Nghiên cứu mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ không trục khuỷu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.13 MB, 112 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN
TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC KHUỶU
SVTH: LÊ TRỌNG KHẢI
MSSV: 16145421
SVTH: PHẠM VĂN HẢI
MSSV: 16145373
GVHD: PGS. TS. LÝ VĨNH ĐẠT
TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 08 năm 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Cơng nghệ kỹ thuật ơ tơ
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN
TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC KHUỶU
SVTH: LÊ TRỌNG KHẢI
MSSV: 16145421
SVTH: PHẠM VĂN HẢI
MSSV: 16145373
GVHD: PGS. TS. LÝ VĨNH ĐẠT
TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 08 năm 2020
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ
THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 8 năm 2020
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Lê Trọng Khải
MSSV: 16145421
(E-mail: ). Điện thoại: 0397097077
2. Phạm Văn Hải
MSSV: 16145373
(E-mail: ). Điện thoại: 0392298798
Chuyên ngành: Cơng nghệ kỹ thuật ơ tơ
Khóa: 2016-2020
Lớp:161453
1. Tên đề tài
Nghiên cứu mơ phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ không trục khuỷu.
2. Nhiệm vụ đề tài
- Sử dụng phần mềm Maxwell để mô phỏng máy phát điện tuyến tính.
- Thiết kế kích thước máy phát điện tuyến tính.
- Sử dụng phần mềm Maxwell mơ phỏng khả năng phát điện của máy phát điện.
3. Sản phẩm của đề tài
- Tập thuyết minh Đồ Án Tốt Nghiệp
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 02/03/2020
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 17/08/2020
TRƯỞNG BỘ MÔN
PGS.TS. LÝ VĨNH ĐẠT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PGS.TS. LÝ VĨNH ĐẠT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn: Điện tử ô tô
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Lê Trọng Khải
MSSV:16145449
Họ và tên sinh viên: Phạm Văn Hải
MSSV:16145373
Tên đề tài: Nghiên cứu mơ phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ không trục
khuỷu.
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô.
Họ và tên GV hướng dẫn: ...............................................................................................................
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(khơng đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
2.3.Kết quả đạt được:
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
2.4. Những tồn tại (nếu có):
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
3. Đánh giá:
1.
2.
Điểm
tối đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…
5
3.
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
10
4.
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
10
Tổng điểm
100
4. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày …. tháng 08 năm 2020
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn: Điện tử ô tô
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Lê Trọng Khải
MSSV: 16145421
Hội đồng……..
Họ và tên sinh viên: Phạm Văn Hải
MSSV: 16145373
Hội đồng…….
Tên đề tài: Nghiên cứu mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ khơng trục
khuỷu.
Ngành đào tạo:Cơng nghệ kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV phản biện (Mã GV):………………………………………………………
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
2.Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
6. Đánh giá:
1.
2.
Điểm
tối đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
10
Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…
5
3.
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
10
4.
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
10
Tổng điểm
100
7. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày ….. tháng 08 năm 2020
Giảng viên phản biện
(Ký, ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài:
Nghiên cứu mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên động cơ khơng trục khuỷu.
Họ và tên Sinh viên: Lê Trọng Khải
MSSV: 16145421
Phạm Văn Hải
MSSV: 16145373
Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vê. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh
đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:
Giảng viên hướng dẫn:
Giảng viên phản biện:
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 08 năm 2020
LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lòng biết ơn cũng như sự kính trọng đến q thầy cơ của khoa: Cơ
Khí Động Lực – Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TP HCM lịng biết ơn cũng như sự
kính trọng vì những kiến thức bổ ích, kinh nghiệm q báu đã truyền dạy cho chúng em
trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường. Đó là nền tảng, định hướng khơng chỉ giúp
chúng em hồn thành đồ án mà còn trong nghề nghiệp mai sau.
Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS. TS. Lý Vĩnh Đạt 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 hoàn thành đồ án. Thầy luôn 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.
i
TĨM TẮT
Trong đồ án này nhóm tập trung tìm hiểu và nghiên cứu vào những vấn đề sau.
-
Khái quát về hình dạng, thiết kế của máy phát tuyến tính.
-
Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của loại máy phát này.
