Thiết kế hệ điều khiển dòng điện ổn định kiểu lai cho động cơ nam châm vĩnh cửu kiểu từ trường dọc trục

...

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

VŨ ĐĂNG CHU

THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ỔN ĐỊNH KIỂU LAI
CHO ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU KIỂU TỪ TRƯỜNG DỌC
TRỤC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN QUANG ĐỊCH

Hà Nội – Năm 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế hệ điều khiển
dòng điện ổn định kiểu lai cho động cơ nam châm vĩnh cửu kiểu từ trường dọc
trục ” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Quang Địch.
Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hồn thành đồ án này tơi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012
Tác giả luận văn

Vũ Đăng Chu


MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC.........................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................3
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................4
LỜI NĨI ĐẦU ...........................................................................................................5
Chương 1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC ....7
1.1. Giới thiệu .......................................................................................................7
1.2. Sự khác biệt giữa động cơ từ trường dọc trục và động cơ thông thường ......9
1.3. Phân loại động cơ từ trường dọc trục ..........................................................10
1.3.1.

Theo cấu trúc rotor và stator..............................................................10

1.3.2.

Theo vật liệu chế tạo động cơ............................................................13

1.3.3.

Theo kiểu xẻ rãnh stator ....................................................................15

1.3.4.

Theo kiểu lõi từ .................................................................................15

1.3.5.

Theo nguồn gốc động cơ ...................................................................15

1.3.6.

Theo số pha .......................................................................................16

1.3.7.

Theo cấu trúc của rotor ......................................................................16

1.3.8.

Theo cấu trúc của dây quấn stator .....................................................16

1.4. Ứng dụng của động cơ từ trường dọc trục...................................................17
1.4.1.

Xe điện...............................................................................................17

1.4.2.

Thiết bị gia dụng................................................................................17

1.4.3.

Những ứng dụng tốc độ cao ..............................................................18

Chương 2. MÔ HÌNH TỐN HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG

CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC ...............................19
2.1. Mơ hình tốn học động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục ............19
2.1.1.

Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục ..................19

2.1.2.

Mơ hình tốn học ...............................................................................22


2.2. Cấu trúc điều khiển vector cho động cơ nam châm vĩnh cữu từ trường dọc
trục………….........................................................................................................29
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ỔN ĐỊNH KIỂU LAI CHO
ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC ..................34
3.1. Các kỹ thuật điều chế PWM cho bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha ..............34
3.2. Phương pháp điều khiển dòng kiểu trễ ........................................................36
3.3. Phương pháp điều khiển kiểu so sánh xung tam giác..................................39
3.4. Phương pháp điều khiển dòng kiểu lai ........................................................41
Chương 4. MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK ..........46
4.1. Tham số động cơ ............................................................................................46
4.2. Kết quả mô phỏng hệ thống ...........................................................................47
KẾT LUẬN ..............................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................52

