Nghiên cứu cải thiện đặc tính lực của động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính

i
...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----- -----

TRƯƠNG MINH TẤN

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH LỰC CỦA ĐỘNG
CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA TUYẾN TÍNH

Chun ngành: Thiết bị điện
Mã số: 62.52.50.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Nguyễn Thế Công
2. PGS.TS. Lê Văn Doanh

Hà Nội - 2013


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được
công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã
được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong
luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất

cứ một luận án nào khác.
Tác giả luận án

Trương Minh Tấn


iii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn. Một
mặt do trình độ cịn hạn chế, một mặt do thiếu thơng tin tư liệu và tài liệu
tham khảo, song được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, sự giúp
đỡ của các GS, PGS, TS trong Bộ môn Thiết bị Điện – Điện Tử, trường Đại
học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè đồng nghiệp, luận án
đến nay đã hoàn thành.
Tác giả chân thành cảm ơn khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại
học Quy Nhơn đã dành thời gian và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả
trong thời gian học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo
điều kiện làm việc của Bộ môn Thiết bị Điện – Điện Tử, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội dành cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, thực
hiện luận án. Chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và động viên tác giả trong thời gian
nghiên cứu hồn thành luận án.
Tác giả vơ cùng biết ơn thầy giáo TS. Nguyễn Thế Công, PGS.TS. Lê
Văn Doanh, những người đã định hướng, hướng dẫn, giúp tác giả hoàn thành
các nhiệm vụ đặt ra cho luận án. Chân thành cảm ơn các GS, PGS, TS, các
thầy cô giáo đã dành thời gian đọc và đóng góp những ý kiến q báu làm
luận án có tính khoa học hơn.
Cuối cùng xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, những người thân,
những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tơi vượt qua

những khó khăn để hoàn thành luận án
Tác giả luận án

Trương Minh Tấn


iv
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa ……………………………………………………….. i
Lời cam đoan ………………………………………………………..

ii

Lời cảm ơn ………………………………………………………….. iii
Mục lục ……………………………………………………………...

iv

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ……………………………... viii
Danh mục các bảng biểu ……………………………………………. xii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……………………………………….. xiv
Mở đầu ……………………………………………………………... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ………………………………………. 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ……………………... 4
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ………………….. 5
4. Phương pháp nghiên cứu ……………………………………...

6

5. Nội dung của luận án ………………………………………….

6

6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới ………………………….

7

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các phương
pháp nghiên cứu động cơ điện tuyến tính hiện nay……………… 9
1.1. Giới thiệu chung về động cơ tuyến tính ……………………. 10
1.2. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trên thế giới ... 13
1.3. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trong nước….. 21
1.4. Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả ……………………… 22
Kết luận chương 1 ……………………………………………….. 23
Chương 2: Khái quát chung về kiến thức cơ bản và thuật toán
thiết kế động cơ khơng đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên …… 24
2.1. Đặt vấn đề…………………………………………………… 24
2.2. Cơ sở lý thuyết chung ………………………………………. 26


v
2.2.1. Vận tốc dài đồng bộ …………………………………... 26
2.2.2. Hệ số trượt ……………………………………………. 27
2.2.3. Sức điện động cảm ứng ……………………………….

27

2.2.4. Mô hình động cơ KĐB tuyến tính đơn biên thiết kế …… 28
2.2.5. Dây quấn ……………………………………………… 30

2.2.6. Mơ hình mạch điện tương đương ……………………..

33

2.2.7. Các thành phần lực trong động cơ ……………………. 36
2.2.8. Hiệu suất ........................................................................ 38
2.3. Thuật toán thiết kế động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn
biên khơng xét đến các thành phần hiệu ứng ……………… 38
2.4. Kết quả tính tốn cụ thể …………………………………….. 40
Kết luận chương 2 ……………………………………………….. 43
Chương 3: Xây dựng mơ hình thực nghiệm động cơ khơng đồng
bộ ba pha tuyến tính đơn biên ……………………………………. 44
3.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm ……………………………

44

3.2. Thí nghiệm trên mơ hình …………….……………………..

47

3.2.1. Đo vận tốc của động cơ bằng encoder ….…………….. 47
3.2.2. Đo lực trên mơ hình thực nghiệm ……..……………… 49
3.2.3. Đặc tính cơ của động cơ……….. ……..………………

51

Kết luận chương 3 ………………………………………………. 54
Chương 4: Xây dựng mơ hình trường động cơ khơng đồng bộ
ba pha tuyến tính đơn biên ………………………………………..