-
Tổng quan về đặc điểm cấu tạo, phân loại của động cơ piston tự do và máy phát
điện tuyến tính trên động cơ piston tự do.
-
Tình hình nghiên cứu và phát triển của máy phát điện tuyến tính piston tự do
trên thế giới và tại Việt Nam.
-
Tính tốn thơng số, đưa ra phương án mô phỏng của máy phát điện tuyến tính
bốn mặt phẳng.
-
Vẽ và mơ phỏng mơ hình trong phần mềm Ansys Maxwell, phân tích kết quả
và tối ưu hóa mơ hình.
-
Những ưu, nhược điểm so với các loại máy phát thông thường cũng như thách
thức và tiềm năng phát triển của loại máy phát này.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
TÓM TẮT ......................................................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU............................................................vii
DANH MỤC HÌNH........................................................................................................ x
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... xiv
CHƯƠNG 1. DẪN NHẬP.............................................................................................. 1
1.1.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .................................................................................... 1
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2
1.2.1. TRONG NƯỚC ............................................................................................. 3
1.2.2. NGOÀI NƯỚC .............................................................................................. 3
1.2.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI........................................................................................ 11
1.3.
ĐỐI TƯỢNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ .................................................................. 11
1.4.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................. 11
1.5. CẤU TRÚC NỘI DUNG ĐỀ TÀI ..................................................................... 11
CHƯƠNG 2. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TƠNG TỰ
DO ................................................................................................................................. 13
2.1. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ................................................................... 13
2.1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH .............................. 13
2.1.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ................................................................... 13
2.1.3. CẤU TRÚC MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ........................................ 14
2.1.3.1. CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN .................................................................. 14
2.1.3.2. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM CHUYỂN ĐỘNG . 16
iii
2.1.3.2.1. DẠNG HÌNH ỐNG ......................................................................... 16
2.1.3.2.2. DẠNG MẶT PHẲNG...................................................................... 17
2.1.4. NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH HIỆN
NAY........................................................................................................................ 18
2.1.4.1. BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG ......................................... 18
2.1.4.2. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TƠNG TỰ
DO ....................................................................................................................... 18
2.2. ĐỘNG CƠ PÍT-TƠNG TỰ DO......................................................................... 19
2.2.1. TỔNG QUAN .............................................................................................. 19
2.2.2. PHÂN LOẠI ................................................................................................ 20
2.2.2.1. PÍT-TƠNG ĐƠN ................................................................................... 20
2.2.2.2. PÍT-TƠNG KÉP .................................................................................... 21
2.2.2.3. PÍT-TƠNG ĐỐI ĐỈNH.......................................................................... 21
2.3. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TƠNG TỰ DO FPLG ......................................................................................................................... 22
