mơ hình mạch nhiệt cho động cơ khơng đồng bộ rơto dây quấn do
Bolietti đề xuất. ..............................................................................................................49

Hình 2. 24 Mơ hình mạch nhiệt cho động cơ điện kiểu kín IP44. .......................... 51
Hình 2. 25 Kết quả so sánh nhiệt động giữa động cơ không đồng bộ và động cơ
LSPMSM 4kW. ...............................................................................................................52
Hình 2. 26 Phân bố nhiệt độ theo phương hướng kính trong .................................53
Hình 2. 27 Phân bố nhiệt độ phía trước động cơ LSPMSM 2,2 kW b ....................53
Hình 2. 28 Phân bố nhiệt độ trên động cơ LSPMSM 315 kW. ............................... 54
Hình 3. 1 Sơ đồ mạch nhiệt thơng số tập trung cho động cơ LSPMSM. ................59
Hình 3. 2 Tổn hao trên đồng, tổn hao sắt và tổn hao cơ của động cơ LSPMSM 2,2
kW – 4P. .........................................................................................................................62
Hình 3. 3 Mơ hình FEM để xác định mật độ dịng điện xốy trên nam châm của
động cơ LSPMSM 2,2kW – 4P. .....................................................................................63
Hình 3. 4 Kết quả ước lượng tổn hao do dịng điện xốy trên nam châm của động
cơ LSPMSM 2,2kW – 4P. .............................................................................................. 63
Hình 3. 5 Kết quả thực nghiệm khi so sánh giá trị nhiệt trở RNat=Conv. ...................66
Hình 3. 6 Hệ thống cánh mở theo phương dọc trục. ..............................................66
Hình 3. 7 Sự thay đổi của vận tốc dịng khí trong kênh dẫn gió............................. 68
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

6


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Hình 3. 8 Phân bố thơng thường về sự thay đổi tốc độ dịng khí trong cánh tản
nhiệt được xác định theo vị trí cánh tản nhiệt. .............................................................. 68
Hình 3. 9 Nhiệt trở của điểm giữa vòng dây cuốn trong rãnh stato và phần cuối
dây cuốn ở ngồi khơng khí. .......................................................................................... 73
Hình 3. 10 Sơ đồ nhiệt của một vịng dây. .............................................................. 74
Hình 3. 11 Mơ hình nhiệt dây cuốn.........................................................................75

Hình 3. 12 Phân bố vùng dẫn nhiệt trên rôto của động cơ LSPMSM. ...................80
Hình 3. 13 Mạch điện tương đương trên Psim. ......................................................86
Hình 4. 1 Mơ hình mạch nhiệt trên phần mềm Motor-CAD. ..................................88
Hình 4. 2 Quy trình thiết kế một động cơ điện........................................................88
Hình 4. 3 Nhập thơng số hình học theo phương hướng kính của động cơ LSPMSM
2,2kW -4P ......................................................................................................................90
Hình 4. 4 Nhập thơng số hình học theo phương dọc trục .......................................91
Hình 4. 5 Kiểm tra hình dạng 3D của kết cấu làm mát sử dụng cho động cơ
LSPMSM 2,2kW – 4P. ...................................................................................................91
Hình 4. 6 Mơ hình dây quấn của động cơ LSPMSM 2,2 kW -4P. .......................... 92
Hình 4. 7 Giá trị các dạng tổn hao trên sơ đồ mạch nhiệt của .............................. 93
Hình 4. 8 Hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu tự nhiên. ..............................................94
Hình 4. 9 Hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức với quạt gió phụ. ...............94
Hình 4. 10 Hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu chế tạo động cơ điện LSPMSM 2,2Kw.
.......................................................................................................................................95
Hình 4. 11 Sơ đồ phân bố nhiệt độ theo phương hướng kính .................................96
Hình 4. 12 Sơ đồ phân bố nhiệt độ theo phương dọc trục của ............................... 96
Hình 4. 13 Kết quả một số điểm nhiệt quan trọng trên mạch nhiệt của động cơ
LSPMSM 2,2kW. ............................................................................................................97
Hình 4. 14 Mơ hình test bench trên động cơ LSPMSM 2,2 kW tại QuaTest. .........98
Hình 4. 15 Kết quả đo kiểm động cơ LSPMSM 2,2 kW tại QuaTest. .....................98