55

4.1. Đặt vấn đề ………………………………………………….. 55
4.2. Cơ sở lý thuyết của trường điện từ …………………………

56

4.2.1. Hệ phương trình Maxwell …………………………….

56

4.2.2. Thiết lập mơ hình – phân loại mơ hình ……………….. 58
4.3. Mơ hình trường điện từ của động cơ KĐB tuyến tính ….. 60


vi
4.4. Phương pháp giải bài tốn theo mơ hình trường điện từ …... 62
4.5. Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn FEMM để giải bài
toán trường động cơ KĐB tuyến tính ………………..…….... 64
4.5.1. Vài nét về phần mềm FEMM ........................................ 64
4.5.2. Xây dựng mơ hình trường động cơ KĐB tuyến tính
đơn biên trên phần mềm FEMM . …………………........ 65
4.5.3. Nghiên cứu từ trường trong động cơ KĐB tuyến tính
thiết kế …………………………………............................. 68
4.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến đặc tính lực 77
của động cơ KĐB tuyến tính …………
4.5.4.1. Ảnh hưởng của độ rộng khe hở khơng khí ……… 77
4.5.4.2. Ảnh hưởng của độ dày tấm nhơm phía thứ cấp …. 79
4.5.4.3. Ảnh hưởng của cấu trúc răng rãnh của lõi thép …. 80
4.5.4.4. Ảnh hưởng của độ rộng lõi thép phần sơ cấp …… 82

4.5.4.5. Ảnh hưởng của dòng điện đặt vào dây quấn sơ
cấp……………………………………………………..

83

4.5.4.6. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu làm tấm dẫn
điện …………………………………………………… 84
4.5.5. So sánh lực theo mơ hình trường và mơ hình mạch ….. 85
Kết luận chương 4 ………………………………………………. 87
Chương 5: Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu động cơ khơng
đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên đảm bảo về lực và giảm
thiểu ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối và dịng xốy ……………….

89

5.1. Mơ hình mạch điện tương đương động cơ KĐB tuyến
tính có xét đến thành phần hiệu ứng đầu cuối và dịng xốy ... 91
5.2. Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số cơ bản trong thiết
kế đến hệ số hiệu ứng đầu cuối ……………………………… 94


vii
5.3. Xây dựng thuật tốn thiết kế tối ưu thơng số động cơ theo
giá trị lực yêu cầu và có xét đến yếu tố cực tiểu hệ số kHU..……... 101
5.3.1. Phương pháp thành lập bài toán ………………………

101

5.3.2. Thành lập bài toán thiết kế tối ưu …………………….. 102
5.3.3. Lựa chọn phương pháp giải ........................................... 107

5.3.4. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu …………………... 107
5.3.5. Kết quả ………………………………………………... 111
5.3.6. Tính kiểm tra lại trên mơ hình FEM 2D ……………… 116
5.4. Tổng hợp kết quả tính tốn và bàn luận ………………......... 118
Kết luận chương 5 ……………………………………………….. 119
Kết luận ……………..……………………………………………… 121
Danh mục các cơng trình đã cơng bố của luận án …………………... 123
Tài liệu tham khảo …………………………………………………..

124

Phụ lục 1: Một số hình ảnh về mơ hình thực nghiệm ......................... 131
Phụ lục 2: Khảo sát từ trường tản phần thứ cấp của động cơ KĐB ba
pha tuyến tính …………………………………………................ 134
Phụ lục 3: Sự tương đương của thành phần dòng điện ngang trục
Ids và dòng điện từ hóa Im ....................................................... 137


viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Bảng 1: Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Tên gọi

λ

Bước răng

δ

Độ rộng khe hở khơng khí

δ0

Độ rộng khe hở khơng khí từ tính

δe

Độ rộng khe hở khơng khí thực tế

μ0

Độ từ thẩm của khơng khí

cu

Điện trở suất của đồng

Al

Điện trở suất của nhơm

η

Hiệu suất



Góc lệch pha giữa điện áp và dịng điện

τ

Bước cực

ω

Tốc độ góc

p

Bước dây quấn

a

Chiều rộng của rãnh

b

Chiều rộng của răng

bmin

Chiều rộng của răng nhỏ nhất

Bgmax

Mật độ từ thông trong gông lớn nhất

Brmax

Mật độ từ thông trong răng lớn nhất

Bδmax

Mật độ từ thơng lớn nhất trong khe hở khơng khí

Bδtb

Mật độ từ thơng trung bình trong khe hở khơng khí

d

Độ dày của tấm nhơm

Dw

Đường kính dây dẫn

e1

Sức điện động cảm ứng pha phần sơ cấp

E1

Trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng pha phần sơ cấp


ix
f

Tần số

Fs

Lực điện từ

Gcu

Trọng lượng đồng của dây quấn phần sơ cấp

Gfe

Trọng lượng thép của phần sơ cấp

Gsc

Trọng lượng của phần sơ cấp

hg

Chiều cao của gơng

hr

Chiều cao của rãnh

I1

Dịng điện pha phần sơ cấp

I’2

Dòng điện pha phần thứ cấp qui đổi về phần sơ cấp

Im

Dịng điện từ hóa

j1

Mật độ dịng điện trong dây quấn phần sơ cấp

kc

Hệ số Carter (hệ số khe hở khơng khí)