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC

AFPM

Axial FluxPermanent Magnet

AFM

Axial Flux Motor

A/D

Analog to Digital

D/A

Digital to Analog

FOC

Field Oriented Control

IM

Induction Machine

PMSM

Permanent Magnet Excited Synchronous Machine

PWM

Pulse Width Modulation

µC, µP

Microcontroller, Microprocessor

α,β

Hệ trục tọa độ gắn với stator

d,q

Hệ trục tọa độ gắn với rotor

us , ur

Vector điện áp stator, rotor

is, ir

Vector dòng điện stator, rotor

λs

Vector từ thơng móc vịng dây quấn stator

λr

Vector từ thơng rotor

usd, usq, urd, urq

Các thành phần điện áp stator, rotor trong hệ tọa độ d,q

isd, isq, ird, irq

Các thành phần dòng điện stator, rotor trong hệ tọa độ d,q

Lsd, Lsq

Các thành phần độ tự cảm stator, rotor trên hệ tọa độ d,q

usα, usβ

Các thành phần điện áp stator, rotor trong hệ tọa độ α,β

isα, isβ

Các thành phần dòng điện stator, rotor trong hệ tọa độ α,β

isu, isv, isw

Các thành phần dòng điện các pha stator động cơ u,v,w

λsu, λsv, λsw

Từ thông móc vịng các pha stator động cơ u,v,w

Lm

Hỗ cảm giữa stator và rotor

1


Rs , Rr

Điện trở stator, rotor

L s, L r

Độ tự cảm stator, rotor

L’s0

Điện cảm của từ trường stator nhân với độ dài khe hở khơng
khí

Lsl

Điện cảm rị

P

Số đơi cực của động cơ

Ts , Tr

Hằng số thời gian stator, rotor

Tsd , Trd

Hằng số thời gian stator, rotor trong hệ tọa độ d,q

2


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mơ hình đĩa Faraday phát minh năm 1921 ..................................................8
Hình 1.3 Cấu trúc HTĐ .............................................................................................10
Hình 1.4 Động cơ AFM một khe hở .........................................................................11
Hình 1.5 Động cơ AFM hai khe hở ..........................................................................11
Hình 1.6 Động cơ AFM một khe hở dọc trục một khe hở hướng tâm......................12
Hình 1.7 Động cơ AFM nhiều khe hở ......................................................................13
Hình 1.8 Dây quấn stator động cơ AFM ...................................................................16
Hình 1.9 Cấu tạo động cơ từ trường dọc trục rotor lồng sóc cho quạt trần ..............17
Hình 1.10 So sánh kích cỡ động cơ từ trường dọc trục và động cơ thơng thường có
cùng cơng suất. ..........................................................................................................17
Hình 2.1 Cấu trúc động cơ AFPM ............................................................................20
Hình 2.2 Trục tọa độ và cấu trúc chi tiết của động cơ từ trường dọc trục ................21
Hình 2.3 Rotor cực lồi ...............................................................................................21
Hình 2.4 Cách bố trí các cuộn dây stator ..................................................................22
Hình 2.5 Biểu diễn các đại lượng vector trên hệ tọa độ d,q. .....................................23
Hình 2.6 Sơ đồ khối của mơ hình tốn học AFPM. ..................................................30
Hình 2.7 Mơ hình điều khiển AFPM với bộ điều khiển tách biệt dịng trục d và q..32
Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển động cơ AFPM .......................................................34
Hình 3.2 Sơ đồ cơ bản bộ điều khiển dòng điện .......................................................35

Hình 3.3 Các vector trạng thái của động cơ ..............................................................37
Hình 3.4 Sơ đồ bộ điều khiển dịng kiểu trễ ............................................................37
Hình 3.5 Sơ đồ bộ điều khiển dòng kiểu so sánh xung tam giác ..............................39
Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển dịng kiểu lai cho động cơ PMSM ....................40
Hình 3.7 Thiết kế bộ điều khiển kiểu lai ...................................................................41
Hình 3.8 Tần số chuyển mạch của bộ biến đổi rất cao .............................................42
Hình 3.9 Tần số chuyển mạch chậm và thay đổi ......................................................42
Hình 3.10 Giới hạn khả thi của bộ điều khiển ..........................................................43
Hình 4.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển dòng kiểu lai .....................45

3


Hình 4.2 Ảnh hưởng của việc điều chỉnh tốc độ lên trạng thái ổn định của dịng điện
...................................................................................................................................46
Hình 4.3 Điện áp pha khi sử dụng bộ điều khiển kiểu lai .........................................47
Hình 4.4 Bộ điều khiển với dải trễ cố định ...............................................................48
Hình 4.5 Dịng stator FFT .........................................................................................49

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Bảng trạng thái Logic các van bộ biến đổi ................................................37
Bảng 4.1 Bảng tham số động cơ ...............................................................................44