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

7


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Chƣơng 1- GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề.
Khi làm việc, động cơ điện ln sinh ra tổn hao, chuyển hóa thành nhiệt năng
và gây ra phát nóng trong các bộ phận của động cơ. Khi trạng thái nhiệt trong động cơ
đã ổn định thì tồn bộ nhiệt thốt ra từ động cơ sẽ tỏa ra môi trường xung quanh nhờ
sự chênh lệch nhiệt giữa các bộ phận của động cơ với mơi trường bên ngồi.
Nhiệm vụ của tính tốn nhiệt là xác định độ tăng nhiệt của các bộ phận trong
máy điện. Đây là quá trình phức tạp vì kết cấu của máy điện khác nhau, quá trình sản
xuất khác nhau đều ảnh hưởng đến quá trình tản nhiệt của động cơ. Độ tăng nhiệt này
phụ thuộc vào tính chất vật liệu, chọn độ tăng nhiệt thấp chưa hẳn là ưu điểm vì cịn
phải tính đến việc sử dụng vật liệu sao cho có hiệu quả kinh tế tốt nhất. Ngồi ra, độ
tăng nhiệt của động cơ còn phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ như tải, nhiệt
độ hoặc độ ẩm khơng khí và cả cơng nghệ chế tạo.
Giải quyết vấn đề tản nhiệt cho động cơ điện là một việc làm rất quan trọng,
nhất là khi thiết kế một động cơ điện hồn tồn mới. Việc tính toán nhiệt liên quan
chặt chẽ đến cách thức làm mát động cơ điện và phải xác định được độ tăng nhiệt cho
phép θcp giữa nhiệt độ của dây quấn động cơ điện và nhiệt độ của mơi trường.
Trước đây, nhìn chung đề phân tích nhiệt cho các loại máy điện nhận được ít sự
quan tâm hơn hơn các phân tích điện từ. Điều này được thể hiện rất rõ thông qua số
lượng các bài báo được cơng bố có liên quan đến từng vấn đề. Sự khơng đồng đều này
cịn đặc biệt đúng cho các loại động cơ điện thuộc dải cơng suất nhỏ và trung bình.
Thơng thường, các kỹ sư thiết kế chỉ đưa ra các thiết kế về nhiệt một cách sơ bộ, thể
hiện qua giá trị giới hạn của mật độ dịng điện hoặc một số kích thước cơ bản của động
cơ cần đạt mà chưa chỉ ra được phương pháp thiết kế để có thể đưa ra những cải tiến
nhằm giảm nhiệt trong các động cơ điện.
Thực tế, có một mối liên hệ chặt chẽ giữa thiết kế điện từ và thiết kế nhiệt bởi
vì sẽ khơng thể có được một phân tích chính xác nếu bỏ qua một trong hai vấn đề nói
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

8

Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

trên. Do đó, vấn đề tính tốn nhiệt cho các động cơ điện nói chung ngày càng trở nên
sơi động với nhiều cơng trình khoa học có ý nghĩa. Từ đó góp phần quan trọng trong
sự tiến bộ của lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ điện trên tồn thế giới.
1.2. Động cơ khơng đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp.
1.2.1. Giới thiệu chung về Động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi
động trực tiếp.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp cho tên tiếng Anh là
Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor, thường được viết tắt là LSPMSM.
Động cơ LSPMSM được nghiên cứu đầu tiên bởi F.W Merrill vào năm 1955 [1]. Tuy
nhiên, trong giai đoạn đầu, loại động cơ này khó được hiện thực và sản xuất thương
mại do chất lượng nam châm còn rất thấp và động cơ làm việc không ổn định. Trong
những năm gần đây, vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm chất lượng cao đã phát triển
rất tốt nên giá thành giảm dần, tạo môi trường thuận lợi cho động cơ LSPMSM phát
triển và trở thành sản phẩm thương mại có thể cạnh tranh với các động cơ không đồng
bộ (IM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).
Về ý tưởng thiết kế, LSPMSM có thể coi là loại động cơ lai giữa hai kiểu: động
cơ không đồng bộ (IM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Nhờ đó mà
nó có được những ưu điểm vượt trội của cả hai loại động cơ này như: tổn hao thấp,
mật độ cơng suất cao, kích thước nhỏ gọn, hệ số công suất xấp xỉ bằng 1 và đặc biệt là
có khả năng tự khởi động. LSPMSM rất phù hợp với những ứng dụng yêu cầu tốc độ
không đổi và cơng suất nhỏ.