kd

Hệ số quấn rải

kp

Hệ số bước ngắn

kHU

Hệ số đánh giá mức độ tác động của hiệu ứng

kw

Hệ số dây quấn

lce

Chiều dài phần đầu nối

Ls

Chiều dài của phần sơ cấp

lw

Chiều dài dây quấn của 1 pha phần sơ cấp

Lw

Chiều dài dây quấn phần sơ cấp

m

Số pha

n

Số dây dẫn song song

nr

Số thanh dẫn trong một rãnh

2p

Số cực

P2

Công suất đầu ra

P1

Công suất đầu vào

q1

Số rãnh của một pha dưới một cực


x
R1

Điện trở tác dụng của pha dây quấn phần sơ cấp

R’2

Điện trở tác dụng của pha phần thứ cấp qui đổi về phần sơ cấp

s

Hệ số trượt

Sr

Diện tích rãnh

Swr

Tổng tiết diện của dây đồng

U1

Điện áp hiệu dụng pha phần sơ cấp

Vr

Vận tốc dài chuyển dịch của phần động

Vs

Vận tốc dài đồng bộ của từ trường chạy

w1

Số vòng dây của một pha

Ws

Độ rộng của lõi sắt phần sơ cấp

X1

Điện kháng tản của dây quấn phần sơ cấp

Xm

Điện kháng từ hóa

y

Bước dây quấn


xi
Bảng 2: Danh mục các chữ viết tắt
Ký hiệu

Viết tắt cho

Nghĩa tiếng Việt

KĐB

-

Không đồng bộ

PTHH

-

Phần tử hữu hạn

TCVN

-

Tiêu chuẩn Việt Nam

THD

Total Harmonic Distortion

Tổng độ méo do sóng hài

FEM

Finite Element Method

Phương pháp PTHH

FEMM

Finite Element Method Magnetics Phương pháp PTHH mạch từ

FDM

Finite Difference Method

Phương pháp sai phân hữu hạn

UFEM

Upwind Finite Element Method

Phương pháp PTHH ngược

2- D

Two - Dimensional

Hai chiều

3- D

Three - Dimensional

Ba chiều

CNC

Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính

FMS

Flexible Manufacturing System

Hệ thống sản xuất linh hoạt

FSLIM

Flux Synthesizing Linear

Tổng hợp từ thông động cơ

Induction Motor

KĐB tuyến tính

EMALS Electromagnetic Aircraft Launch

Hệ thống phóng máy bay điện

Systems

từ

LM

Linear Metro

Tàu điện ngầm tuyến tính

HSST

High Speed Surface Transportation Giao thông trên mặt đất tốc độ cao

FCLIM

Flux Concentration Type Linear

Động cơ KĐB tuyến tính loại

Induction Motor

tập trung từ thơng

AC

Alternating Current

Dịng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dịng điện một chiều


xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT

Tên các bảng biểu

Trang

1

Bảng 2.1: Các hằng số cần thiết trong thiết kế

40

2

Bảng 2.2: Các giá trị đầu vào và thông số kỹ thuật yêu cầu

40

của động cơ
3

Bảng 2.3: Kết quả tính tốn cho động cơ thiết kế

41

4

Bảng 3.1: Kết quả đo lực với khối lượng vận chuyển

50

30,6kg
5

Bảng 3.2: So sánh các kết quả lực và vận tốc

51

6

Bảng 3.3: Kết quả đo vận tốc từ mô hình thực nghiệm

53

7

Bảng 3.4: Kết quả đo lực

52

8

Bảng 4.1: So sánh độ lớn lực khi thay đổi khe hở không khí

78

9

Bảng 4.2: So sánh độ lớn lực khi thay đổi độ dày của

80

tấm nhôm
