Máy phát điện tuyến tính piston tự do free piston linear generator

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, khi con người quan tâm nhiều hơn đến các tác dụng phụ do ô tô gây ra, như thiếu
hụt nhiên liệu hóa thạch và các vấn đề mơi trường tồn cầu, nghiên cứu của chúng ta dần được
chuyển sang nhiên liệu mới, và hệ thống lái ô tô hiệu quả cao và thân thiện với môi trường.
Giá dầu cao cùng với việc sản xuất nhiên liệu thay thế từ thực vật chưa thể đáp ứng được nhu
cầu cao về nhiên liệu hóa thạch. Đồng thời các hiện tượng khí hậu cực đoan xảy ra trên tồn
thế giới trong những thập kỷ qua thường được coi là do sự nóng lên tồn cầu. Nhìn vào nhiệt
độ trung bình nhiều năm cho thấy sự gia tăng liên tục kể từ giữa thế kỷ 20, với nhiệt độ kỷ lục
trong cuối những năm 1990. Nguyên nhân chính của hiệu ứng nhà kính là nồng độ cao của
CO2 và các loại khí khác (CH4, NO2 và hơi nước) trong khí quyển. Vì CO2 có nồng độ cao
nhất, hơn nữa 27% tổng lượng CO2 là do vận chuyển và phần lớn trong số đó là do vận chuyển
đường bộ; hai phần ba trong số này được thải ra từ các phương tiện nhỏ. Xe điện và hybrid
với hiệu quả cao và lượng khí thải thấp dường như là giải pháp tốt nhất cho cuộc khủng hoảng
này. Do đó, hầu như tất cả các nhà sản xuất ô tô lớn đầu từ vào nghiện cứu xe điện và hybrid
để thay thế cho xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch thơng thường. Một trong những giải pháp
tiềm năng là sử dụng MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ĐỘNG CƠ PISOTN TỰ DO đem
lại hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải ra môi trường so với động cơ đốt trong
thông thường. Trên cơ sở kế thừa những bài báo cáo, nghiên cứu đã có trước đó, chúng em đã
tổng hợp và trình bày ra những thiết kế, cấu tạo cũng như phương pháp tính tốn để tạo ra hiệu
suất tối ưu, từ đó có thể góp phần cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng loại động cơ
này ở nước ta.

i


LỜI CẢM ƠN
Với sự hỗ trợ, giúp đỡ cũng như quan tâm, chỉ dạy của q thầy cơ, gia đình và bạn bè trong
quá trình học tập và rèn luyện tại trường, chúng em đã thực hiện và hoàn thành đồ án tốt
nghiệp của mình. Chúng em xin gửi đến q thầy cơ của khoa: Cơ Khí Động Lực – Trường
Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TP HCM lòng biết ơn cũng như sự kính trọng vì những kiến thức
bổ ích, kinh nghiệm quý báu đã truyền dạy cho chúng em. Đó là nền tảng, định hướng khơng

chỉ giúp chúng em hồn thành đồ án mà cịn trong nghề nghiệp mai sau.
Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Văn Trạng đã tận tình
giúp đỡ chúng em trong quá trình lựa chọn đề tài, cung cấp tài liệu, kiểm tra theo dõi cũng
như hỗ trợ trong quá trình thực hiện đồ án. Mặc dù gặp nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm,
tổng hợp tài liệu, đọc hiểu tài liệu nhưng nhờ sự tận tình giúp đỡ của thầy, chúng em đã từng
bước thực hiện và hồn thành đồ án. Thầy ln tạo ra sự thoải mái và để chúng em ý thức về
sự tự giác và trách nhiệm về đồ án của mình. Chúng em xin cảm ơn vì tất cả điều đó.
Cuối cùng là lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình. Cha mẹ là hậu phương vững chắc, tạo điều kiện,
động viên để chúng em theo học ngành này, cũng nhờ đó mà chúng em đã hồn thành chương
trình đại học và báo cáo tốt nghiệp này.

ii


TÓM TẮT
Trong bài nghiên cứu này, chúng em tập trung vào các vấn đề như sau:
 Tình hình nghiên cứu và phát triển của máy phát điện tuyến tính piston tự do trên thế
giới và tại Việt Nam.
 Khái quát chung về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của loại máy phát này.
 Tổng quan hình dạng, thiết kế của máy phát tuyến tính.
 Tính tốn thơng số, tối ưu hóa của hai loại máy phát điện tuyến tính hình ống tròn và
bốn mặt phẳng.
 Những ưu, nhược điểm so với các loại máy phát thông thường.
 Thách thức và tiềm năng phát triển của loại máy phát này.
Hướng tiếp cận và giải quyết đồ án này chủ yếu vào việc tìm kiếm, tổng hợp, sàng lọc các tài
liệu nghiên cứu nước ngoài từ các trường đại học trên thế giới. Chúng em được thầy TS.
Nguyễn Văn Trạng cung cấp tài liệu nghiên cứu và giải đáp những thắc mắc gặp phải trong
q trình thực hiện đồ án.
Qua đó, chúng em có thêm kiến thức về một loại máy phát mới, đồng thời cịn bồi dưỡng kĩ
năng về tìm kiếm, tra cứu và đọc hiểu tài liệu nước ngoài.