4


LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ từ trường dọc trục là kiểu động cơ đã ra đời từ rất sớm. Tuy nhiên,
do nhiều yếu tố mà trong suốt gần một thế kỷ qua, động cơ từ trường hướng tâm lại

là kiểu động cơ được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất. Với sự phát triển của khoa
học kỹ thuật, vài thập kỷ trở lại đây các nhà khoa học đã khắc phục được những hạn
chế của loại động cơ từ trường dọc trục và cải tiến nó nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao
hơn để có thể phục vụ rộng rãi trong công nghiệp và đời sống.
Năm 1980, lần đầu tiên các nhà sản xuất ra mắt động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu từ trường hướng tâm trong thị trường động cơ công nghiệp. Ưu điểm của
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là hiệu suất cao hơn động cơ điện truyền
thống bởi các động cơ này được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Mặc dù vậy,
phải đến mười năm sau động cơ này mới được ứng dụng rộng rãi. Bất chấp sự thành
công của động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường hướng tâm, động cơ nam châm
vĩnh cửu từ trường dọc trục vẫn được các nhà nghiên cứu quan tâm bởi nó có tác
dụng trong những ứng dụng đặc biệt cần chú ý đến cấu trúc hình học. Ví dụ như
động cơ trong bánh xe điện, động cơ nâng... Động cơ dọc trục thường sử dụng tích
hợp trong ứng dụng momen cao. Đi cùng với sự phát triển đó, việc xây dựng một hệ
điều khiển tồn diện cho động cơ này đã và đang được nghiên cứu ngày càng hồn
thiện.
Xuất phát từ thực tiễn đó, cùng với sự hướng dẫn và định hướng của thầy
giáo TS. Nguyễn Quang Địch, đề tài “Thiết kế hệ điều khiển dòng điện ổn định kiểu
lai cho động cơ nam châm vĩnh cửu kiểu từ trường dọc trục” đã được tôi lựa chọn
làm hướng đi và nghiên cứu chính trong q trình học tập và làm việc tại trường
Đại học Bách khoa Hà Nội. Mục đích của luận văn là nghiên cứu thiết kế hệ điều
khiển kiểu lai cho mạch vòng dòng điện trên nền tảng phương pháp điều khiển
vector tựa từ thơng rotor truyền thống. Luận văn được trình bày làm bốn chương:

5


Chương 1: Tìm hiểu chung về động cơ từ trường dọc trục
Chương 2: Mơ hình tốn học và cấu trúc điều khiển động cơ từ trường
dọc trục sử dụng nam châm vĩnh cửu

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển dòng ổn định kiểu lai cho động cơ
nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm Matlab - Simulink
Đây là một đề tài mới, cộng thêm kinh nghiệm và kiến thức bản thân còn
nhiều hạn chế nên chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những sai sót trong việc nghiên
cứu và trình bày luận văn. Tác giả rất mong muốn và xin chân thành cảm ơn cũng
như ghi nhận những đóng góp, ý kiến đánh giá phê bình của các thầy cơ, hội đồng
phản biện và hội đồng chấm luận văn để tác giả có thể hồn thiện và phát triển hơn
nữa nội dung cuốn luận văn cũng như kiến thức của bản thân.
Nhân tiện đây, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới
các thầy cô giáo là giảng viên trong bộ mơn Điều khiển - Tự động hóa, khoa Điện,
trường Đại học Bách khoa Hà Nội; đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Quang Địch,
người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện rất tốt trong việc định
hướng, cung cấp tài liệu và các trang thiết bị thí nghiệm cần thiết để tác giả có thể
hồn thiện được cuốn luận văn này.

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012
Tác giả luận văn

Vũ Đăng Chu

6


Chương 1
TÌM HIỂU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC
TRỤC
1.1. Giới thiệu
Động cơ đã được phát hiện và nghiên cứu trong gần một thế kỷ qua. Trong
suốt thời kỳ này, rất nhiều nhà nghiên cứu không ngừng phát triển và hoàn thiện về

mặt thiết kế, cấu tạo và hiệu suất của động cơ.
Ngày nay, động cơ được phát triển theo nhiều cấu trúc vật lý khác nhau.
Chúng có thể được chia làm ba loại :
-

Động cơ từ trường hướng tâm là động cơ có dây quấn dọc trục và khe hở
từ trường hướng tâm.

-

Động cơ từ trường dọc trục là động cơ có dây quấn hướng tâm và khe hở
từ trường dọc trục.

-

Động cơ tuyến tính là động cơ mà các đường từ thông trực giao lẫn nhau
và dây quấn được sắp xếp theo đường tuyến tính.