Hình 1. 1 Ý tưởng thiết kế động cơ LSPMSM.
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

9


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Trong báo cáo nghiên cứu động cơ hiệu suất cao LSPMSM [2] W.Fei,
P.C.K.Luk, J.Ma, J.X.Shen, G.Yang năm 2009 đã so sánh kết quả đạt được của động
cơ LSPMSM với động cơ không đồng bộ ban đầu để chỉ ra hiệu suất và hệ số cơng
suất có thể cải thiện đáng kể. Nam châm được sử dụng ở đây là NdFe35SH có năng
lượng lớn, nhiệt độ Currier cao. Động cơ đồng bộ nguyên mẫu là loại có ký hiệu:
Y90S-4.
Sau khi cho động cơ vận hành ổn định, đo lường các giá trị hiệu suất và hệ số
công suất ở các tải khác nhau, so sánh giá trị của động cơ LSPMSM và động cơ khơng
đồng bộ ngun mẫu, có bảng sau:
Bảng 1. 1 Bảng so sánh động cơ IM và động cơ LSPMSM.

Tác giả kết luận: Động cơ LSPMSM so với động cơ không đồng bộ cùng công
suất khi thử nghiệm thực tế cho kết quả công suất và hệ số công suất cải thiện đáng kể,
kết quả này cũng phù hợp với việc kiểm nghiệm ban đầu bằng lý thuyết sử dụng mơ
hình FEA. Việc kiểm tra so sánh kết quả thực tế để xác nhận rằng hiệu suất và hệ số
công suất đã được nâng cao đáng kể so với động cơ không đồng bộ nguyên mẫu với
các biến đổi động cơ với chi phí thấp.
Trong [3], [4] các tác giả Abdolamir Nekoubin và Ilhan Tarimer đã chỉ ra rằng
có nhiều kiểu cấu trúc rơto có thể được sử dụng cho các động cơ LSPMSM và cấu trúc
rơto đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiêu suất động cơ loại này. Tác
giả cũng đánh giá rằng qua tính tốn mơ phỏng thì cấu trúc khối nam châm chữ V như
cấu hình 6 là cho hiệu suất cao nhất.

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

10


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Cấu hình 1

Cấu hình 2

Cấu hình 3

Cấu hình 4

Cấu hình 5

Cấu hình 6

Cấu hình 7
Cấu hình 8
Hình 1. 2 Các dạng cấu trúc rôto khác nhau của động cơ LSPMSM.
Tác giả Tomas Modeer nghiên cứu động cơ LSPMSM [5] năm 2007, theo tác
giả động cơ loại này có ưu điểm hiệu suất và kích thước nhỏ gọn hơn khi so sánh với
động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn được sử dụng trong các ngành công nghiệp. Tuy
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

11

Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

nhiên, động cơ loại này cũng có một số nhược điểm như q trình khởi động khó khăn,
cấu trúc rotor phức tạp và việc cộng thêm giá thành các khối nam châm cũng làm cho
chi phí sản xuất động cơ tăng lên đáng kể so với động cơ không đồng bộ.
Cũng trong [6], tác giả đã chế tạo thử nghiệm và khảo sát để thu được dạng
sóng sức điện động cảm ứng trên mỗi pha dây quấn stato, khảo sát dạng sóng điện áp
và dịng điện khi có tải.
Trong khn khổ luận văn này, tác giả sẽ tham khảo trình tự tính tốn thiết kế
điện từ trong [6] để xây dựng một bộ thông số thiết kế cho động cơ LSPMSM 2,2 kW
– 4P. Với những điều kiện khách quan thực tế, loại động cơ LSPMSM có cấu trúc như
hình 1.3 được lựa chọn để phù hợp với động cơ được chế tạo thực nghiệm. Các kết quả
tính tốn điện từ sẽ được sử dụng trong nghiên cứu về nhiệt cho động cơ LSPMSM là
nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn.

