Tính toán mô phỏng cụm phát điện cho động cơ đốt trong không trục khuỷu(FREE PISTON ENGINE)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÍNH TỐN MÔ PHỎNG CỤM PHÁT ĐIỆN CHO
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KHÔNG TRỤC KHUỶU
(FREE PISTON ENGINE)

SVTH: NGUYỄN THANH TRUYỀN
MSSV: 16145558
SVTH: BÙI NGUYỄN CƠNG MINH
MSSV: 16145446
GVHD: TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÍNH TỐN MÔ PHỎNG CỤM PHÁT ĐIỆN CHO ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG KHÔNG TRỤC KHUỶU (FREE PISTON
ENGINE)

SVTH: NGUYỄN THANH TRUYỀN
MSSV: 16145558
SVTH: BÙI NGUYỄN CƠNG MINH
MSSV: 16145446

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tp.Hồ Chí Minh , tháng 8 năm 2020


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 8 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. NGUYỄN THANH TRUYỀN

MSSV: 16145558

2. BÙI NGUYỄN CÔNG MINH

MSSV: 16145446

Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ
Khóa: 2016 – 2020

Lớp: 161453

1. Tên đề tài
TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CỤM PHÁT ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
KHÔNG TRỤC KHUỶU (FREE PISTON ENGINE)
2. Nhiệm vụ đề tài
- Trình bày tổng quan, ưu điểm và nhược điểm của máy này, ứng dụng của của máy trên các
loại ô tô.
- So sánh đánh giá hai loại máy phát tuyến tính loại phẳng và trụ từ đó lên phương án tính
tốn thiết kế .
- Tính tốn thơng số máy phát tối ưu hóa bằng các phần mềm thực tiễn như FEMM,
Maxwell. Mô phỏng các giá trị cơng suất, điện áp, dịng điện bằng phần mềm Matlab,
Simulink.
- Thực hiện mơ hình đơn giản minh họa máy phát tuyến tính.

3. Sản phẩm của đề tài
- Tập thuyết minh
- Mơ hình đơn giản máy phát điện tuyến tính.
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 20/02/2020
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 09/08/2020
TRƯỞNG BỘ MÔN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên…………………………………..MSSV:…………….. Hội đồng:…………
Họ và tên sinh viên…………………………………..MSSV:…………….. Hội đồng:…………
Tên đề tài: .........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
Ngành đào tạo: ................................................................................................................................
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:
Mục đánh giá

TT
1.

2.

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm
tối đa
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

Điểm đạt
được


4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng 07 năm 2018

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 ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên ......................................................... MSSV: ………….Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên ......................................................... MSSV: ………….Hội đồng…………
Tên đề tài: .........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
Ngành đào tạo: ................................................................................................................................
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:
Mục đánh giá

TT
1.

2.

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm
tối đa

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…
3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

5
10

Điểm đạt
được


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: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CỤM PHÁT ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG KHÔNG TRỤC KHUỶU (FREE PISTON ENGINE)
Họ tên sinh viên: 1. NGUYỄN THANH TRUYỀN

MSSV: 16145558

2. BÙI NGUYỄN CÔNG MINH

MSSV: 16145446

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 về. Đồ án tốt nghiệp đã được hồn chỉnh đúng theo

u cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2020


LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài thập kỉ trở lại đây, nhu cầu đi lại bằng ô tô ngày một tăng đã tạo ra một số
vấn đề nan giải đối với mỗi quốc gia nói riêng và tồn cầu nói chung về việc thiếu hụt nguồn
nhiên liệu hóa thạch, các vấn đề về mơi trường như trái đất nóng dần lên tăng dần qua các
năm,hiệu ứng nhà kính do nồng độ khí khải CO2, NO2 phần lớn có trong các phương tiện vận
chuyển cao gấp 1.2-1.5 lần tiêu chuẩn cho phép. Do đó,hầu hết các nhà sản xuất ơ tơ, các
trung tâm nghiên cứu công nghệ và các trường đại học đã bắt tay nghiên cứu một số giải
pháp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch. Nổi bật trong đó là xe chạy
bằng năng lượng sạch(hydro, mặt trời), xe điện hay xe lai với hiệu quả cao và lượng khí thải
thấp dường như là giải pháp tốt nhất cho cuộc khủng hoảng này. Một trong những giải pháp
tiềm năng gần đây đó là sử dụng MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ĐỘNG CƠ PISTON
TỰ DO đem lại hiệu suất hoạt động cao, giảm bớt các khí thải ra mơi trường hơn động cơ
truyền thống. Dựa trên cơ sở kế thừa những bài báo cáo, những bài nghiên cứu đã có. Chúng
em tổng hợp và chọn lọc để trình bày ra những cấu tạo, phương pháp hoạt động của máy,
tính tốn thiêt kế và mơ phỏng 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
Để đồ án này đạt kết quả tốt đẹp ngoài khả năng cố gắng của bản thân là sự hỗ trợ, giúp đỡ,
chỉ dạy dù ít hay nhiều, gián tiếp hay trực tiệp của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Chúng
em xin gửi đến quý thầy cơ của khoa: Cơ Khí Động Lực – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP.HCM lòng biết ơn sâu sắc cũng như sự kính trọng vì những kiến thức bổ ích, kinh
nghiệm quý báu, truyền ngọn lửa đam mê cho chúng em trong suốt chặng đường đại học đã
qua. Đó là nền tảng, hành trang, định hướng không chỉ giúp chúng em hồn thành tốt đồ án
mà cịn là nền tảng vững chắc trên con đường sự nghiệp tương lai sau này.
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 góp ý nhận xét của
thầy, chúng em đã từng bước thực hiện và hoàn thành đồ án. Thầy không đặt nặng áp lực về
vấn đề thời gian luôn tạo ra sự thoải mái và để chúng em phải ý thức về sự tự giác chủ động
và trách nhiệm về đồ án của mình. Tất cả điều đó làm chúng em rất biết ơn thầy. Và một lần
nữa chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy và các thầy cô của Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và thầy cơ của khoa Cơ Khí Động Lực nói riêng
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.
Trong quá trình thực hiện đồ án, do trình độ, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế,
chúng em sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong quý thầy cô chỉ dạy và bỏ qua.

ii

TĨM TẮT
Trong bài nghiên cứu về: MÁY PHÁT TUYẾN TÍNH ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO. Dựa
vào các kiến thức đã học và tài liệu tham khảo về các loại máy phát điện tuyến tính áp dụng
cho các loại động cơ, chúng em tập trung chủ yếu vào các nội dung sau :
• Tình hình nghiên cứu và phát triển máy phát điện tuyến tính piston tự do tại Việt
Nam và trên thế giới.
• Khái quát chung về phân loại cấu tạo, ngun lý hoạt động của máy phát này.
• Tính tốn thơng số cấu tạo,thiết kế và tối ưu hóa của loại máy phát tuyến tính dạng
phẳng 4 mặt.
• Mơ phỏng các kết quả đạt được bằng các phần mềm.
• Phân tích các ưu điểm và nhược điểm của máy phát tuyến tính dạng này so với các
loại máy phát thơng thường.
• Thiết kế, xây dựng mơ hình thực tế để mô phỏng hoạt động của máy phát này và so
sánh kết quả đạt được từ mơ hình thực với trong tính tốn mơ phỏng.
• Thách thức và tiềm năng phát triển của máy phát tuyến tính này.
Hướng tiếp cận và giải quyết đồ án này chủ yếu vào việc tìm kiếm, tổng hợp, chọn lọc từ 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 nắm bắt được nội dung về một loại máy phát mới,
đồng thời còn trau dồi các kỹ 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
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................................... x

DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................................... x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................................ 2
1.2.1. Các nghiên cứu ứng dụng trong nước .................................................................. 2
1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước .................................................................. 3
1.3.1. Mục đích nghiên cứu. ............................................................................................. 6
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu và thiết kế .......................................................................... 6
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 6
1.3.4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 6
1.3.5. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 6
CHƯƠNG 2. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ................................................................ 7
2.1. Các nguyên lý cơ bản về điện ...................................................................................... 7
2.1.1. Từ trường ................................................................................................................ 7
2.1.3. Hiện tượng cảm ứng điện từ ................................................................................. 9
2.1.4. Lực điện từ và động cơ điện ................................................................................ 11
2.1.5. Dòng điện xoay chiều ........................................................................................... 13
2.1.6. Máy phát điện xoay chiều .................................................................................... 15
2.3. Nguyên lý hoạt động máy phát điện tuyến tính ....................................................... 19
2.4. Phân loại máy phát điện tuyến tính .......................................................................... 21
2.4.1. Máy phát điện cảm ứng tuyến tính..................................................................... 21
2.4.2. Máy phát điện đồng bộ tuyến tính ...................................................................... 22
2.4.3. Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLA) .................................. 23
2.4.4. Máy phát điện tuyến tính nam châm điện (EMLA) ......................................... 24
iv


2.4.5. Máy điện nam châm vĩnh cửu thông lượng dọc,ngang .................................... 25
CHƯƠNG 3. MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO ............ 27
3.1. Động cơ piston tự do................................................................................................... 27

3.2. Phân loại động cơ piston tự do .................................................................................. 27
3.2.1. Piston đơn ............................................................................................................. 28
3.2.2. Piston kép .............................................................................................................. 29
3.2.3. Loại 2 piston đối đỉnh .......................................................................................... 30
3.3. Máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do ....................................................... 31
3.4. Ứng dụng máy phát điện tuyến tính và ưu nhược điểm của máy phát tuyến
piston tự do ......................................................................................................................... 32
3.4.1. Ứng dụng máy phát tuyến tính ........................................................................... 32
3.4.2. Ứng dụng của máy phát trên các hãng ô tô ....................................................... 36
3.5. Ưu, nhược điểm của máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do ................... 49
3.5.1. Ưu điểm ................................................................................................................. 49
3.5.2. Nhược điểm ........................................................................................................... 51
CHƯƠNG 4. LỰA CHỌN VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN
TÍNH ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO BỐN MẶT PHẲNG ................................................. 52
4.1. Lựa chọn máy phát ..................................................................................................... 52
4.2. Thiết kế tính tốn........................................................................................................ 55
4.3. Phương trình Maxwell ............................................................................................... 65
4.4. Mơ phỏng máy phát điện bằng phần mềm MATLAB SIMULINK ...................... 74
4.4.1. Hiệu suất của máy phát hoạt động ở tốc độ không đổ ...................................... 74
4.4.2. Hiệu suất của máy phát trong điều kiện động ................................................... 77
4.5. Tính tốn tổn thất cơ học ........................................................................................... 81
CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ MƠ HÌNH .................................................................................. 86
5.1. Ý tưởng mơ hình. ........................................................................................................ 86
5.2. Thiết kế mơ hình ......................................................................................................... 86
5.2.1. Chọn động cơ ........................................................................................................ 86
5.2.2. Thiết kế trục và cuộn dây .................................................................................... 87
v


5.2.3. Chọn nam châm.................................................................................................... 89

5.2.4. Chọn mạch điều khiển động cơ ........................................................................... 89
5.3. Mơ hình........................................................................................................................ 89
5.5. Tiềm năng phát triển .................................................................................................. 92
5.6. Hạn chế thách thức ..................................................................................................... 92
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 94
6.1. Kết luận ....................................................................................................................... 94
6.2. Kiến nghị ..................................................................................................................... 94
PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 95
DANH MỤC CODE MATLAB .......................................................................................... 95
DANH MỤC TÀI LIỆU KHAM KHẢO ............................................................................ 98

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
AC: Alternating current
BDC: Bottom dead centre
CNG: Compressed natural gas
DLR: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
DC: Direct current
EMLA: Electromagnetic linear actuator
FEMM:Fenite Element Method Magnetics
FPE: Free piston engine
FPEG: Free piston engine generator
FPLE: Free piston linear engine
FPLG: Free piston linear generator
ICE: Internal combustion engine
HCCI: Homogeneous charge compression ignition
LEM: Linear Electric Machines
LPMG: Linear permanent magnet generator