2.3.1. TỔNG QUAN FPLG ................................................................................... 22
2.3.1.1. KHÁI NIỆM FPLG ............................................................................... 22
2.3.1.2. NHỮNG ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA FLPG ........................................... 23
2.3.2. PHÂN LOẠI FPLG ..................................................................................... 24
2.3.2.1. PHÂN LOẠI THEO SỐ KỲ CỦA ĐỘNG CƠ PÍT-TƠNG TỰ DO ... 24
2.3.2.2. PHÂN LOẠI THEO CẤU TRÚC CỦA FPLG .................................... 25
2.3.2.3. PHÂN LOẠI THEO KIỂU HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH
............................................................................................................................. 27
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ............ 28
3.1. TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ ................................................... 28
3.1.1. CHIỀU DÀI STATOR................................................................................. 29
iv
3.1.2. ĐỘ RỘNG CỦA CỰC VÀ KHOẢNG CÁCH CỦA KHE ........................ 31
3.1.3. KÍCH THƯỚC KHE VÀ RĂNG ................................................................ 31
3.1.4. KÍCH THƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỬU ................................................ 31
3.1.5. KÍCH THƯỚC THÀNH STATOR VÀ TRANSLATOR .......................... 32
3.1.6. THÔNG SỐ CUỘN DÂY MÁY PHÁT ĐIỆN ........................................... 32
3.2. TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN TĨNH VÀ PHẦN ĐỘNG ................................ 37
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ
PÍT-TƠNG TỰ DO ...................................................................................................... 43
4.1. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS MAXWELL ............................................ 43
4.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ANSYS MAXWELL ...................................................... 43
4.1.2. LÀM QUEN VỚI CÁC TÍNH NĂNG CỦA MAXWELL ......................... 44
4.1.2.1. GIAO DIỆN CỦA MAXWELL ............................................................ 44
4.1.2.2. CÁC BƯỚC ĐỂ HOÀN THÀNH MỘT DỰ ÁN TRẾN MAXWELL 44
4.2. MƠ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍTTƠNG TỰ DO .......................................................................................................... 47
4.2.1. THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3D CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH
TRONG PHẦN MỀM MAXWELL ..................................................................... 47
4.2.2. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀM
MAXWELL ........................................................................................................... 57
4.2.2.1. THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ VỀ MƠ HÌNH ................................... 57
4.2.2.2. THIẾT LẬP SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN MÁY PHÁT ĐIỆN ...................... 63
4.2.2.3. CHẠY PHẦN MỀM VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ .................... 72
4.3. KẾT LUẬN MƠ PHỎNG.................................................................................. 74
4.3.1 KẾT QUẢ ..................................................................................................... 74
4.3.2 KẾT LUẬN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.......................................................... 86
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.................................................................... 87
v
5.1 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 87
5.2 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 89
vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
-
𝐴𝑠 , 𝐴𝑐 : Diện tích và mặt cắt của cuộn dây (mm2);
-
AC: Alternating current – Dòng điện xoay chiều;
-
AWS: Archimedes Wave Swing – Bộ thu năng lượng sóng;
-
𝑏𝑠 : Độ rộng khe (mm);
-
𝑏𝑡 : Độ rộng răng (mm);
-
𝐵𝑔 : Mật độ từ thơng khe hở khơng khí (T);
-
𝐵𝑚 : Mật độ từ thông max (T);
-
𝐵𝑟 : Mật độ từ thông dư của nam châm (T);
-
𝐵𝑦𝑟 : Mật độ từ thông trong lõi rotor (T);
-
𝐵𝑦𝑠 : Mật độ từ thông trong lõi stator (T);
-
𝐶𝑚 : Hệ số mật độ từ thơng khơng khí;
-
𝐷𝑤 : Đường kính dây dẫn (mm);
-
𝐸𝑝ℎ : Điện áp cảm ứng pha (V);
-
Eff: Hiệu suất (%).
-
f: Tần số (Hz);
-