Hình 1. 3 Cấu trúc động cơ LSPMSM được lựa chọn để nghiên cứu.
1.2.2 Tổn hao và độ tăng nhiệt trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
khởi động trực tiếp
Cũng giống như các động cơ điện khác, trong quá trình làm việc động cơ
LSPMSM sẽ tổn hao một lượng công suất tác dụng. Về bản chất, đây là tổng tổn hao
trên một số chi tiết, bộ phận của động cơ LSPMSM. Tuy nhiên, khi so sánh với động
cơ không đồng bộ, tổn hao trên động cơ LSPMSM có sự khác biệt nhất định. Do rơto
của động cơ LSPMSM quay với tốc độ đồng bộ và bằng với tốc độ quay của từ trường
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

12


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu khởi động trực tiếp.

quay nên nếu coi từ trường phân bố lý tưởng thì sẽ khơng có dịng cảm ứng bên phía
rơto của động cơ LSPMSM, tức là khơng có tổn hao cơng suất bên phía rơto. Khi đó,
tổn hao trong động cơ LSPMSM chỉ có ở dây quấn stato, lõi thép stato, tổn hao cơ do
quạt gió và ma sát ổ bi, tổn hao phụ.
Trong [7] các tác giả trình bày giản đồ Sankey như hình 1.4 về việc phân tách
các tổn hao công suất thu được từ phép đo lường trên động cơ IM 4kW -IE1 và động
cơ LSPMSM 4kW.

Hình 1. 4 Giản đồ phân tách tổn hao trên động cơ IM 4kW – IE1 và động cơ
LSPMSM 4kW ở chế độ tải định mức.
Trong hình 1.4, tổn hao phụ thêm hay tổn hao móc vịng (stray load losses SLLs) bị do những hạn chế của sơ đồ dây quấn được bỏ qua. Đối với một động cơ IM
tiêu chuẩn, tổn hao phụ này có thể được thực hiện bằng kỹ thuật đo lường gián tiếp
như trong [8,9] nhưng lại khó có thể áp dụng cho các động cơ LSPMSM.
Đối với các động cơ IM, tổn hao do ma sát, gió và tổn hao sắt từ sẽ giảm khi
nhiệt độ tăng [10]. Đối với phần lớn các động cơ IM, tổng tổn hao trên dây quấn stato
và dây quấn rôto chiếm phần lớn, khoảng trên 50% tổng tổn hao công suất tác dụng
của động cơ IM. Mà tổn hao đồng trên dây quấn sẽ tăng khi nhiệt độ tăng; kết quả là
hiệu suất tổng thể của động cơ IM sẽ thay đổi tỉ lệ nghịch với nhiệt độ.
Trong [7], các tác giả cũng đã chỉ ra rằng trên động cơ LSPMSM, tất cả các tổn
hao đều là hàm của nhiệt độ, do những tác động trực tiếp của nhiệt độ lên đặc tính làm
việc của nam châm vĩnh cửu và giá trị dòng điện trong mỗi pha dây quấn stato. Khi
nhiệt độ tăng, tổn hao lõi thép sẽ giảm nhưng tổn hao đồng sẽ tăng. Nếu sự giảm của
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

13


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu khởi động trực tiếp.

tổn hao sắt chiếm ưu thế thì hiệu suất tổng thể của động cơ LSPMSM sẽ tăng (do tổng
tổn hao giảm) và ngược lại. Hình 1.5 và bảng sau đây trong [7] là kết quả phân tích tổn
hao trong động cơ LSPMSM 4kW khi có sự tăng nhiệt độ.