Lịch sử phát triển động cơ cho thấy kiểu động cơ từ trường dọc trục là kiểu
động cơ được hình thành sớm nhất. Dựa trên định luật cảm ứng điện từ, Faraday đã
phát minh ra đĩa Faraday năm 1821, còn gọi là động cơ đồng cực. Bởi vì lực từ hóa
lớn tồn tại giữa stator và rotor, nên những động cơ này nhanh chóng bị thay thế bởi
động cơ từ trường hướng tâm. Động cơ từ trường hướng tâm đã và đang sử dụng
rộng rãi đến ngày nay.

7


Hình 1.1 Mơ hình đĩa Faraday phát minh năm 1921
Ngun lý hoạt động của động cơ từ trường dọc trục cũng giống như các

động cơ thông thường đều dựa trên hai định luật điện từ cơ bản đó là đinh luật suất
điện động cảm ứng và định luật về lực điện từ. Như ta đã đề cập đến ở trên, một hạn
chế của thiết kế từ trường dọc trục là lực từ hóa mạnh giữa stator và rotor. Vấn đề
này đã được giảm bớt bằng cách sử dụng một cấu trúc xen kẽ với stator ở giữa hai
rotor hoặc rotor ở giữa hai stator. Một nghiên cứu về máy điện từ trường dọc trục
cho thấy hiệu suất động cơ từ trường dọc trục đã khơng ngừng tăng lên. Do đó,
chúng ta tin rằng động cơ từ trường dọc trục sẽ được sử dụng trong tương lai trong
những ứng dụng rộng lớn với nhiều điểm ích lợi.

Hình 1.2 Mơ hình động cơ từ trường dọc trục

8


Động cơ từ trường dọc trục hiện đang được ứng dụng trong quạt sưởi xe hơi,
quạt tản nhiệt, thiệt bị phát điện hỗ trợ, máy phát điện chạy bằng năng lượng gió, ơ
tơ điện, máy phát điện tốc độ cao sử dụng turbine khí...

1.2. Sự khác biệt giữa động cơ từ trường dọc trục và động cơ thông
thường
Động cơ từ trường dọc trục mang những đặc điểm khác biệt so với động cơ
thông thường :
Động cơ từ trường dọc trục có từ trường khe hở khơng khí chạy theo
chiều dọc của trục động cơ và dây quấn động cơ có hướng vng góc với
trục động cơ.
Stator và rotor của động cơ từ trường dọc trục đều là kiểu đĩa.
Dây quấn Stator sinh ra nhiều momen hơn bởi vì dây quấn stator được
quấn theo cấu hình hình xuyến. Hơn nữa, trong động cơ từ trường dọc
trục, Stator có thể làm việc ở cả hai bề mặt hoạt động cho việc biến đổi
điện - cơ, điều này cũng tăng hiệu suất động cơ.

Hai đĩa xoay(trong động cơ có stator ở giữa) hoạt động tự nhiên như
những chiếc cánh quạt, làm giảm nhiệt sinh ra bởi đồng và tổn hao sắt từ.
Điều này có thể thực hiện được thơng qua vị trí các lỗ cạnh trục chính của
động cơ. Các lỗ này giúp cho các dịng khơng khí xun qua khe hở động
cơ. Với những cấu hình động cơ kiểu này cho phép khai thác hiệu quả
hơn các động cơ thông thường.
Động cơ từ trường dọc trục có thể được thiết kế tạo ra năng lượng lớn mà
tiết kiệm nguyên liệu làm lõi nhất là khi nam châm vĩnh cữu được sử
dụng.
Diện tích sàn đòi hỏi cho việc sản xuất và dây chuyền sản xuất được giảm
đáng kể nếu chúng ta sử dụng động cơ từ trường dọc trục vì cấu trúc nhỏ
gọn, đơn giản.