iii


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... ii
TÓM TẮT ......................................................................................................................... iii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. x
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................... x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................................... 1
1.1 Lí do chọn đề tài ......................................................................................................... 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ................................................................ 3
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................... 3
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ....................................................................... 3
1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 10
1.3.1 Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 10
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 10
1.3.3 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 11
1.4 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 11
1.5 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 11
CHƯƠNG 2. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ............................................................ 12
2.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 12
2.2 Lịch sử phát triển ..................................................................................................... 12
2.3 Phân loại ................................................................................................................... 14
2.3.1 Động cơ cảm ứng tuyến tính ............................................................................. 14
2.3.2 Động cơ đồng bộ tuyến tính............................................................................... 15
2.4 Nguyên lý hoạt động ................................................................................................ 17

2.5 Ứng dụng của máy phát điện tuyến tính................................................................. 17
2.5.1 Bộ chuyển đổi năng lượng sóng......................................................................... 17
2.5.2 Máy phát điện động cơ piston tự do ................................................................. 18
CHƯƠNG 3. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ỨNG DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ
PISTON TỰ DO ................................................................................................................ 19
iv


3.1 Động cơ piston tự do ................................................................................................ 19
3.1.1 Piston đơn .......................................................................................................... 19
3.1.2 Piston kép ........................................................................................................... 20
3.1.3 Piston kép đối đỉnh ............................................................................................ 21
3.2 Máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do ...................................................... 22
3.3 Ứng dụng máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do cho ơ tơ ............... 24
3.3.1 General Motor ................................................................................................... 24
3.3.2 Toyota ................................................................................................................. 27
3.3.3 Volvo................................................................................................................... 30
3.3.4 Ford .................................................................................................................... 33
3.3.5 Honda ................................................................................................................. 35
3.4 Ưu, nhược điểm của máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do .................... 38
3.4.1 Ưu điểm .............................................................................................................. 38
3.4.2 Nhược điểm ........................................................................................................ 38
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ĐỘNG CƠ
PISTON TỰ DO BỐN MẶT PHẲNG ............................................................................. 39
4.1 Thiết kế tính tốn máy phát điện tuyến tính .......................................................... 39
4.2 Xác định thông số kĩ thuật máy phát điện .............................................................. 48
4.2.1 Tối ưu hóa thành stator và translator............................................................... 48
4.2.2 Thơng số cuộn dây ............................................................................................. 51
4.3 Phân tích hiệu suất của máy phát điện ................................................................... 53
4.3.1 Hiệu suất của máy phát hoạt động ở tốc độ không đổi .................................... 53

4.4 Kết luận .................................................................................................................... 61
4.5 Tiềm năng phát triển ............................................................................................... 62
4.6 Hạn chế và thách thức ............................................................................................. 62
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 64
5.1 Kết luận .................................................................................................................... 64
5.2 Kiến nghị .................................................................................................................. 64
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 65

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
DOE: Department of energy
HCCI: Homogeneous charge compression ignition
FPEG: Free piston engine generator
SI: Spark Ignition
FPLG: Free piston linear generator
DLR: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
FKLG: Frei kolben linear generator
PCCI: Premixed charge compression ignition
AC: Alternating current
LPMG: Linear permanent magnet generator
AWS: Archimedes wave swing
PM: Permanent magnet
LIM: Linear induction motor
LBM: linear brushless motors
LEM: Linear engine magnet
LSM: Linear synchronous motors
FPLE: Free piston linear engine
FPE: Free piston engine

WEC: Wave Energy Converters

vi


Sin: công suất biểu kiến (VA)
Pin: công suất đầu vào (W)
Eph: điện áp cảm ứng pha (V)
vrm: biên độ vận tốc (m/s)
vav: vận tốc trung bình (m/s)
m: số pha
q: tỷ lệ số khe/cực/pha
p: số cực
Bg: mật độ từ thông khe hở khơng khí (T)
Cm: hệ số mật độ từ thơng khơng khí
Bm: mật độ từ thơng max (T)
Br: mật độ từ thông dư của nam châm (T)
g: khe hở không khí (mm)
Bys : mật độ từ thơng trong lõi stator (T)
Byr : mật độ từ thông trong lõi rotor (T)
J: tải hiện tại (mật độ dịng tuyến tính của stator) (A/m)
Jw: mật độ dòng điện (A/mm2)
Kcu: hệ số lắp đầy
Ms: là số mặt
Ws: chiều rộng stator (mm)
Nph: số vòng dây trên một pha
vii


Nc: số vòng dây trên một cuộn

Ls: chiều dài stator (mm)
𝜏p: độ rộng cực (mm)
𝜏t: khoảng cách khe (mm)
bs: độ rộng khe (mm)
bt: độ rộng răng (mm)
Hc: từ kháng của nam châm (A/m)
geq: khe hở khơng khí tương đương (mm)
hm: bề dày nam châm (mm)
𝜏m: độ dài nam châm (mm)
Ys: độ dày thành stator (mm)
Yr: độ dày thành rotor (mm)
Dw: đường kính dây dẫn (mm)
Rwpkm: điện trở suất trên một kilomet dây (Ohm/km)
hs: chiều cao của khe (mm)
As, Ac: diện tích mặt cắt của cuộn dây (mm2)
LC: độ dài trung bình của một vịng dây (mm)
Rph: điện trở pha của cuộn dây (Ω)
L: độ tự cảm cuộn dây (H)
M: độ hỗ cảm giữa các cuộn dây (H)
Pout: công suất đầu ra (W)
viii