Hình 1. 5 Sự giảm của tổn hao của các thành phần tổn hao trên động cơ LSPMSM
4kW theo độ tăng của nhiệt độ trên vỏ động cơ.
Bảng 1. 2 Kết quả so sánh giữa phân tích FEM và thực nghiệm phản ánh sự thay
đổi tổn hao và hiệu suất trên động cơ LSPMSM 4kW [7].

Cũng cần lưu ý rằng, trong một số trường hợp mà sự tăng của nhiệt độ dẫn đến
sự tăng của tổn hao đồng trên dây quấn chiếm ưu thế thì có thể hiệu suất của động cơ
LSPMSM sẽ bị giảm chứ không tăng.
Tổn hao trên lõi thép stato sẽ giảm do sự thay đổi đặc tính làm việc của đường
từ hóa B-H của nam châm hình 1.6.
Mặt khác, các hệ số tổn hao công suất trong công thức Steinmetz để tính tổn
hao trên lõi thép cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Kết quả phân tích bằng phương pháp

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

14


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

phần tử hữu hạn trên mơ hình động cơ LSPMSM 4kW chỉ ra sự suy giảm của tổn hao
lõi thép của động cơ LSPMSM khi nhiệt độ tăng được cho trong bảng 1.3 [7]:

Hình 1. 6 Sự giảm của từ dư nam châm vĩnh cửu do sự tăng nhiệt với một
giá trị dòng điện stato xác định.
Theo [10], tổn hao do quạt gió sẽ tỉ lệ nghịch với độ tăng nhiệt của động cơ
điện. Với khơng khí có độ ẩm tương đối là 80% và ở áp suất khí quyển thì tổn hao do
quạt gió sẽ giảm từ 4 đến 5% mỗi khi nhiệt độ tăng 10oK. Các kết quả thực nghiệm
trong [7] chỉ ra rằng tổn hao cơ do quạt gió và ma sát đối với cả hai động cơ IM 4kW IE1 và LSPMSM 4kW loại 1500 vòng/phút là xấp xỉ 30W, tức là khoảng 0,75% công
suất định mức của động cơ. Như đã phân tích trên hình 1.4, ở tần số bậc cơ bản trong
điều kiện phân bố từ trường lý tưởng thì khơng có tổn hao trên rôto của động cơ
LSPMSM. Tuy nhiên, tổn hao phụ trên rơto có thể xuất hiện do các thành phần từ
trường điều hòa bậc cao gây ra bởi đặc điểm của sơ đồ dây quấn trên máy điện xoay
chiều ba pha. Việc đo lường tổn hao phụ này là khá phức tạp. Theo tiêu chuẩn IEC
60034-2-1 thì cho phép ước tính tổn hao phụ bằng 0,5% cơng suất định mức của động
cơ điện, cịn kết quả phân tích trong [7] chỉ ra rằng tổn hao phụ cỡ 0,6% công suất
định mức của động cơ điện LSPMSM 4kW.
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

15


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Bảng 1. 3 Hệ số tính tổn hao cơng suất và các kết quả phân tích bằng FEM
thu được khi có sự tăng nhiệt độ.

Trong cấu trúc của động cơ LSPMSM có sử dụng nam châm vĩnh cửu dạng
khối (solid) gắn trên rơto nên trong q trình làm việc của loại động cơ này có thể phát
sinh tổn hao do dịng điện xốy ở trên các nam châm vĩnh cửu. Về bản chất, khi đã vào
chế độ đồng bộ, một động cơ LSPMSM sẽ làm việc tương tự một động cơ PMSM kiểu
IPM. Trong [11-14], các tác giả đã giới thiệu các phương pháp tính tốn tổn hao do

dịng điện xoáy xuất hiện trên nam châm vĩnh cửu. Mặc dù lượng tổn hao này không
đáng kể khi động cơ IPM hay LSPMSM được cấp nguồn hình sin và làm việc ở tốc độ
đồng bộ ở tần số cơ bản nhưng khi thay đổi tốc độ quay của động cơ PMSM bằng các
bộ biến đổi PWM thì tổn hao do dịng điện xốy lại tăng cao. Tổn hao dịng xốy tăng
mạnh có thể làm cho nhiệt độ làm việc của nam châm vĩnh cửu gia tăng và đạt đến
ngưỡng nhiệt độ cực đại, gây ra hiện tượng khử từ đảo ngược, làm mất đi khả năng
làm việc của nam châm hoặc làm suy yếu từ dư trong nam châm do nhiệt độ cao.