10

Bảng 4.3: So sánh độ lớn lực khi thay đổi cấu trúc răng rãnh

82

của lõi thép phần sơ cấp
11

Bảng 4.4: So sánh độ lớn lực kéo khi thay đổi độ rộng lõi

83

thép phần sơ cấp
12

Bảng 4.5: So sánh độ lớn lực khi thay đổi dòng điện

84

13

Bảng 4.6: So sánh độ lớn lực khi thay đổi vật liệu làm tấm

85

dẫn điện
14

Bảng 4.7: So sánh độ lớn lực theo mơ hình trường và mơ

86

hình mạch

15

Bảng 4.8: So sánh các kết quả về lực

87

16

Bảng 5.1: Các biến độc lập

105

17

Bảng 5.2: Các ràng buộc

106


xiii
18

Bảng 5.3: Khoảng xác định của các biến số độc lập

109

19

Bảng 5.4: Kết quả tính tốn cho động cơ thiết kế

113

20

Bảng 5.5: So sánh kết quả tính tốn giữa thuật tốn và FEM

117

21

Bảng 5.6: Tổng hợp kết quả tính tốn giữa thuật toán và FEM

118


xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

1

Hình 1: JFK Newyork

1

2

Hình 2: Green Line Yokohama – Nhật Bản

1

Hình 3: Ứng dụng động cơ tuyến tính trong gia cơng kim

2

3
4

loại và robot
Hình 1.1: Mơ hình chuyển đổi động cơ quay sang động cơ

10

tuyến tính
5

Hình 1.2: Phân loại động cơ điện tuyến tính

11

6

Hình 1.3: Phân loại theo ứng dụng riêng của động cơ tuyến

11

tính
7

Hình 1.4: So sánh giữa chuyển động thẳng tạo gián tiếp và

13

trực tiếp
8

Hình 2.1: Mơ hình động cơ KĐB tuyến tính đơn biên

25

9

Hình 2.2: Quan hệ giữa bán kính động cơ KĐB quay và

26

chiều dài động cơ KĐB tuyến tính
10

Hình 2.3: Mơ hình của động cơ KĐB tuyến tính đơn biên

29

11

Hình 2.4: Dây quấn một lớp của động cơ KĐB tuyến tính

31

đơn biên 3 pha, 4 cực, 1 rãnh/1 cực/1pha
12

Hình 2.5: Dây quấn hai lớp bước đủ của động cơ KĐB

31

tuyến tính đơn biên 3 pha, 5 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y = 
13

Hình 2.6: Dây quấn hai lớp bước đủ của động cơ KĐB

32

tuyến tính đơn biên 3 pha, 5 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y = 
14

Hình 2.7: Dây quấn hai lớp bước đủ của động cơ KĐB
tuyến tính đơn biên 3 pha, 5 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y = 

32


xv

15

Hình 2.8: Dây quấn hai lớp bước ngắn của động cơ KĐB

33

tuyến tính đơn biên 3 pha, 4 cực,1 rãnh/1 cực/1pha, bước
dây quấn y =  3
16

Hình 2.9: Mạch điện tương đương một pha động cơ KĐB

33

tuyến tính khơng xét đến thành phần hiệu ứng đầu cuối và
dịng xốy
17

Hình 2.10: Các thành phần lực trong động cơ KĐB tuyến tính

36

18

Hình 2.11: Thuật tốn thiết kế động cơ KĐB tuyến tính

39

đơn biên
19

Hình 2.12: Kích thước lõi thép phần sơ cấp của động cơ

42

KĐB tuyến tính thiết kế (đơn vị mm)
20

Hình 2.13: Đặc tính Fs = f(Vr)

42

21

Hình 2.14: Đặc tính  = f(Vr)

42

22

Hình 2.15: Đặc tính Fs = f(s)

42

23

Hình 2.16: Đặc tính  = f(s)