Xs: trở kháng (Ω)
f: tần số (Hz)
RL: điện trở tải (Ω)
IA: cường độ dòng điện pha A (A)
Vph: giá trị điện áp pha (V)
Eff: hiệu suất (%)
I: cường độ pha (A)

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1 Thông số máy phát điện .................................................................................. 46
Bảng 4.2 Thông số thành stator và translator .................................................................. 51
Bảng 4.3 Thông số máy phát ở tốc độ không đổi ............................................................ 56
Bảng 4.4 Thông số đầu vào SIMULINK ........................................................................ 59
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc máy phát điện piston tự do ......................................................... 6
Hình 1.2 Sơ đồ mặt cắt ngang máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh.................. 7
Hình 1.3 Hình ảnh máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh ................................... 8
Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc máy phát điện tuyến tính có piston dạng chứ “W” của Toyota .... 9
Hình 1.5 Mơ hình của động cơ phát điện tuyến tính piston tự do của Toyota.................. 10
Hình 2.1 Động cơ cảm ứng tuyến tính ............................................................................ 14
Hình 2.2 Máy phát điện tuyến tính hình ống ................................................................. 15
Hình 2.3 Hai dạng stator: 4 mặt và 3 mặt ....................................................................... 16
Hình 2.4 Các thiết kế của một bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển ............................... 18
Hình 3.1 Cấu tạo của piston tự do loại piston đơn .......................................................... 20
Hình 3.2 Cấu tạo của piston tự do loại piston kép........................................................... 21
Hình 3.3 Cấu tạo của piston tự do loại piston đối đỉnh ................................................... 22
Hình 3.4 Máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do ................................................ 23
Hình 3.5 Piston tự do dạng đối đỉnh ............................................................................... 24
Hình 3.6 Máy phát điện bằng khí gas Sigma GS-34 32 ................................................. 25
x


Hình 3.7 Vận hành hệ thống bánh đà điện (bỏ qua sự thay đổi tốc độ của mơ-tơ). ......... 26
Hình 3.8 Piston được thiết kế đặc biệt để tản nhiệt một cách nhanh chóng đồng thời giảm sự

gia tăng nhiệt độ trên nam châm vĩnh cửu và cuộn dây. ................................................ 28
Hình 3.9 Kiểu hai piston đơn với hai buồng đốt riêng biệt ............................................. 29
Hình 3.10 Các đường đặc trưng của động cơ piston tự do được sinh ra từ quá trình đốt Ja và
kết quả quá trình, Jb ở các vị trí piston khác nhau .......................................................... 30
Hình 3.11 Piston kép kiểu máy phát điện động cơ piston tự do. ..................................... 31
Hình 3.12 Mơ phỏng các đường cong trong điều khiển vận tốc chuyển động servo ....... 32
Hình. 3.13 Sơ đồ khối các thành phần chính và đường dẫn điện cho bộ chuyển đổi năng
lượng piston tự do ......................................................................................................... 33
Hình 3.14 Sơ đồ đơn giản của bơm thủy lực piston tự do của Ford. ............................... 34
Hình 3.15 Một xy lanh của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính bốn kỳ................. 36
Hình 3.16 Máy phát điện động cơ piston tự do bốn kỳ một xy lanh. .............................. 37
Hình 4.1 Các kích thước stator và translator ................................................................... 41
Hình 4.2 Kích thước khe ............................................................................................... 45
Hình 4.3 Cấu trúc của translator .................................................................................... 47
Hình 4.4 Cấu trúc của stator .......................................................................................... 47
Hình 4.5 Mơ hình 3D của máy phát điện ....................................................................... 48
Hình 4.6 Mơ hình FEM của một phần máy phát ............................................................. 49
Hình 4.7 Mật độ từ thông phân bố trong lõi stator và translator trước khi tối ưu ........... 49
Hình 4.8 Mật độ từ thông phân bố trong lõi stator và translator sau khi tối ưu ............... 50
Hình 4.9 Sơ đồ cuộn dây ............................................................................................... 51
xi


Hình 4.10 Mơ hình 3D của máy phát trong Maxwell 16.0 ............................................. 52
Hình 4.11 Giá trị độ tự cảm của các cuộn dây trong mơ phỏng của Maxwell ................. 52
Hình 4.12 Giá trị độ hỗ cảm giữa các cuộn dây trong mơ phỏng của Maxwell .............. 52
Hình 4.13 Mạch tương đương của máy phát vận hành ở trạng thái ổn định .................... 53
Hình 4.14 Hiệu suất tương ứng với điện trở tải RL ........................................................ 55
Hình 4.15 Mạch tương đương của cuộn dây 3 pha của máy phát ................................... 56
Hình 4.16 Mơ hình simulink của máy phát điện tuyến tính ............................................ 57