FPE: Free Piston Engine - Động cơ không trục khuỷu hay động cơ pít-tơng tự do;
-
FPEC: Free piston engine converters – Chuyển đổi năng lượng pít-tơng tự do;
-
FPLE: Free piston linear engine – Máy phát điện tuyến tính pit-tơng tự do;
-
FPLG: Free Piston Engine Linear Generator - Máy phát điện tuyến tính trên động
cơ pít-tơng tự do;
-
g: Khe hở khơng khí (mm);
-
𝑔𝑒𝑞 : Khe hở khơng khí tương đương (mm);
-
ℎ𝑚 : Bề dày nam châm (mm);
-
ℎ𝑠 : Chiều cao của khe (mm);
-
𝐻𝑐 : Từ kháng của nam châm (A/m);
-
HCCI: Homogeneous charge compression ignition – Đánh lửa nén đồng chất;
-
I: Cường độ pha (Am);
-
𝐼𝐴 : Cường độ dòng điện pha A (Am);
-
𝐽𝑤 : Mật độ dòng điện (A/mm2);
vii
-
𝐽: Tải dịng điện (mật độ dịng tuyến tính của stator) (A/m);
-
𝐾𝑐𝑢 : Hệ số lắp đầy;
-
𝐿𝐶 : Độ dài trung bình của một vịng dây (mm);
-
𝐿𝑠 : Chiều dài stator (mm);
-
L: Độ tự cảm cuộn dây (H);
-
LEM: Linear Electric Machine – Máy phát điện tuyến tính
-
LPMG: Linear permanent magnet generator – Máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến
tính;
-
M: Độ hỗ cảm giữa các cuộn dây (H);
-
m: Số pha;
-
𝑀𝑠 : Là số mặt;
-
𝑁𝐶 : Số vòng dây trên một cuộn;
-
𝑁𝑝ℎ : Số vòng dây trên một pha;
-
p: Số cực;
-
𝑃𝑖𝑛 : Công suất đầu vào (W);
-
𝑃𝑜𝑢𝑡 : Công suất đầu ra (W);
-
PCCI: Premixed charge compression ignition – Đánh lửa nén phí trộn sẵn;
-
PM: Permanent magnet – Nam châm vĩnh cửu;
-
PMLEM: Permanent magnet linear electric engine – Máy phát điện tuyến tính nam
châm vĩnh cữu;
-
q: Tỷ lệ số khe/cực/pha;
-
𝑅𝐿 : Điện trở tải (Ω);
-
𝑅𝑝ℎ : Điện trở pha của cuộn dây (Ω);
-
𝑅𝑤𝑝𝑘𝑚 : Điện trở suất trên một kilomet dây (Ohm/km);
-
𝑆𝑖𝑛 : Công suất biểu kiến (VA);
-
Stator: phần tĩnh của máy phát điện;
-
𝜏𝑚 : Độ dài nam châm (mm);
-
𝜏𝑝 : Độ rộng cực (mm);
-
𝜏𝑡 : Khoảng cách khe (mm);
-
Translator: Phần di chuyển của máy phát;
viii
-
𝑉𝑝ℎ : Giá trị điện áp pha (V);
-
𝑣𝑎𝑣 : Vận tốc trung bình (m/s);
-
𝑣𝑟𝑚 : Biên độ vận tốc (m/s);
-
WEC: Wave Energy Converters – Bộ chuyển đổi năng lượng sóng;
-
𝑊𝑠 : Chiều rộng stator (mm);
-
𝑋𝑠 : Trở kháng (Ω);
-
𝑌𝑟 : Độ dày thành rotor (mm);
-
𝑌𝑠 : Độ dày thành stator (mm);
ix
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ máy PM mơ-đun hình ống ba pha. .......................................................... 5
Hình 1.2. Cấu trúc máy phát tuyến tính của nguyên mẫu đầu tiên của Toyota Central R &
D . .................................................................................................................................... 6
Hình 1.3. Cấu trúc máy phát tuyến tính của nguyên mẫu thứ hai của Toyota Central R &
D .. ................................................................................................................................... 6
Hình 1.4. Hai thế hệ nguyên mẫu tại Toyota Central R & D .. .......................................... 7
Hình 1.5. Máy phát tuyến tính thế hệ thứ nhất của DLR . ................................................. 7
Hình 1.6. Máy phát tuyến tính thế hệ thứ hai của DLR. .................................................... 8
Hình 1.7. Hệ thống FPLG của Ferrari và Friedrich. .......................................................... 8
Hình 1.8. Cấu trúc buồng đốt của máy phát điện tuyến tính.............................................. 9
Hình 1.9. Cách bố trí máy phát điện tuyến tính trên xe của DLR. ................................... 10
Hình 1.10. Cấu trúc máy phát điện tuyến tính của DLR. ................................................ 10
Hình 2.1. Máy phát điện tuyến tính sắt chuyển động ...................................................... 14
Hình 2.2. Máy phát điện tuyến tính cuộn dây di chuyển ................................................. 14
Hình 2.3. Máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động .......................................... 15
Hình 2.4. Cấu tạo máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động dạng hình ống ....... 16
Hình 2.5. Cấu tạo máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động dạng mặt phẳng .... 17
Hình 2.6. Bộ chuyển đổi năng lượng song AWS. ........................................................... 18
Hình 2.7. Máy phát điện tuyến tính dạng ống trên động cơ pít-tơng tự do ...................... 19
Hình 2.8. Cấu tạo động cơ pít-tơng tự do loại pít-tơng đơn............................................. 20
Hình 2.9. Cấu tạo động cơ pít-tơng tự do loại pít-tơng kép ............................................. 21
Hình 2.10. Cấu tạo động cơ pít-tơng tự do loại pít-tơng đối đỉnh .................................... 22