42

24

Hình 3.1: Các kích thước của lá thép

44

25

Hình 3.2: Lá thép kỹ thuật điện mã hiệu 2211 dày 0,5 mm

45

26

Hình 3.3: Giản đồ triển khai dây quấn

45

27

Hình 3.4: Cấu trúc của phần sơ cấp

45

28

Hình 3.5: Mơ hình lắp ráp động cơ KĐB tuyến tính 3 pha

46

đơn biên
29

Hình 3.6: Động cơ KĐB tuyến tính 3 pha đơn biên thiết kế

46

30

Hình 3.7: Mơ hình đo vận tốc

47

31

Hình 3.8: Mơ hình thực nghiệm đo vận tốc động cơ

48

32

Hình 3.9: Mơ hình đo lực

49

33

Hình 3.10: Mơ hình thực nghiệm đo lực động cơ

49

34

Hình 3.11: Đặc tính cơ của động cơ KĐB tuyến tính

52

35

Hình 4.1: Phần tử tam giác

63


xvi
36

Hình 4.2: Cửa sổ FEMM

65

37

Hình 4.3: Cửa sổ soạn thảo Lua

65

38

Hình 4.4: Các miền khảo sát động cơ KĐB tuyến tính

66

39

Hình 4.5: Quan hệ B-H của thép mã hiệu 2211

66

40

Hình 4.6: Hình học đầu vào và sự phân chia thành các tam

67

giác phần tử
41

Hình 4.7. Phân bố mật độ từ thơng trong động cơ với dịng

68

điện định mức
42

Hình 4.8: Các đường khảo sát trên mơ hình động cơ

69

43

Hình 4.9: Mật độ dịng điện xốy trong tấm nhơm ứng với

69

dịng điện định mức và khe hở khơng khí δ = 5 mm
44

Hình 4.10: Mơ hình kích thích nguồn một chiều các cuộn

70

dây động cơ
45

Hình 4.11: Phân bố mật độ từ thơng khi pha A được kích

70

thích nguồn DC
46

Hình 4.12: Phân bố mật độ từ thơng khi pha B được kích

71

thích nguồn DC
47

Hình 4.13: Phân bố mật độ từ thơng khi pha C được kích

71

thích nguồn DC
48

Hình 4.14: Độ lớn mật độ từ thơng Bn dọc theo đường M2N2

71

khi kích thích riêng biệt các pha A, B, C bằng nguồn DC
49

Hình 4.15: Độ lớn mật độ từ thông Bt dọc theo đường M2N2

72

khi kích thích riêng biệt các pha A, B, C bằng nguồn DC
50

Hình 4.16: Độ lớn mật độ từ thơng Bn dọc theo đường M2N2

73

khi kích thích theo A-BC, B-AC, C-AB bằng nguồn DC
51

Hình 4.17: Độ lớn mật độ từ thơng Bt dọc theo đường M2N2

73

khi kích thích theo A-BC, B-AC, C-AB bằng nguồn DC
52

Hình 4.18: Phân bố mật độ từ thông trong mạch từ khi Ikđ
= 4Iđm

74


xvii
53

Hình 4.19: Độ lớn từ thế vectơ A dọc theo đường M1N1

75

54

Hình 4.20: Độ lớn cảm ứng từ B dọc theo đường M1N1

76

55

Hình 4.21: Độ lớn cảm ứng từ B trong khe hở khơng khí

76

dọc theo đường M2N2 ứng với chiều dài phần sơ cấp

56

Hình 4.22: Phổ của sóng điều hịa từ thơng trong khe hở

77

khơng khí
57

Hình 4.23: Đặc tính lực kéo (a) và lực dọc (b) khi thay đổi

78

khe hở khơng khí
58

Hình 4.24: Đặc tính lực kéo (a) và lực dọc (b) khi thay đổi

80

độ dày của tấm nhơm
59

Hình 4.25: Các cấu trúc răng rãnh của lõi thép phần sơ cấp

81

60

Hình 4.26: Đặc tính lực kéo (a) và lực dọc (b) khi thay

81

đổi cấu trúc răng rãnh của lõi thép phần sơ cấp
61

Hình 4.27: Đặc tính lực kéo (a) và lực dọc (b) khi thay

83

đổi độ rộng lõi thép phần sơ cấp
62

Hình 4.28: Đặc tính lực kéo (a) và lực dọc (b) khi thay đổi

84

dịng điện
63

Hình 4.29: Đặc tính lực kéo (a) và lực dọc (b) khi thay đổi

85

vật liệu
64

Hình 4.30: So sánh đặc tính lực theo mơ hình trường và

86

mơ hình mạch
65

Hình 5.1: Hình dáng của từ thơng khe hở khơng khí và

91

dịng điện xốy
66

Hình 5.2: Quan hệ giữa Vr, ξ và f(ξ)

93

67

Hình 5.3: Mạch điện tương đương một pha động cơ KĐB

93

tuyến tính có xét đến thành phần hiệu ứng đầu cuối và
dịng xốy
68

Hình 5.4: Quan hệ giữa kHU và tốc độ

97

xviii
69

Hình 5.5: Quan hệ: kHU = f(δ)

98

70

Hình 5.6: Quan hệ: kHU = f(d)

98

71

Hình 5.7: Quan hệ: kHU = f(Ws)

99

72

Hình 5.8: Quan hệ: kHU = f(nr)

99

73

Hình 5.9: Quan hệ: kHU = f(Dw)

100

74

Hình 5.10: Mơ hình tổng qt thiết kế tối ưu thông số

107

động cơ theo giá trị lực yêu cầu và có xét đến yếu tố cực
tiểu hệ số kHU
75

Hình 5.11: Sơ đồ thuật tốn thiết kế tối ưu thơng số động

109

cơ theo giá trị lực yêu cầu và có xét đến yếu tố cực tiểu hệ
số kHU
76

Hình 5.12: Giao diện tính tốn

111

77

Hình 5.13: Đặc tính Fs = f(s)

114

78

Hình 5.14: Đặc tính η = f(s)

114

79

Hình 5.15: Đặc tính Fs = f(P2)

114

80

Hình 5.16: Đặc tính I1 = f(P2)