9


Chiều dài dọc trục ngắn trong động cơ từ trường dọc trục tạo ra thông số
tốt hơn do tạo ra lực quán tính cao hơn các động cơ từ trường hướng tâm
với cùng một mức năng lượng. Điều này sẽ giới hạn những ứng dụng đối
với hệ thống yêu cầu đáp ứng chậm.
Cấu trúc hệ truyền động của động cơ từ trường dọc trục sẽ được giảm bớt
làm giảm chiều dài và trọng lượng của cả hệ. Hơn nữa, do không sử dụng
hộp số để tăng giảm tốc độ nên hệ truyền động động cơ từ trường dọc
trục sẽ có hiệu suất cao. Hình vẽ dưới đây mơ tả cấu trúc hệ truyền động
của hai loại động cơ trên:

Hình 1.3 Cấu trúc HTĐ a>Động cơ thông thường b> Động cơ dọc trục

1.3. Phân loại động cơ từ trường dọc trục
Giống như các động cơ cảm ứng thông thường, chiều dài khe hở khơng khí

phải nhỏ và các tác động của khe hở này phải điều khiển được. Động cơ từ trường
dọc trục cũng có những cấu trúc khác biệt. Những cấu trúc đó có thể được chia làm
những loại sau.
1.3.1. Theo cấu trúc rotor và stator
Dựa theo cấu trúc stator và rotor, ta có thể phân làm 3 loại chính:
Động cơ với một khe hở
Cấu trúc này là cấu trúc đơn giản nhất và cổ điển nhất của động cơ từ trường
dọc trục và được gọi là động cơ một mặt. Nhìn chung cấu trúc này phù hợp với các
loại động cơ có momen thấp.

10


Hình (a) mơ tả động cơ một mặt với rotor làm bằng sắt và hình (b) là kiểu
rotor hai lớp làm bằng nhơm.

Hình 1.4 Động cơ AFM một khe hở a> Rotor làm bằng sắt b> Rotor làm bằng
nhôm
Động cơ với hai khe hở
Trong loại động cơ hai khe hở có thể cả hai khe hở đều dọc trục (động cơ hai
mặt) hoặc một khe hở dọc trục một khe hở hướng tâm. Điều này có thể làm giảm
lực dọc trục và động cơ có thể cấu tạo từ một rotor xen giữa hai stator hoặc một
stator xen giữa hai rotor.

Hình 1.5 Động cơ AFM hai khe hở a> Rotor ở giữa hai startor b> Startor ở giữa
rotor
Mặc dù trong động cơ hai mặt có những điểm thuận lợi như momen lớn và
lực dọc trục cân bằng nhưng nó cũng có nhược điểm về giá thành động cơ. Hai

11

stator thường làm chi phí tăng lên khi so sánh với động cơ một mặt tương đương
đặc biệt là trong phân khúc các loại máy nhỏ. Điều này liên quan tới lượng đồng
trong dây quấn stator và cũng ảnh hưởng tới thời gian yêu cầu để sản xuất dây quấn.
Trong các động cơ đòi hỏi momen cao, sự khác biệt trong giá thành sản xuất giữa
hai loại động cơ một mặt và hai mặt càng ngày được thu hẹp.
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một động cơ mới có cả từ trường dọc trục và
hướng tâm với tỷ trọng năng lượng cao và hiệu quả. Động cơ này có mơ hình một
stator và hai rotor. Rotor có một dây quấn lồng sóc dọc trục và một hướng tâm như
minh họa trong hình dưới đây:

Hình 1.6 Động cơ AFM hai khe hở một khe hở dọc trục một khe hở hướng tâm
Động cơ với nhiều khe hở
Mặc dù động cơ có cấu trúc hai mặt có có nhiều ưu điểm nhưng cấu trúc
động cơ từ trường dọc trục với nhiều đĩa cũng có thể là sự lựa chọn cho những ứng
dụng đặc biệt như là các động cơ năng lượng cao.

12


Hình 1.7 Động cơ AFM nhiều khe hở

1.3.2. Theo vật liệu chế tạo động cơ
Lõi từ của động cơ từ trường dọc trục có thể được chế tạo từ sắt, bột tổng
hợp(chất điện từ), hoặc vật chất vơ định hình. Chất siêu dẫn cũng được dùng để chế
tạo động cơ từ trường dọc trục. Trong phần này những kiểu cấu trúc động cơ khác
nhau sẽ được minh họa. Lưu ý lõi từ có thể là một khối hoặc nhiều lớp mỏng và các
lõi từ được làm từ nhiều lớp mỏng thường được làm bằng lõi băng quấn trịn có xẻ
rãnh.