Hình 2.11. Máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tơng tự do (FPLG)....................... 22
Hình 2.12. Vận tốc pít-tơng so với chuyển vị ................................................................. 24
Hình 2.13. Đồ thị P-V .................................................................................................... 25
x
Hình 2.14. Cơng suất được tạo ra với góc mở bướm ga khác nhau ................................. 25
Hình 2.15. FPLG loại xy-lanh đơn ................................................................................. 26
Hình 2.16. FPLG loại xy-lanh kép ................................................................................. 26
Hình 2.17. FPLG loại xy-lanh đối đỉnh .......................................................................... 27
Hình 3.1. Hệ thống FPLG với động cơ pít-tơng tự do đối đỉnh ....................................... 28
Hình 3.2. Hệ thống FPLG trên xe PHEV của DLR......................................................... 28
Hình 3.3. Mơ hình FEM của một phần máy phát điện tuyến tính 4 mặt phẳng với stator
5.3 mm và translator 8 mm............................................................................................. 37
Hình 3.4. Mật đồ từ thơng phân bố trong lõi stator và translator trước khi tối ưu............ 38
Hình 3.5. Mật độ từ thơng phân bố trong lõi stator dày 9.3 mm và translator dày 12 mm
...................................................................................................................................... 39
Hình 3.6. Mật độ từ thơng phân bố trong lõi stator dày 13.3 mm và translator dày 16 mm
...................................................................................................................................... 40
Hình 3.7. Hình chiếu bằng của máy phát điện tuyến tính ................................................ 41
Hình 3.8. Mặt cắt đứng của máy phát điện tuyến tính ..................................................... 42
Hình 4.1. Hình ảnh về ANSYS Maxwell 16. .................................................................. 43
Hình 4.2 Các bước vẽ translator ..................................................................................... 48
Hình 4.3 Các bước vẽ nam châm và stator ..................................................................... 53
Hình 4.4 Các bước vẽ cuộn dây...................................................................................... 54
Hình 4.4 Các bước tạo Terminal .................................................................................... 55
Hình 4.6 Band của mơ hình ............................................................................................ 56
Hình 4.7 Region của mơ hình. ........................................................................................ 57
Hình 4.8 Sơ đồ mạch điện của máy phát ........................................................................ 63
Hình 4.9. Bảng Report để xem giá trị độ tự cảm của các cuộn dây. ................................ 66
Hình 4.10. Bảng Report để xem giá trị độ hỗ cảm của các cuộn dây với nhau. ............... 66
Hình 4.11. Giá trị độ tự cảm của các cuộn dây trong mô phỏng của Maxwell ................ 66
xi
Hình 4.12. Giá trị độ hỗn cảm của các cuộn dây trong mơ phỏng của Maxwell .............. 67
Hình 4.13. Biểu đồ thể hiện các thông số theo hàm điện trở từ 0- 110 𝜴 ở tần số 30 Hz.
...................................................................................................................................... 69
Hình 4.14. Biểu đồ thể hiện các thông số theo hàm điện trở tới 20 𝜴 ở tần số 30 Hz. ..... 69
Hình 4.16. một số thiết bị trong Compoments được sử dụng để vẽ mạch điện. ............... 71
Hình 4.17. mạch điện của mơ hình máy phát điện tuyến tính có RL là 1.2 ohm ứng với
tần số 15 Hz. .................................................................................................................. 71
Hình 4.18. bảng Edit External Circuit sau khi import mạch điện thành cơng. ................. 72
Hình 4.19. Bảng Validation check khi các thơng số đã được hồn thiện. ........................ 73
Hình 4.20. Đồ thị mật độ từ thông B trên phần tĩnh (stator) của máy phát điện ở tần số 30
Hz .................................................................................................................................. 75
Hình 4.21. Đồ thị mật độ từ thơng B trên phần động (translator) của máy phát điện ở tần