114

81

Hình 5.17. Mơ hình phân bố mật độ từ thơng (mơ hình

116

thiết kế tối ưu)
82
83

Hình 5.18: Phổ của sóng điều hịa từ thơng trong khe hở

117

khơng khí
Hình 5.19. Tổng hợp đặc tính Fs = f(s)

118


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Động cơ tuyến tính (cịn gọi là động cơ truyền động thẳng) về bản chất
là động cơ xoay chiều quay thông dụng. Tuy nhiên chúng được thiết kế để tạo
nên chuyển động tịnh tiến. Trên thế giới, động cơ tuyến tính đang được phát
triển trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn trong các cơ cấu truyền động tịnh tiến,
trong các phương tiện giao thông như đầu máy xe điện, tàu điện ngầm. Có thể
kể ra một số ứng dụng điển hình:
- Tàu điện nhanh sân bay JFK Newyork (2003)
- Tuyến metro 4 Quảng Châu (2005)
- Tàu điện nhanh sân bay Bắc Kinh (2008)
- Green Line Yokohama – Nhật Bản (2008)

Hình 1: JFK Newyork (từ Wikipedia) [55]

Hình 2: Green Line Yokohama – Nhật Bản (từ Wikipedia) [55]


2
- Đặc biệt tàu đệm từ sử dụng động cơ điện tuyến tính giữa sân bay và
trung tâm Thượng Hải có tốc độ 500 km/giờ. Tàu đệm từ HSST Limo
line ở Aichi Nhật bản năm 2005.

- Trong một số lĩnh vực gia công kim loại, truyền động cần trục, thang
máy, máy nén, thiết bị khoan lỗ giếng dầu đều sử dụng động cơ điện
tuyến tính.
- Việc điều khiển tự động máy công cụ kỹ thuật số CNC, điều khiển tay
máy Robot, máy nâng hạ, điều khiển các hệ thống sản xuất linh hoạt
FMS…yêu cầu cao về độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh.
Động cơ điện tuyến tính trong hệ thống này có khả năng cạnh tranh
với hệ thống servo [57].

Hình 3: Ứng dụng động cơ tuyến tính trong gia cơng kim loại và robot
- Trong qn sự hệ thống phóng máy bay điện từ bằng động cơ điện
tuyến tính thay cho cơ cấu phóng bằng khí nén kinh điển.
Động cơ tuyến tính ngày càng được quan tâm và tỏ ra cạnh tranh trong
nhiều lĩnh vực. Theo thống kê [40] cho thấy khả năng phát triển động cơ
tuyến tính trong lĩnh vực giao thơng là rất lớn, tập trung chủ yếu ở Trung
Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đức, Mỹ, . . .. Dự kiến đường sắt cao tốc sử dụng
động cơ tuyến tính đến năm 2025 tồn thế giới có tổng cộng 41.774km. Tổng
cộng trên tồn thế giới có khoảng 13.414km đường sắt cao tốc đang vận hành,
10.781km đang xây dựng và 17.579km đang được lên kế hoạch. Đến năm
2030, sẽ có một hệ thống tàu cao tốc kết nối toàn bộ châu Âu. Trong các hệ


3
truyền động tuyến tính, động cơ tuyến tính dẫn đầu một cuộc cách mạng công
nghiệp mới về khả năng đáp ứng độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh
[56], [59], [60].
Động cơ điện tuyến tính có giá thành cịn cao hơn động cơ quay thơng
dụng nhưng lợi ích mà nó mang lại rất lớn. Ơng Dan Jones - chuyên gia tư
vấn điều khiển chuyển động của Thousand Oaks, Calif nói: “Tỷ số giữa chi
phí và hiệu suất làm cho hệ thống dùng động cơ tuyến tính có giá trị tốt hơn