Sắt
Các động cơ từ trường dọc trục phổ biến thường sử dụng lõi sắt. Như ta đã
nói trước đây, việc sản xuất lõi sắt từ của stator sẽ rất khó khăn. Các lõi từ làm việc
dưới từ trường xoay chiều và do đó nó phải có cấu tạo lớp. Bởi vì từ trường trong
khe hở khơng khí là dọc trục, nên stator nên được cách điện cẩn thận với rotor. Nếu
kiểu quấn dây cổ điển được sử dụng trên bề mặt của stator và rotor, chúng ta nên tạo
các rãnh hướng tâm trên stator. Việc sản xuất lõi từ như cấu trúc trên là rất khó.
Khó khăn sẽ gặp phải trong q trình gia cơng rãnh, bình thường q trình phay
hoặc mài đều tăng chi phí và tốn nhiều cơng.

13


Chất điện từ
Bột kim loại và sắt từ mềm được trộn hỗn hợp với nhau trong quá trình sản
xuất lõi từ. Đây là cách đơn giản để chế tạo lõi sắt từ trong khi nếu chế tạo theo
cách truyền thống thì rất khó hoặc gần như là khơng thể. Bột tổng hợp này khơng có
tính chất từ mạnh như các lá hoặc bản nam châm thông thường. Ta thấy rằng những
vật chất này cho phép dễ dàng làm giảm giá thành sản xuất và có thể làm giảm độ
tổn hao sắt từ ở tần số cao (~400-800 Hz). Hơn nữa, chúng cịn có hai khía cạnh
khác. Một là cho phép từ thơng chính trong lõi stator đi theo 3 hướng giống trong tự
nhiên. Hai là độ từ thẩm thấp của chúng làm gia cố các phần từ thông đi qua.
Chất vơ định hình
Những chiếc băng kim loại vơ định hình có tính sắt từ cao được dùng trong
động cơ điện có giá thành chỉ bằng ¼ khi sử dụng thép thơng thường. Hơn nữa,
chúng có tổn hao lõi từ cũng chỉ bằng ¼ khi sử dụng sắt silicon thơng thường làm
lõi và chúng có độ dẫn từ rất cao. Những chiếc băng này rất mảnh(chỉ dày 0.0005
đến 0.003 inch) và có độ rộng khoảng 2 inch, đồng thời điện trở suất của chúng cao
cho kết quả tốt khi ở tần số cao. Chúng cũng có hiểu quả tốt ngay cả ở tốc độ cao.
Chất siêu dẫn

Chất siêu dẫn nhiệt độ cao đang được xem xét thay thế các chất thông
thường trong thiết bị điện. Dòng điện lớn trong chất siêu dẫn cho phép chúng tạo ra
từ trường làm việc trong lõi khơng khí thay thế cho sắt từ thơng thường.
Phần lớn lõi siêu dẫn trong động cơ từ trường dọc trục chỉ sử dụng trong
rotor, cịn stator thì vẫn quấn theo kiểu thơng thường. Tuy nhiên, cũng có một số tác
giả đã trình bày cách chế tạo dây quấn stator được làm bằng chất siêu dẫn cho động
cơ từ trường dọc trục lõi khơng khí. Những dây quấn đó được chế tạo từ gốm được
gia công với số lượng lớn. Họ đề nghị chế tạo động cơ với rotor được làm từ chất
siêu dẫn giữa hai stator.

14


1.3.3. Theo kiểu xẻ rãnh stator
Có hai kiểu động cơ từ trường dọc trục được xét đến trong kiểu động cơ này.
Kiểu đầu tiên là stator được xẻ rãnh có dây quấn được định sẵn trong các rãnh và
yêu cầu là phải có độ từ hóa nhỏ hơn stator khơng rãnh. Sản xuất stator kiểu này rất
khó. Kiểu động cơ thứ hai là stator khơng có rãnh có dây quấn quanh một là hoặc
nhiều lá mỏng. Những cấu trúc kiểu này dễ sản xuất hơn và cũng đảm bảo hoạt
động của động cơ.
1.3.4. Theo kiểu lõi từ
Động cơ từ trường dọc trục có thể có lõi từ hoặc khơng. Trong cấu trúc
khơng lõi từ, stator và rotor có lõi khơng khí. Lõi khơng khí stator địi hỏi độ dẫn từ
lớn hơn lõi sắt. Mặt khác, nếu lõi từ tồn tại, nó có thể là sắt, chất điện từ, lõi SMC,
hoặc lõi nhôm.
1.3.5. Theo nguồn gốc động cơ
Từ trường quay của động cơ được sinh ra bởi điện áp và dòng điện hình sin.
Nhưng khi những ứng dụng cơng nghiệp địi hỏi điều chỉnh tốc độ, một giả pháp
đơn giản và kinh tế nhất là sử dụng động cơ xoay chiều với nguồn đầu vào có tần số
điện áp biến đổi. Vì vậy, xem xét nguồn đầu vào của động cơ ta có hai loại động cơ