Hình 4.17 Vận tốc và hành trình của piston .................................................................... 58
Hình 4.18 Mối quan hệ giữa vận tốc piston và cơng suất đầu vào, đầu ra ...................... 59
Hình 4.19 Điện áp cực và cường độ dòng điện trong 1 pha ........................................... 59
Hình 4.20 Điện áp cảm ứng của 3 pha ........................................................................... 60
Hình 4.21 Sự thay đổi của cơng suất đầu ra theo vận tốc trung bình ............................... 60

xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lí do chọn đề tài
Việc khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch, sử dụng nó một cách triệt để làm cho nguồn nhiên
liệu này đã dần trở nên cạn kiệt và thêm vào đó là những vấn đề về mơi trường như ơ nhiễm,
trái đất nóng dần lên, hiệu ứng nhà kính ... đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu
về thiết kế phát triển máy phát điện tuyến tính kết hợp với động cơ và hơn hết là làm sao tìm
ra các giải pháp thay thế cơng nghệ để phát triển nguồn năng lượng tái tạo sạch. Cơng nghệ
thì ngày càng phát triển liệu làm sao để có thể phát triển một loại máy phát điện tuyến tính kết
hợp với động cơ để tạo hiệu năng, công suất cao, sử dụng được nhiều loại nhiên liệu khác
nhau nhưng phải đảm bảo được lượng khí thải ra mơi trường tối thiểu nhất và hạn chế làm ô
nhiễm môi trường. Kể từ những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, có thể nói vấn đề mơi
trường được coi là nội dung trọng tâm cần quan tâm tại các nước công nghiệp phát triển, nhiệm
vụ đặt ra là tăng cường bảo vệ chất lượng môi trường trong khi vẫn phải phát triển các nguồn
lực kinh tế xã hội và cải thiện chất lượng cuộc sống, đặc biệt là trong các thành phố lớn thì vấn
đề mơi trường là một trong những vấn đề nóng bổng được quan tâm hàng đầu. Việt Nam là một
nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và đang định hướng trở thành nước công nghiệp đến
năm 2020.
Cùng với q trình cơng nghiệp hố, hiện đại hoá của đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng
phát triển cho nên nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng trên cả đường biển, đường bộ
và đường hàng không. Sự phát triển của các nền kinh tế kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã
hội. Phương tiện giao thông là một vấn đề song song của hai mặt (tích cực và tiêu cực). Nó giúp

vận chuyển hàng hóa nhanh chóng giữa các nước đồng thời giúp cho sự phát triển nhanh chóng
về kinh tế và các mặt khác của xã hội. Bên cạnh đó hoạt động của các phương tiện giao thông
gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và môi trường một cách nghiêm trọng do lượng khí thải của các
phương tiện này gây ra song song đó trái đất ngày càng nóng lên do hiệu ứng nhà kính, con
người đang chịu ảnh hưởng trực tiếp từ việc biến đổi khí hậu. Vì thế, việc nghiên cứu những

1


giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường là một trong những vấn
đề cấp thiết hiện nay.
Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu giải pháp sử
dụng ô tô chạy điện, ô tô lai thay thế ô tô sử dụng nhiêu liệu truyền thống. Nhiều nghiên cứu
đặc biệt là trong ngành kĩ thuật ô tô đang được thực hiện để phát triển công nghệ đốt cháy và
nhiên liệu thân thiện với môi trường. Những chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu là một cơng
nghệ đầy hứa hẹn cho tương lai. Mặc dù có nhiều ưu điểm vượt trội nhưng xe điện hiện nay
gặp phải hạn chế lớn như: hệ thống bình điện quá nặng, chốn khơng gian chất hành lý, thời
gian chạy với số bình điện đó chỉ đủ cho một cự ly chạy trên dưới 100 km, sau một khoảng thời
gian nhất định, từ 4 - 6 giờ lại phải sạc điện. Ngoài ra, số trạm điện đáp ứng được yêu cầu nạp
điện này cũng cịn q ít. Qng đường di chuyển tối đa trong một lần sạc đầy pin của xe điện
thấp hơn nhiều so với xe chạy bằng động cơ đốt trong truyền thống. Đặc biệt, thời tiết đóng
vai trị lớn trong phạm vi lái xe, trong thời tiết lạnh, phạm vi có thể giảm tới 40% vì vậy xe
điện khơng phải là lựa chọn hợp lý ở nới có khí hậu lạnh. Hơn nữa, thời gian sạc đầy cho pin
xe điện khá lâu và số lượng trạm cịn ít đặc biệt là vùng nông thôn khiến cho xe điện chưa
được sản xuất rộng rãi. Những chiếc xe hybrid khắc phục được những nhược điểm của xe điện
và tiêu thụ ít nhiên liệu hơn, giảm lượng khí thải.
Do vậy, việc tiết kiệm nhiên liệu cùng với việc quy định nghiêm ngặt của pháp luật về khí
thải, các nhà nghiên cứu trên thề giới đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ trong động cơ đốt
trong truyền thống, cũng như tích hợp các loại máy phát điện mới để chuyển đổi năng lượng.
Máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do - Free piston linear generator, là một trong

những động cơ được tích hợp máy phát điện mới, hiệu suất cao, thiết bị chuyển đổi năng lượng
đã được nghiên cứu do những lợi thế tiềm năng của nó về hiệu suất nhiệt, phát khí thải thấp
và khả năng đa nhiên liệu so với động cơ thông thường. Tuy nhiên những nghiên cứu trên mới
chỉ được thí nghiệm dựa vào những mơ trên mơ hình, chưa đưa vào ứng dụng trên xe hybrid
nhưng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã tạo ra những bộ xử lý nhanh hơn và các cảm
biến nhạy hơn để điều khiển động cơ, cải thiện công suất, giảm phát thải.