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

16


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Hình 1. 7 Sự tăng giá trị của tổn hao do dịng xốy trên nam châm vĩnh cửu của
động cơ PMSM (IPM) [12].

Hình 1. 8 Đo lường và tính tốn tổn hao trên lõi thép động cơ PMSM [11]
Trong [11,12], các tác giả đã chỉ ra rằng tổn hao do dịng điện xốy trên nam
châm vĩnh cửu có thể xuất hiện do các thành phần từ trường bậc cao (sóng hài) gây
ra bởi hài rãnh (slot harmonics) hoặc hài sóng mang – PWM (carrier harmonics).
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

17


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Trong đó, hài sóng mang mới có khả năng tạo ra tổn hao dịng xốy trên nam châm
vĩnh cửu lớn nhất. Hình 1.7 cho thấy tần số dịng điện càng cao cho tổn hao trên
Nam châm càng lớn.

Hình 1. 9 Phân tách các thành phần trong tổn hao lõi thép
của động cơ PMSM [11].
Như vậy, việc tính tốn ước lượng được tổn hao do dịng xốy trên động cơ
LSPMSM sẽ cho phép cải thiện khả năng tính gần chính xác nhất nhiệt độ trên nam
châm của động cơ LSPMSM. Hiện nay, để tính tốn và ước lượng tổn hao dịng xoáy
trên nam châm vĩnh cửu của các động cơ PMSM thì có hai phương pháp cơ bản:
phương pháp giải tích và phương pháp số - FEM [11-14].
Độ tăng nhiệt của một động cơ điện được xác định dựa trên công thức:

T  TSteady state  TAmbient
trong đó:
Tambient là nhiệt độ môi trường
TSteady state là nhiệt độ xác lập ở một điểm khảo sát trên động cơ điện
T là độ tăng nhiệt tai điểm khảo sát.

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

18


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Thơng thường, trên các động cơ điện thì phần tử dây quấn của động cơ sẽ có
nhiệt độ cao nhất. Tuổi thọ của một động cơ điện sẽ được xác định dựa trên nhiệt độ

làm việc của dây quấn với đặc tính như hình 1.10.

Hình 1. 10 Sự phụ thuộc của tuổi thọ động cơ vào nhiệt độ dây quấn của nó.
Như vậy, muốn làm tăng tuổi thọ của động cơ thì trong tính tốn thiết kế phải đưa
ra được các giải pháp hạn chế độ tăng nhiệt cho dây quấn của động cơ đó. Trên thực tế
có hai cách thức cơ bản. Cách thứ nhất là giảm các tổn hao trong động cơ điện tức là
giảm các nguồn sinh nhiệt bên trong động cơ. Cách thứ hai là tối ưu hệ thống làm mát
để tăng cường khả năng giải nhiệt cho các động cơ điện. Ngày nay, do mối liên hệ mật
thiết giữa nhiệt độ làm việc và hiệu năng của động cơ nên các kĩ sư phải kết hợp cả hai
cách để tăng tối đa hiệu xuất của các động cơ điện.
Trong [15,16] các tác giả tính tốn mô phỏng và kiểm chứng độ tăng nhiệt trên
động cơ LSPMSM 1.9kW – 4P là thấp hơn nhiều so với các động cơ IM cùng loại.
Ngoài việc ảnh hưởng đến tuổi thọ của dây quấn động cơ, khác với động cơ IM,
độ tăng nhiệt trên động cơ LSPMSM cịn có thể ảnh hưởng đến chất lượng và khả
năng từ hóa của nam châm vĩnh cửu gắn trên rôto.