số 30 Hz ......................................................................................................................... 76
Hình 4.22. Đồ thị mật độ điện từ J trên cực cuộn dây (coil terminal) của máy phát điện ở
tần số 30 Hz ................................................................................................................... 77
Hình 4.23. Đồ thị cường độ từ trường H trên cực cuộn dây (coil terminal) của máy phát
điện ở tần số 30 Hz ........................................................................................................ 78
Hình 4.24. Bảng Report để xuất ra biểu đồ về dịng điện của cả 3 pha............................ 79
Hình 4.25. Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 15 Hz .......................... 79
Hình 4.26. Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 15 Hz.............................. 80
Hình 4.27. Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 15 Hz ............................. 80
Hình 4.28. Biểu đồ dòng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 30 Hz........................... 81
Hình 4.29. Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 30 Hz............................... 81
Hình 4.30. Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 30 Hz. ............................. 82
Hình 4.31. Biểu đồ dịng điện 3 pha của máy phát điện ở tần số 50 Hz........................... 82
Hình 4.32. Biểu đồ điện áp 3 pha của máy phát điện ở tần số 50 Hz............................... 83
Hình 4.33. Biểu đồ điện áp tại tải của máy phát điện ở tần số 50 Hz. ............................. 83
xii
Hình 4.34. Biểu đồ cơng suất đầu vào và đầu ra của máy phát điện từ 15 Hz đến 50 Hz. 85
xiii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Bảng chọn loại dây đồng American Wire Gauge ............................................ 33
Bảng 3.2. Thông số máy phát diện ................................................................................. 36
Bảng 3.3. Thông số thành stator và translator ................................................................. 41
Bảng 4.1. Điện trở tải mà máy phát điện tạo công suất đầu ra tôi đa, ứng với từng tần số
từ 15 Hz đến 50 Hz. ....................................................................................................... 70
Bảng 4.2. Công suất đầu vào Pin và công suất đầu ra Pout của máy phát điện ở các tần số
từ 15 Hz đến 50 Hz. ....................................................................................................... 84
xiv
CHƯƠNG 1. DẪN NHẬP
1.1.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Với việc nguồn nhiên liệu hóa thạch từ thiên nhiên đang dần cạn kiệt cùng với những
vấn đề về ô nhiễm môi trường là sự áp lực lớn phải tìm ra các cơng nghệ thay thế phát triển
nguồn năng lượng tái tạo sạch. Kể từ những thập niên 80 cho đến nay, vấn đề môi 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.
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. Xe lai
sạc điện là một hệ thống plug-in hybrid gồm có bộ đơi động cơ điện và một động cơ xăng.
Động cơ điện được hỗ trợ bởi một bộ pin lithium-ion. Động cơ xăng sẽ được kích hoạt khi
bộ pin cạn kiệt và hoạt động chủ yếu như một máy phát điện, điều này sẽ giúp xe lai sạc
điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện. Khắc phục được điểm yếu lớn nhất
của xe điện là quãng đường đi được bị hạn chế. Vì pin dùng cho đơng cơ điện cũng đồng
thời làm ắc quy, nên việc nghe nhạc, xem phim hay các ứng dụng trực tuyến cũng đều ảnh
hưởng đến quãng đường đi được của xe điện. Ngoài ra các yếu tố tốc độ, cách lái xe và địa
hình cũng làm phạm vi hành trình thay đổi khá nhiều.
Máy phát điện tyến tính trên động cơ pít-tơng tự do để cung cấp cho xe lai sạc điện,
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.
1
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Trong máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tơng tự do, pít-tơng di chuyển tự do
giữa TDC và BDC, và chuyển động của nó được xác định bởi tổng hợp các lực tác dụng
lên nó, bao gồm lực áp suất khí, lực điện từ và lực bật lại. Chuyển động của pít-tơng phải
được điều khiển bởi bộ điều khiển FPLG, đó là một điều khiển tích hợp các tham số của
q trình đốt cháy hoặc các biến điều khiển của LEM (Linear electric machine) và các thiết
bị bật lại. Hơn nữa, có các biến thể theo chu kỳ và các nhiễu loạn lớn theo chu kỳ trong
q trình đốt cháy. Do đó, kiểm sốt chuyển động của pít-tơng vẫn là thách thức lớn nhất
của FPLG.