2


Do đó, để khắc phục nhược điểm của ơ tơ chạy điện như là giảm trọng lượng ắc – quy, nâng
cao công suất cũng như thời gian hoạt động liên tục của ô tô, việc chế tạo động cơ phát để
cung cấp nguồn năng lượng trực tiếp cho ô tô và giảm ô nhiễm môi trường là vô cùng quan
trọng.Điều nay khiến cho máy phát điện tuyến tính piston tự do trở thành công nghệ hấp dẫn
và đầy hứa hẹn. Chính vì vậy, đề tài “Máy phát điện tuyến tính piston tự do – Free piston
linear generator” được đề xuất thực hiện. Đề tài khơng những có ý nghĩa khoa học mà cịn
nghiên cứu có định hướng sử dụng nguồn nhiên liệu hiệu quả và hy vọng sẽ tạo ra được một kỷ
nguyên mới về động cơ đốt trong cũng như phát triển một loại xe mới cho tương lai.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ý tưởng và thiết kế của máy phát điện tuyến tính piston tự do xuất hiện từ khá sớm. Đồng thời
được nhiều nhóm nghiên cứu, phát triển nhưng chưa được đưa vào thương mại hóa và sản
xuất rộng rãi do gặp phải nhiều hạn chế. Ở nước ta, loại máy phát điện này chưa nhận được
nhiều sự chú ý. Các nhóm nghiên cứu chủ yếu là từ một số trường Đại học lớn trong nước
như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP.HCM, Đại học Bách khoa Đà Nẵng,… Tuy nhiên, những nghiên cứu, báo cáo này còn
khá khiêm tốn.
Loại máy phát này có nhiều ưu điểm vượt trội như hiệu suất nhiệt cao, giảm ma sát và rung
động. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật trong việc thiết kế, điều khiển động
cơ,… máy phát điện tuyến tính đang dần được sự quan tâm trở lại.

Nếu loại máy phát này được ứng dụng trên xe ô tô sẽ đem lại những lợi ích vô cùng to lớn,
không những đem lại hiểu quả về mặt năng lượng (hoạt động đa nhiên liệu và tiết kiệm)
mà còn góp phần giảm phát thải khí gây ơ nhiễm mơi trường.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Bằng sáng chế đầu tiên của máy phát tuyến tính piston tự do có từ khoảng năm 1940, tuy nhiên
trong những thập kỷ qua, đặc biệt là sau khi phát triển nam châm đất hiếm và năng lượng điện,
nhiều nhóm nghiên cứu khác nhau đã làm việc trong lĩnh vực này.
3


Một động cơ piston tự do cung cấp một số lợi ích, bao gồm tối ưu hóa q trình đốt cháy thơng
qua các tỷ số nén thay đổi, do đó có thể hoạt động đa nhiên liệu; giảm tổn thất ma sát vì ít bộ
phận chuyển động hơn; và cho phép đánh lửa nén đồng nhất (HCCI) dễ dàng đạt được hơn.
Một máy phát điện tuyến tính có thể sử dụng lực piston tuyến tính mà khơng cần các thành
phần cơ học bổ sung cần thiết trong cấu hình quay.
Nhiều nhà nghiên cứu đã khám phá rằng ứng dụng đầy hứa hẹn trong tương lai của máy phát
tuyến tính piston tự do là sử dụng như một đơn vị năng lượng trong xe điện hybrid (Hansson
và Leksell, 2006) và hệ thống phát điện siêu nhỏ cho thiết bị cầm tay (Aichlmayr, 2002;
Aichlmayr et al. , 2002a, b).
Một số nhóm gần đây hoặc hiện đang nghiên cứu việc sử dụng các ứng dụng động cơ phát
điện piston tự do, tập trung vào ô tô, bao gồm:


Libertine LPE, UK.



West Virginia University (WVU), USA.



Chalmers University of Technology, Sweden.



Electric Generator, Pontus Ostenberg, USA - 1943



Free Piston Engine, Van Blarigan, Sandia National Laboratory, USA - Since 1995



Aquarius Engines, Israel.



Free-Piston Engine Project, Newcastle University, UK - Since 1999



Shanghai Jiaotong University, China.



Free-Piston Linear Generator, German Aerospace Center (DLR), Germany - since
2002



Free Piston Power Pack (FP3), Pempek Systems, Australia - 2003



Free Piston Energy Converter, KTH Electrical Engineering, Sweden - 2006



Linear Combustion Engine, Czech technical university - 2004



Internal Combustion Linear Generator Integrated Power System, Xu Nanjing, China 2010



micromer ag (Switzerland) - 2012



Free-piston engine linear generator, Toyota, Japan - 2014
4


Công ty khởi nghiệp Libertine LPE của Anh đã phát triển cơng nghệ máy phát điện tuyến tính
piston tự do, cho biết đã vượt qua những thách thức chính của các chương trình động cơ piston
tự do trước đây là kiểm soát chuyển động, phát thải và hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Công
nghệ Libertine tận dụng sự kết hợp của hình học piston, thiết kế máy điện và kết cấu xi lanh.
Cả ba đều tương đối dài và đường kính nhỏ hơn so với những nhà phát triển piston tự do khác
hiện đang sử dụng. Kiến trúc mới lạ này làm giảm khối lượng chuyển động của piston so với