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

19


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Hình 1. 11 Sự thay đổi đặc tính B-H của nam châm vĩnh cửu
N45 NdFeB theo nhiệt độ. [6]
Từ đặc tính trên có thể thấy rằng, để đảm bảo chất lượng của nam châm, với
khả năng tận dụng năng lượng cực đại trên cùng một thể tích nam châm sử dụng và
ngăn ngừa xảy ra hiện tượng đảo ngược khử từ thì nhiệt độ làm việc của nam châm
vĩnh cửu gắn trên rôto của động cơ LSPMSM phải càng thấp càng tốt. Đây là một

thách thức mà đòi hỏi trong q trình tính tốn thiết kế, các kĩ sư thiết kế động cơ điện
cần phải khảo sát, tính tốn thật chính xác để đảm bảo chất lượng động cơ điện sau
này.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Từ những khảo cứu ở trên, tác giả thấy rằng bài tốn nghiên cứu về tính toán
nhiệt cho động cơ đồng bộ nam cửu khởi động trực tiếp là rất cần thiết. Với đối tượng
nghiên cứu là động cơ LSPMSM, luận văn này tập trung giải quyết bài tốn tính tốn
nhiệt cho động cơ LSPMSM với các mục tiêu cụ thể như sau:
 Đánh giá tổng quan về các phương pháp tính tốn nhiệt cho động cơ điện
và động cơ LSPMSM
 Tính tốn mơ phỏng nhiệt cho động cơ LSPMSM 2,2kW – 4P
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

20


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

 Kiểm tra và hiệu chỉnh mơ hình tính tốn nhiệt cho động cơ LSPMSM
trên phần mềm Motor-CAD
 So sánh, kiểm chứng với kết quả thực nghiệm.
1.4. Ý nghĩa của nghiên cứu
Động cơ LSPMSM là loại động cơ tiết kiệm năng lượng, có hiệu suất cao và
phù hợp với những ứng dụng trong thực tế. Tuy nhiên, đây là một chủng loại động cơ
còn mới lạ ở Việt Nam. Các doanh nghiệp chế tạo động cơ điện trong nước chưa được
tiếp cận và chưa thể làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo. Hơn nữa, các tài liệu tham
khảo trong nước còn hạn chế hoặc mới chỉ giải quyết được bài tốn thiết kế điện từ.
Do đó, tác giả mong rằng những vấn đề khoa học, phương pháp luận và các kỹ thuật
tính tốn trong luận văn của mình có thể góp phần hữu ích trong việc cập nhật các kiến

thức hiện đại về phương pháp tính tốn nhiệt cho động cơ LSPMSM.
1.5. Phạm vi nghiên cứu
Dựa trên các mục tiêu cần nghiên cứu, tác giả xác định phạm vi nghiên cứu của
luận văn như sau:
 Nghiên cứu về phương pháp tính tốn nhiệt cho động cơ LSPMSM 2,2
kW – 4P, làm mát kiểu kín có quạt làm mát (TEFC).
 Nghiên cứu tính tốn nhiệt cho động cơ LSPMSM 2,2 kW-4P ở chế độ
xác lập, tải định mức.
1.6. Bố cục luận văn
Luận văn “Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp” được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan về phương pháp tính tốn nhiệt cho động cơ điện
Chương 3: Mơ hình tính toán nhiệt cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
khởi động trực tiếp
Chương 4: Tính tốn nhiệt cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phần
mềm Motor-CAD
Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

21


Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng nhiệt độ tới hạn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu khởi động trực tiếp.

Chương 2 giới thiệu và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp tính tốn
nhiệt cho động cơ điện. Từ đó, thấy được sự hữu ích của phương pháp mạch nhiệt
thơng số tập trung.
Chương 3 sẽ trình bày một cách chi tiết về cách thức thành lập và tính tốn cho
một mơ hình mạch nhiệt thơng số tập trung áp dụng trên động cơ LSPMSM.

Trong chương 4, tác giả nghiên cứu ứng dụng phần mềm Motor-CAD để tính kiểm
tra kết quả tính tốn nhiệt cho động cơ LSPMSM. Từ đó, đánh giá lại các kết quả trên
mơ hình mạch nhiệt đã đề cập đến trong chương 3.

Vũ Ngọc Minh – 16BKTĐTBĐ.KH

22