Bên cạnh đó, LEM khơng chỉ được sử dụng như một đơn vị đầu ra năng lượng mà
còn là đơn vị điều khiển để điều chỉnh chuyển động của pít-tơng. Đối với FPLG, LEM địi
hỏi độ tin cậy cao, độ chính xác cao, hiệu quả cao, …Các cấu trúc khác nhau của LEM
được thiết kế bởi nhiều đội trên thế giới đã được nghiên cứu, nhưng khơng có cấu trúc nào
trong số này đáp ứng tất cả các yêu cầu do đột quỵ ngắn, tần số cao và gia tốc cao. Đối với
FPLG, LEM là một thành phần thiết yếu giúp chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng
lượng điện, và nó cũng có thể được vận hành như một động cơ để khởi động động cơ và
giữ cho tỷ số nén phù hợp thơng qua điều khiển vị trí. Loại máy phát điện tuyến tính sẽ ảnh
hưởng đến sản lượng điện và có thể được phân loại dựa trên loại của chúng (dạng ống hoặc
phẳng), cấu trúc pha (một pha hoặc ba pha) và bố trí nam châm (nam châm chuyển động,
sắt di chuyển, hoặc cuộn dây chuyển động). Trong giai đoạn thiết kế, cần xem xét cả hiệu
suất và công nghệ sản xuất LEM. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng khối lượng di
chuyển thấp rất quan trọng để cải thiện tần suất hoạt động và tối ưu hóa hiệu quả LEM có
thể làm giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu. Bên cạnh hiệu quả cao và khối lượng di
chuyển thấp, mật độ năng lượng cao, độ tin cậy tốt, hiệu suất động cao và cấu trúc đơn giản
cũng được yêu cầu cho LEM.
Liên quan đến máy phát điện tuyến tính (Linear Electric Machine, LEM) có rất nhiều
nghiên cứu liên quan như: Nghiên cứu các công nghệ chính của thiết kế LEM; Nghiên cứu
về các cấu trúc từ thông trong LEM; Nghiên cứu về các cấu trúc liên kêt khác nhau trong
LEM; Nghiên cứu về đặc tính hoạt động của máy phát tuyến tính pít-tơng tự do bẳng các
mơ hình số và các phần mền mơ phỏng….
2
1.2.1. TRONG NƯỚC
Hiện nay, máy phát điện tuyến tính chưa nhận được nhiều sự chú ý ở nước ta. Nên
các nghiên cứu, báo cáo cịn khá khiêm tốn, các nhóm nghiên cứu chủ yếu là từ một số
trường Đại học lớn trong nước như: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Đại học Bách
khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM,… nghiên cứu về máy phát điện tuyến tính trên
động cơ pít-tơng tự do cho ơ tơ và Đại học hàng hải Việt Nam nghiên cứu về máy phát
điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cữu trong khai thác điện song biển. Các nghiên
cứu mới chỉ dừng tính tốn thiết kế và ở mô phỏng trên các phần mềm Ansoft Maxwell,
Matlab/Simulink, Ansys Symplorer, FEMM, ...
1.2.2. NGỒI NƯỚC
• Nghiên cứu của Đại học West Virginia [1].
Nhóm nghiên cứu từ Đại học West Virginia đã nghiên cứu về FPLG từ năm 1995.
Họ đã tiến hành mơ phỏng số cho q trình vận hành và nghiên cứu ảnh hưởng của các
tham số khác nhau đến các đặc điểm của hệ thống. Và ngun mẫu bao gồm hai động cơ
pít-tơng tự do hai thì. Kết quả chỉ ra rằng khơng có tải trọng bên ngoài, tần số hoạt động
của nguyên mẫu là 1457 rad/phút và cấu hình chuyển động của pít-tơng tương tự như trạng
thái hình sin. Khi nguyên mẫu được cho mang tải, tần số hoạt động của nó là 1361 rad/phút
và công suất đầu ra tối đa là 316 W. Tuy nhiên, hiệu suất tạo mẫu thử nghiệm thấp và máy
không thể hoạt động liên tục.
• Nghiên cứu từ Phịng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL) [2].
Nhóm nghiên cứu từ Phịng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL) đã thiết kế một nguyên
mẫu FPLG từ năm 2000. Nguyên mẫu cho thấy hiệu quả cao, lượng khí thải thấp và có thể
hoạt động trên nhiều loại nhiên liệu có chứa hydro. FPLG sử dụng chế độ “động cơ đồng
nhất và nén tự cháy” (HCCI) và chu trình nhiệt động lực học đạt được gần với chu trình
Otto.
• Nhóm nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Séc [3].
Nhóm nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Séc đã phát triển hai nguyên mẫu FPLG vào
năm 2003 và 2007 tương ứng. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng tần số hoạt động của nguyên
mẫu đầu tiên là 27 Hz và công suất đầu ra tối đa là 650 W. Tuy nhiên, hiệu suất tạo ra hệ
thống chỉ dưới 10%.
3