lực điện của máy điện tử, giúp kiểm soát chuyển động của piston hiệu quả và chính xác hơn.
So sánh một máy phát di động 10kW dựa trên kiến trúc công nghệ của Libertine với các hệ
thống hiệu quả nhất hiện có để phát điện tĩnh cho thấy tiết kiệm 90% kích thước gói, 80%
trọng lượng, giảm đáng kể chi phí và hiệu quả cao hơn tới 30%. Kiến trúc cơng nghệ này có
thể được áp dụng cho nhiều chu kỳ đốt khác nhau và thiết kế mơ-đun của nó có thể dễ dàng
mở rộng cho các ứng dụng từ 1kWe đến hơn 100kWe. Một trong những tổ chức đầu tiên đầu
tư vào công nghệ mới là Đại học công nghệ PETRONAS (UTP) tại Malaysia, được hỗ trợ bởi
công ty dầu khí PETRONAS. Trường đại học đã hợp tác với Libertine, tài trợ cho một nghiên
cứu khả thi dự kiến sẽ dẫn đến việc cung cấp phần cứng động cơ nghiên cứu piston miễn phí
khi hồn thành thành cơng. UTP có một chương trình thành lập về nghiên cứu và phát triển
động cơ piston tự do, chủ yếu quan tâm đến q trình đốt cháy và địi hỏi một hệ thống năng
lượng tuyến tính hiệu quả, đáng tin cậy.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học West Virginia mô tả phát triển một động cơ máy phát điện
piston đánh lửa đôi. Họ đã ghi chép lại công việc của họ và phát hiện trong một số ấn phẩm,
quan tâm thiết kế máy phát điện tuyến tính, thiết kế và hoạt động của động cơ đốt và phân tích
hệ thống kết hợp. Một nguyên mẫu động cơ được báo cáo là đã đạt được 316 W công suất đầu
ra ở 23,1 Hz, với đường kính 36,5 mm và chu trình tối đa 50 mm. Các biến thể theo chu kỳ
cao được báo cáo, đặc biệt là ở mức tải thấp. Nhóm các nhà nghiên cứu này đã thành công
nhất trong học viện về nghiên cứu máy phát điện động cơ piston tự do. Họ là một trong số rất
ít đã báo cáo phát triển thành cơng một mơ hình đang chạy (xem hình 1.1). Gần đây hơn, họ
đặt mục tiêu phát triển trực tiếp động cơ piston tự do 10 kW phun nhiên liệu trực tiếp cho một
xe lai (Clark và cộng sự, 1998; Atkinson và cộng sự., 1999; Shoukry và cộng sự, 2002).
5


Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc máy phát điện piston tự do
1. Cylinder: xy lanh

7. Motoring coil: cuộn dây động cơ

2. Piston: pít tơng

8. Linear alternator: máy phát điện

3. Connecting rod: thanh nối
4. Pulsed solenoid fuel injector: kim
phun nhiên liệu xung điện từ
5. Intake port: cổng nạp

tuyến tính
9. Frame: khung
10. Spark plug: bugi
11. Throttle: van tiết lưu

6. Exhaust port: cổng thải
Tại Phịng thí nghiệm quốc gia Sandia, Van Blarigan trước đây đã trình bày thiết kế của một
máy phát điện piston tự do xi lanh đôi với công suất điện đầu ra 40kW thông qua dự án tài trợ
DOE (Bộ năng lượng). Động cơ sử dụng kích nổ đồng nhất hỗn hợp nén (HCCI) và nhằm mục
đích hoạt động trên nhiều loại nhiên liệu chứa hydro. Kết quả kiểm tra từ một máy nén-giãn
nở cho thấy thể tích đốt cháy gần như khơng đổi với hydro, khí sinh học và amoniac với tỷ lệ
tương đương khoảng 0,3. Mục tiêu hiệu suất là 50% tổng thể, hiệu suất nhiệt động cơ 56% và
hiệu suất máy phát điện 96%. Năm 2008, cấu hình động cơ xi lanh đơi đã đổi thành loại piston
đối đỉnh để sử dụng hiệu ứng tự cân bằng, xảy ra khi hai piston hoạt động cùng nhau trong khi
quá trình cháy xảy ra ở giữa chúng Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang xem xét nguyên mẫu để
6


đánh giá đồng bộ hóa piston, phản ứng nhiệt và kiểm sốt tỷ số nén. Họ có kế hoạch thực hiện
thí nghiệm đốt cháy và đo lường hiệu quả nhiệt và khí thải ở các tỷ số nén.

Hình 1.2 Sơ đồ mặt cắt ngang máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh
 Bounce chambers: buồng đẩy
 Combustion chamber: buồng đốt
 Intake manifold: đường ống nạp
 Exhaust manifold: đường ống thải
 Linear alternators: máy phát điện tuyến tính

Hình 1.3 Hình ảnh máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh
7


Một nhóm tại Toyota Central R&D Labs Inc đang phát triển nguyên mẫu Máy phát điện tuyến
tính động cơ Piston tự do 10 mã lực (FPEG) có cấu trúc mỏng và nhỏ gọn, hiệu quả cao và
tính linh hoạt nhiên liệu cao. Toyota tuyên bố rằng một cặp các đơn vị như vậy (20 kW) sẽ
cho phép các phương tiện truyền động điện phân khúc B/C hành trình với tốc độ 120 km/h
(75 dặm/giờ). Nhóm nghiên cứu đã trình bày hai bài báo về tình trạng cơng việc của họ tại
Hội nghị Thế giới SAE 2014 gần đây tại Detroit. FPEG bao gồm buồng đốt hai thì, máy phát
tuyến tính và buồng lị xo khí. Piston được di chuyển bằng khí đốt, trong khi nam châm gắn
vào piston di chuyển trong một cuộn dây tuyến tính, do đó chuyển đổi động năng thành năng
lượng điện. Đặc điểm cấu trúc chính của Toyota FPEG là piston hình trịn rỗng, được Toyota
gọi là “hình dạng W”. Phía có đường kính nhỏ hơn của piston tạo thành buồng đốt và phía có
đường kính lớn hơn tạo thành buồng lị xo khí.