từ trường dọc trục: động cơ nguồn dạng hình sin hoặc động cơ sử dụng bộ biến đổi.
1.3.6. Theo số pha
Động cơ từ trường dọc trục có thể có cấu trúc 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha.
1.3.7. Theo cấu trúc của rotor
Rotor của động cơ từ trường dọc trục có thể được chế tạo kiểu khối hoặc sử
dụng các lá thép mỏng. Các lá thép mỏng có hình dạng và ghép với nhau thành
khối. Những bản thép này được sử dụng để làm giảm dịng xốy trong lõi từ. Rotor
sử dụng lá thép mỏng không thể sử dụng trong động cơ tốc độ cao bởi vì nó khơng
đủ bền vững.

15


1.3.8. Theo cấu trúc của dây quấn stator
Có những cách sắp xếp khác nhau trong dây quấn stator. Chúng có thể phân
loại thành kiểu lớp đơn, lớp kép, kiểu gramme. Hình dưới đây minh họa cấu tạo
kiểu lớp đơn và kiểu gramme.

Hình 1.8 Dây quấn stator động cơ AFM a> Kiểu lớp đơn b> Kiểu gramme

1.4. Ứng dụng của động cơ từ trường dọc trục
Những đặc điểm đặc biệt của động cơ từ trường dọc trục như là cấu trúc dạng
đĩa và khe hở khơng khí điều chỉnh được, cấu trúc nhỏ gọn, hiệu suất cao. Và đặc
biệt là số cực lớn(hơn 12 cực). Vì vậy chúng thu hút các nhà nghiên cứu thay thế
các động cơ thông thường bằng các động cơ từ trường dọc trục trong một số ứng
dụng như quạt, bánh xe có rãnh, máy bơm, các ứng dụng gia dụng trong gia đình, xe
điện...Các ứng dụng đó được trình bày tóm tắt dưới đây:
1.4.1. Xe điện
Trong động cơ của xe điện, các thuộc tính năng lượng và momen, hiệu suất
cao và hệ số công suất, cấu trúc nhỏ gọn, cần sự lựa chọn tối ưu cho hệ thống điện

áp để làm nhỏ gọn bộ biến đổi, khối lượng pin và giá thành hệ thống, dải tốc độ
rộng là những yêu cầu bắt buộc. Trong những năm trở lại đây, động cơ từ trường
dọc trục và mô hình kiểu đĩa đang trở lên phổ biến trong hệ thống chuyển động xe
điện.

16


1.4.2. Thiết bị gia dụng
Trong những ứng dụng gia đình công suất nhỏ như quạt, máy bơm, bộ xử lý
thức ăn...động cơ từ trường dọc trục một pha có thể có những hữu ích rõ rệt. Đầu
tiên, hình dạng phẳng của động cơ từ trường dọc trục là cấu trúc phù hợp cho những
ứng dụng ta đã nói trên đây. Thứ hai là rotor động cơ có thể được tích hợp với phần
quay ví dụ như cánh quạt, cánh máy bơm...Lực dọc trục giữa stator và rotor thì
khơng ảnh hưởng lắm trong dải cơng suất nhỏ. Hình 1.9 trình bày cấu trúc mơ hình
động cơ từ trường dọc trục rotor lồng sóc cho quạt trần. Hình 1.10 so sánh kích cỡ
của động cơ từ trường dọc trục với động cơ thơng thường cùng cơng suất.