rất nhiều” [61]. Tuy nhiên gần đây, giá thành đã giảm đáng kể bởi vì số lượng
động cơ truyền động thẳng được chế tạo tăng nhiều. Nhiều nhà sản xuất đã
đầu tư mạnh mẽ vào dây chuyền công nghệ, các trang thiết bị hiện đại cho sản
xuất động cơ truyền động thẳng. Số lượng các hãng sản suất tăng lên rất
nhanh trong bốn năm qua từ 4 đến 30 hãng sản xuất đã tạo ra môi trường cạnh
tranh góp phần vào việc giảm giá thành của động cơ.
Ở Việt Nam, theo quyết định số 1696/QĐ-BKHCN ngày 16 tháng 8
năm 2007 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Cơng nghệ, động cơ điện tuyến tính
được đưa vào danh mục các đề tài thuộc chương trình Khoa học và công nghệ
trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2006-2010 với tên đề tài: “Nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo động cơ tuyến tính xoay chiều ba pha, phục vụ các ứng
dụng tính năng cao của cơng nghiệp và quốc phịng”. Mục tiêu nhằm tiến đến
làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo động cơ tuyến tính.
Và theo đề án: “Đổi mới công nghệ công nghiệp sản xuất phục vụ
chuyển dịch cơ cấu công nghiệp trên địa bàn thành phố” của Sở Khoa học và
Cơng nghệ Tp.Hồ Chí Minh [58], đưa ra chương trình hỗ trợ doanh nghiệp
đổi mới cơng nghệ. Trong đó có giới thiệu về động cơ tuyến tính và các ứng
dụng của nó đến các nhà khoa học và doanh nghiệp trên địa bàn Tp.Hồ Chí
Minh, đồng thời khuyến khích các doanh nghiệp tiếp cận cơng nghệ mới này
và đổi mới công nghệ nhằm đem lại nhiều lợi ích cho nền công nghiệp.


4
Và theo quyết định số 101/QĐ-TTg ký ngày 22 tháng 01 năm 2007 và
số 90/QĐ-TTg ký ngày 09 tháng 07 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ nước
Cộng hồ xã hội chủ nghĩa Việt Nam, phê duyệt quy hoạch phát triển giao
thơng vận tải thành phố Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội đến năm 2020. Loại
phương tiện được tư vấn lựa chọn là tàu điện ngầm. Tàu điện ngầm, còn được
hiểu là metro, là hệ thống vận tải lớn trong đô thị chạy trên đường ray.
Vấn đề này đã đặt ra tính cấp thiết cho lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế,

chế tạo động cơ tuyến tính. Các chuyên gia ngành thiết bị điện cần nghiên
cứu, tính tốn thiết kế để tạo ra các sản phẩm đạt những tiêu chuẩn kinh tế và
kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển của xã hội.
Hiện nay, số lượng động cơ tuyến tính được thương mại hóa chưa phải
là nhiều. Trong khi đó, sử dụng động cơ tuyến tính trong các ứng dụng vẫn
còn là điều khá mới mẻ ở Việt Nam, có lẽ do giá thành cịn khá cao. Ở nước
ta vẫn chưa có cơ sở nào thực hiện việc nghiên cứu chế tạo loại động cơ này.
Định hướng nghiên cứu khả năng phát triển loại động cơ tuyến tính có chế độ
hoạt động đơn giản, an tồn và hiệu quả phù hợp với điều kiện về điện áp, tần
số ở Việt Nam là định hướng đúng đắn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Luận án đặt vấn đề: “Nghiên cứu cải thiện đặc tính lực của động cơ
khơng đồng bộ ba pha tuyến tính” nằm trong định hướng đó.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và ứng dụng động cơ KĐB tuyến tính đã
được các chuyên gia trong và ngoài nước quan tâm và nêu vấn đề nghiên cứu.
Đây là vấn đề khoa học và thực tiễn.
Đề xuất hệ số đánh giá mức độ tác động của hiệu ứng đầu cuối và dịng
xốy trong động cơ KĐB tuyến tính và xây dựng thuật tốn thiết kế tối ưu thơng
số động cơ trên cơ sở giảm thiểu hệ số này là vấn đề mới, có tính khoa học.


5
Đây là nghiên cứu mở đầu về loại động cơ tuyến tính ở Việt Nam, nó
có thể mở ra triển vọng thiết kế chế tạo động cơ tuyến tính đáp ứng nhu cầu
đổi mới công nghệ khi ngành Công nghiệp sản xuất địi hỏi.
Kết quả nghiên cứu góp phần hồn thiện về lý thuyết của ngành chun
mơn và có khả năng ứng dụng thực tiễn, có thể sử dụng mơ hình, phương
pháp tính của luận án trong cơng tác thiết kế và cơng nghệ chế tạo động cơ
KĐB tuyến tính, qua đó xây dựng một hệ thống tiêu chuẩn theo TCVN đối
với loại động cơ này.