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc máy phát điện tuyến tính có piston dạng chứ “W” của Toyota
 Permanent Magnet: Nam châm vĩnh cửu
 W-shape piston: Pít tơng chữ W
 Combustion Chamber: Buồng đốt hịa khí
 Coil: Cuộn dây cảm ứng
 Pressure regulation valve: Van điều áp
 Gas spring chamber: Nén khơng khí

8


Các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô phỏng chu kỳ một chiều để nghiên cứu hiệu suất của
cấu trúc đề xuất và sử dụng nó để đánh giá q trình kích nổ bằng tia lửa điện (SI) và kích nổ
bằng sức nén (PCCI). Họ đã đạt được cơng suất đầu ra 10 kW với cả hai trường hợp đốt SI và
PCCI; trường hợp đốt PCCI nhận ra hiệu suất nhiệt 42%.
Nguyên mẫu FPEG với piston hình chữ W và hệ thống đốt cháy SI hai thì đạt được hoạt động
ổn định trong hơn 4 giờ mà không gặp vấn đề về làm mát và bơi trơn. Phân tích thử nghiệm
cũng cho thấy rằng việc kiểm sốt chính xác vị trí đánh lửa là điều cần thiết cho hoạt động ổn
định của FPEG. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch cải thiện việc phát điện của
hệ thống và thực hiện phân tích định lượng về hiệu quả.

Hình 1.5 Mơ hình của động cơ phát điện tuyến tính piston tự do của Toyota
 Permanent magnet: Nam châm vĩnh cữu
 Coil: cuộn dây
 Gas spring chamber: buồng đẩy lò xo khí
 Piston: pít tơng
 Linear generator: máy phát điện tuyến tính
 Combustion chamber: buồng đốt
9


 Roller bearing: ổ lăn
 Special resin cylinder: tấm lót nhựa xi lanh
 Ceramic coated piston rings and cylinder liner: xéc măng và tấm lót xi lanh
Các nhà nghiên cứu tại của Trung tâm hàng không vũ trụ Đức hiện đang phát triển FPLG (hay
Frei kolben linear generator - FKLG) từ năm 2002, và đã xuất bản một số bài báo về chủ đề
này. Trong vài năm đầu tiên nghiên cứu, nền tảng lý thuyết cùng với 3 hệ thống con được phát
triển riêng biệt. Năm 2013, toàn bộ hệ thống đầu tiên được xây dựng và vận hành thành cơng.

Các nhà nghiên cứu DLR nói rằng thơng qua việc lắp đặt lị xo khí trong hệ thống của họ, lần
đầu tiên họ đã thành công trong việc vận hành một hệ thống như vậy một cách ổn định. Chẳng
hạn, hệ thống điều khiển được các kỹ sư DLR nghĩ ra có thể điều khiển chuyển động của
piston một cách chính xác trong vịng một phần mười milimét. Đồng thời, nó nhận ra sự biến
động trong q trình đốt cháy và bù đắp cho chúng. Một trong những nhiệm vụ trước mắt là
tối ưu hóa trọng lượng và kích thước của máy phát tuyến tính piston tự do theo cách có thể
đặt một hoặc nhiều cụm lắp ráp trong khu vực gầm xe. Bằng cách này, ước tính ban đầu cho
thấy thêm một khoảng 600 km (373 dặm) có thể đạt được mà không làm tăng trọng lượng của
xe. Trung tâm Đức hiện đang ở phiên bản thứ 2 của tồn bộ hệ thống, trên đó hai xi lanh đối
lập sẽ được sử dụng để giảm độ rung và tiếng ồn, làm cho nó trở nên khả thi cho ngành cơng
nghiệp ơ tơ.
1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Mục đích nghiên cứu
Có sự hiểu biết tổng quan, tính tốn thơng số tối ưu về máy phát điện tuyến tính piston tự do.
Từ đó định hướng nghiên cứu, phát triển, khắc phục nhược điểm, tối ưu hiệu suất đưa loại
động cơ này sản xuất rộng rãi thay thế động cơ truyền thống. Góp phần thúc đẩy sự phát triển
của công nghệ trên xe ô tô.
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu
Máy phát điện tuyến tính piston tự do.

10


1.3.3 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các bài báo cáo khoa học về loại máy phát này, chủ yếu là từ các tài liệu nước
ngoài của các trường đại học, nhóm nghiên cứu trên thế giới.
1.4 Nội dung nghiên cứu
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy phát điện tuyến tính piston tự do và tình hình
phát triển của loại máy phát này. Phân tích, tính tốn, thiết kế loại máy phát điện tuyến tính
bốn mặt phẳng.