Hình 1.9 Cấu tạo động cơ từ trường dọc trục rotor lồng sóc cho quạt trần

Hình 1.10 So sánh kích cỡ động cơ từ trường dọc trục và động cơ thơng thường
có cùng cơng suất.

17


1.4.3. Những ứng dụng tốc độ cao
Việc sử dụng động cơ từ trường dọc trục trong các động cơ công suất cao tốc
độ biến đổi đang ngày càng phổ biến, đặc biệt là máy bơm áp suất cao, hệ thống nén
khí tốc độ cao và trong các bộ biến đổi năng lượng nhỏ. Các ứng dụng này đều đòi

hỏi tốc độ cao. Ý tưởng thực hiện sử dụng động cơ tốc độ cao thay thế cho hộp số
cơ và gắn trực tiếp tải vào trục rotor. Điều này mang lại một số hữu ích hơn động cơ
tốc độ thấp thơng thường ví dụ như tổn thất trong hộp số được suy giảm và chúng ta
có thể điều khiển full speed.

18


Chương 2
MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG
DỌC TRỤC
2.1.

Mơ hình tốn học động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục

2.1.1. Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là động cơ có cực từ tạo bởi nam châm
vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ từ dư rất lớn(0,5 – 1,5 T). Các cực từ này có
cấu tạo cực lồi và được đặt ở rotor. Khoảng cách giữa các cực được đổ nhơm kín và
tồn bộ rotor là một khối trụ.
Năm 1980, lần đầu tiên các nhà sản xuất ra mắt động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu từ trường hướng tâm trong thị trường động cơ công nghiệp. Các động cơ
đầu tiên này đều sử dụng nam châm SmCo. Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu là hiệu suất cao hơn động cơ điện truyền thống bởi các động cơ này
được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Mặc dù vậy, phải đến mười năm sau
động cơ này mới được ứng dụng rộng rãi. Bất chấp sự thành công của động cơ nam
châm vĩnh cửu từ trường hướng tâm, động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc
trục vẫn được các nhà nghiên cứu quan tâm bởi nó có tác dụng trong những ứng
dụng đặc biệt cần chú ý đến cấu trúc hình học. Ví dụ như động cơ trong bánh xe

điện, động cơ nâng... Động cơ dọc trục thường sử dụng tích hợp trong ứng dụng
momen cao.
Dựa vào cấu trúc, các động cơ từ trường dọc trục có thể được phân loại dựa
trên vị trí rotor so với stator và cách sắp xếp dây quấn. Chúng ta có những cấu trúc
sau:
Cấu trúc một stator và một rotor
Cấu trúc một stator ở giữa hai rotor

19


Cấu trúc một rotor ở giữa hai stator
Cấu trúc nhiều stator xen kẽ nhiều rotor

Hình 2.1 Cấu trúc động cơ AFPM
a> Động cơ một stator và một rotor b> Động cơ một rotor giữa hai stator
c> Động cơ một stator ở giữa hai rotor d> Động cơ nhiều stator và nhiều rotor
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng ta sẽ đi nghiên cứu một trường hợp
riêng của động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục với một rotor cực lồi xen
giữa hai stator. Các trường hợp khác, chúng ta cũng xét một cách tương tự.
Hình 2.2 bên dưới minh họa cho cấu trúc trong không gian của động cơ nam
châm vĩnh cửu từ trường dọc trục.

20


Hình 2.2 Trục tọa độ và cấu trúc chi tiết của động cơ từ trường dọc trục
Động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc thơng thường có hai ổ đỗ từ
ngang trục để đảm bảo trục ln ở chính giữa. Nhìn vào cấu trúc này ta thấy rotor
của động cơ nam châm vĩnh cử từ trường dọc trục có 6 bậc tự do, trong đó 4 bậc (x,

y, θx, θy) được điều khiển bởi ổ đỡ từ ngang trục. Còn lại 2 bậc (z, θ) được điều
khiển bởi động cơ. Trong phạm vi đồ án này, ta chỉ quan tấm tới chuyển động quay
và chuyển động dọc trục của rotor. Và ta coi như động cơ chỉ có hai bậc tự do.

Hình 2.3 Rotor cực lồi

21