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
* Mục tiêu nghiên cứu:
- Khảo sát, phân tích ảnh hưởng của các thơng số thiết kế đến hiệu ứng
đầu cuối và đặc tính lực của động cơ KĐB ba pha tuyến tính
- Xây dựng phương pháp và thuật toán thiết kế để giảm ảnh hưởng các
thành phần hiệu ứng đầu cuối và dịng xốy trong động cơ KĐB ba pha tuyến
tính đến mức nhỏ nhất nhằm nâng cao chất lượng thiết kế động cơ, đặc biệt là
chất lượng đường đặc tính lực của động cơ. Góp phần tăng hiệu quả sử dụng
của động cơ trong công nghiệp.
* Đối tượng nghiên cứu:
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba
pha tuyến tính đơn biên loại stator ngắn, ứng dụng trong thiết bị vận chuyển.
* Phạm vi nghiên cứu:
Dựa vào thuật tốn thiết kế động cơ KĐB tuyến tính ba pha đơn biên
loại stator ngắn, tiến hành tính tốn một động cơ cùng loại phù hợp với điều
kiện điện áp và tần số ở Việt Nam. Chế tạo một mẫu động cơ phù hợp với
điều kiện cơng nghệ hiện có. Tính tốn kiểm tra trên mơ hình trường. Qua đó
đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến đặc tính kỹ thuật của động
cơ và xây dựng thuật tốn thiết kế tối ưu nhằm nâng cao chất lượng động cơ.


6
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn là đặc tính lực và độ lớn lực tại điểm làm
việc của động cơ.
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Sử dụng mơ hình mạch điện tương đương và lý thuyết giải tích để xây
dựng thuật tốn thiết kế
- Mơ phỏng trên máy tính nhờ phần mềm FEMM 2D, đồng thời kết hợp
với mơ hình thực nghiệm để kiểm tra và khẳng định các kết quả nghiên cứu lý
thuyết

5. Nội dung của luận án:
Nội dung của luận án bao gồm các chương sau:
Mở đầu: Nêu mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa
khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các phương pháp
nghiên cứu động cơ điện tuyến tính hiện nay.
Chương 2: Khái quát chung về kiến thức cơ bản và thuật tốn thiết kế
động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn biên.
Trình bày nội dung cơ bản về kiến thức động cơ KĐB tuyến tính đơn
biên và giới thiệu một thuật tốn thiết kế dựa vào các cơng thức tốn học và mơ
hình mạch điện tương đương gần đúng, bằng các phép lặp để tính tốn các
thơng số kích thước mạch từ, dây quấn nhằm đạt được mục tiêu về giá trị lực
yêu cầu. Đây có thể xem là một công cụ hỗ trợ việc nghiên cứu tiếp theo.
Chương 3: Xây dựng mơ hình thực nghiệm động cơ KĐB ba pha tuyến
tính đơn biên.
Trên cơ sở kết quả của thuật tốn thiết kế, luận án xây dựng mơ hình thực
nghiệm động cơ KĐB tuyến tính đơn biên. Kết quả tính tốn lực từ mơ hình thực
nghiệm được dùng để đánh giá tính chính xác của kết quả thiết kế .
Chương 4: Xây dựng mơ hình trường động cơ KĐB ba pha tuyến tính
đơn biên.


7
Nghiên cứu tổng quan các phương pháp nghiên cứu từ trường trong
máy điện, đặt biệt phương pháp nghiên cứu từ trường trong động cơ điện. Xây
dựng mơ hình trường điện từ của động cơ KĐB tuyến tính đơn biên. Kết hợp
mơ hình mạch với mơ hình trường và phương pháp PTHH thông qua phần
mềm FEM 2D để nghiên cứu từ trường trong động cơ thiết kế. Qua sự phân
bố từ trường trong miền cần xét đã kiểm tra lại độ lớn lực điện từ cũng như
xây dựng đặc tính lực của động cơ được khảo sát chi tiết trong các trường

hợp: thay đổi độ lớn khe hở khơng khí, độ dày lá nhôm phần thứ cấp, cấu trúc
răng rãnh, vật liệu làm tấm dẫn điện phía thứ cấp ….
Chương 5: Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu động cơ khơng đồng bộ 3 pha
tuyến tính đơn biên đảm bảo về lực và giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng đầu
cuối và dịng xốy
Luận án đề xuất phương pháp đánh giá ảnh hưởng của các thông số
thiết kế đến hiệu ứng đầu cuối trên cơ sở mơ hình mạch điện tương đương có
xét đến các thành phần hiệu ứng. Đưa ra mơ hình đánh giá tác động của khe
hở khơng khí, độ dày tấm nhôm và độ rộng lõi thép phần sơ cấp, …đến hiệu
ứng đầu cuối trong động cơ. Từ đó đưa ra phương pháp tính tốn thiết kế hợp
lý nhằm giảm nhỏ ảnh hưởng của các thành phần hiệu ứng và đảm bảo các
yêu cầu đặt ra, nâng cao chất lượng động cơ thiết kế.
Cuối cùng là phần kết luận của toàn bộ luận án, khái quát lại những kết
quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển
của đề tài.
6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới:
- Bước đầu thành công trong nghiên cứu xây dựng mơ hình thực
nghiệm động cơ KĐB tuyến tính đơn biên loại stator ngắn, làm cơng cụ kiểm
nghiệm và hiệu chỉnh thông số thiết kế.