1.5 Phương pháp nghiên cứu
Tìm kiếm, đọc hiểu tài liệu tham khảo để phân tích và tổng hợp những nội dung chính cần
nghiên cứu.

11


CHƯƠNG 2. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH
2.1 Giới thiệu
Một máy phát điện tuyến tính thực chất là một động cơ tuyến tính được sử dụng như một máy
phát điện.
Máy phát điện là một loại máy phát có dịng điện xoay chiều (AC). Sự khác biệt chính là cách
chúng được sử dụng và hướng chuyển động. Một máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ
học để thành năng lượng điện, trong khi một động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng
lượng cơ. Giống như hầu hết các động cơ điện và máy phát điện, máy phát điện tuyến tính
hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ . Tuy nhiên, hầu hết các máy phát điện xoay chiều
hoạt động với chuyển động quay, trong khi máy phát điện "tuyến tính" hoạt động với chuyển
động "tuyến tính" (tức là chuyển động theo đường thẳng).
Khi một nam châm di chuyển đến một cuộn dây điện từ, điều này sẽ thay đổi từ thơng đi qua
cuộn dây, và do đó gây ra dịng điện. Máy phát điện tuyến tính được sử dụng phổ biến nhất để
chuyển đổi chuyển động qua lại trực tiếp thành năng lượng điện. Việc này giúp loại bỏ sự cần
thiết của một tay quay hoặc liên kết có thể được yêu cầu để chuyển đổi một chuyển động tịnh
tiến sang một chuyển động quay để tương thích với một máy phát quay.
Loại máy phát điện tuyến tính đơn giản nhất là đèn pin Faraday. Đây là một ngọn đuốc (Anh)
hoặc đèn pin (Hoa Kỳ) có chứa một cuộn dây và một nam châm vĩnh cửu. Khi thiết bị đang
lắc qua lại, nam châm dao động thông qua các cuộn dây và gây ra một dòng điện. Dòng điện
này được sử dụng để sạc một tụ điện, do đó lưu trữ năng lượng để sử dụng sau này. Sau đó,
thiết bị có thể tạo ra ánh sáng, thường là từ một diode phát sáng, cho đến khi tụ điện được
phóng điện. Sau đó nó có thể được sạc lại bằng cách lắc thêm.
2.2 Lịch sử phát triển

Các phân loại và ứng dụng của máy phát điện tuyến tính đã được nghiên cứu bởi Boldea và
cộng sự. Amara và cộng sự đã nghiên cứu một máy nam châm vĩnh cửu tuyến tính hình ống
có thể mang lại hiệu suất và cơng suất cao. Máy được nghiên cứu có hình ống, mười cực, với
số lượng khe nhỏ trên mỗi cực trên mỗi pha.
12


Một ứng dụng điển hình của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuyến tính (LPMG) là
trong một hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện. Chuyển động thẳng
đứng của sóng biển được khai thác để thúc đẩy chuyển động của một máy phát tuyến tính để
sản xuất điện. Một nhà máy thí điểm sử dụng ngun lý này, cụ thể là Vịng xoay sóng
Archimedes (AWS), được thiết kế cho công suất cực đại 4 MW. Một máy phát điện cố định
tuyến tính ba pha được thiết kế để lấy năng lượng điện từ chuyển động của sóng.
Polinder cho thấy rằng chế tạo máy PM tuyến tính rẻ hơn máy tuyến tính phát điện cảm ứng
cho các ứng dụng như vậy. LPMG thơng thường có nam châm gắn về động cơ, nhưng các nhà
nghiên cứu cũng đề xuất tạo PM thơng lượng ngang trong đó có các bộ tập trung từ thông,
nam châm và dây dẫn tất cả trên stator, trong khi bộ chuyển đổi bao gồm sắt. Cấu hình máy
như vậy khó hơn xây dựng và do đó sẽ cần nghiên cứu thêm.
Wang và cộng sự mơ tả thiết kế và đặc tính thử nghiệm của một máy phát nam châm vĩnh cửu
tuyến tính. Bản vẽ của họ mô tả một thiết kế phương pháp bao gồm cả thiết kế điện từ và cơ
khí. Các tổng hợp thiết kế điện từ dựa trên các giải pháp và phân tích cho phép tối ưu hóa các
tham số trong quá trình thiết kế và được xác nhận thêm bằng phi tuyến tính phân tích phần tử
hữu hạn điện từ. Phương pháp thiết kế được minh họa bởi một nghiên cứu thiết kế và đặc tính
thử nghiệm rộng rãi của một thiết bị mẫu.
Fraiz thảo luận về cách giảm lực cogging trong nam châm vĩnh máy phát điện tuyến tính. Để
giảm lực này, họ đã thiết kế và mơ phỏng máy phát điện tuyến tính để chuyển đổi năng lượng
sóng trực tiếp và dự đốn hiệu suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Họ đã nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số thiết kế khác nhau (như chiều dài PM, hướng từ thông và khe stator
các loại hình) trên lực lượng cogging và giảm thiểu lực này bằng cách thay đổi đề xuất thông
số. Các kết quả thu được xác nhận một sự giảm lớn trong lực cogging và tăng cường hiệu suất

máy phát điện.
Delli Colli và cộng sự minh họa hoạt động của máy phát điện tuyến tính hình ống như một
chuyển đổi năng lượng sóng. Bài viết tóm tắt nguyên lý tương tác phao sóng biển và báo cáo

13