PM: Permanent magnet
PMLA:Permanent magnet linear actuator
PMLEM: Permanent magnet liear electric machine
TDC: Top dead centre
TFM: Transversal flux machines
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
vii


q: tỷ lệ số khe/cực/pha
p: số cực
Bg: mật độ từ thơng 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 khơng khí (mm)
Bsy: mật độ từ thơng trong lõi stator (T)
Bry: 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
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 của 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)
viii


hs: chiều cao của khe (mm)
As, Ac: diện tích mặt cắt của cuộn dây (mm2)
LC: độ dài trung bình của một vòng 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)
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 ......................................................................................... 61
Bảng 4.2 Thông số thành stator và translator ......................................................................... 63
Bảng 4.3: Thông số máy phát ở tốc độ không đổi .................................................................. 76
Bảng 4.4: Thông số đầu vào của SIMULINK ........................................................................ 79

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh .............................................. 4
Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc máy phát điện piston tự do................................................................ 5
Hình 2.1. Từ trường của nam châm sinh ra .............................................................................. 7
Hình 2.2. Từ trường của ống dây có dịng điện chạy qua và quy tắc bàn tay phải xác định
dịng điện và từ trường .............................................................................................................. 8
Hình 2.3. Góc  hợp bởi vectơ (n,B) ....................................................................................... 9
Hình 2.4a,2.4b. Mơ tả thí nghiệm Faraday ............................................................................. 10
Hình 2.5. Quy tắc bàn tay trái ................................................................................................. 12
Hình 2.6. Động cơ điện một chiều .......................................................................................... 13
Hình 2.7. Mơ hình máy phát điện xoay chiều ......................................................................... 15
Hình 2.8. Mơ hình hóa máy phát điện xoay chiều .................................................................. 16
Hình 2.9. Mắc kiểu hình sao và hình tam giác ....................................................................... 17
Hình 2.10. Giá trị điện áp xoay chiều 3 pha ........................................................................... 18
Hình 2.11. Giá trị điện áp xoay chiều 1 pha ........................................................................... 19
Hình 2.12. Động cơ cảm ứng tuyến tính ................................................................................ 21
Hình 2.13. Máy phát điện tuyến tính hình ống ....................................................................... 22
Hình 2.14. Mặt trước của máy phát tuyến tính dạng phẳng gồm 4 mặt(trái) và ba mặt (phải)
................................................................................................................................................. 23
Hình 2.15. Cấu trúc stator 4 mặt ............................................................................................. 23

Hình 2.16. Cấu tạo máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu......................................... 24
Hình 2.17. Một máy phát điên có stator là các nam châm điện còn rotor là các cuộn dây .... 25
Hình 2.18. Cấu tạo và chiều của từ thơng trong TFM (trái) và một TFM ngoài đời thực. .... 25
x


Hình 2.19. Các đường thơng lượng dọc trong một máy tuyến tính hình học trụ ................... 26
Hình 2.20. Máy phát có rotor ngắn (trái) và rotor dài (phải) .. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1. Cấu tạo của động cơ piston tự do loại piston đơn................................................... 28
Hình 3.2. Cấu tạo động cơ piston tự do loại piston kép.......................................................... 29
Hình 3.3. Cấu tạo động cơ piston tự do loại 2 piston đối đỉnh ............................................... 30
Hình 3.4. Máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do ...................................................... 32
Hình 3.5. Mơ hình máy phát điện tuyến tính lợi dụng sự nhấp nhơ của sóng biển để phát ra
điện .......................................................................................................................................... 33
Hình 3.6. Mơ hình máy điện tuyến tính piston tự do do trên xe hybrid ................................. 34
Hình 3.7. Mơ hình máy tính tuyến free-piston đơn của Toyota ............................................. 36
Hình 3.8. Sơ đồ máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh ............................................ 36
Hình 3.9. Sơ đồ máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh ............................................ 37
Hình 3.10. Vận hành hệ thống bánh đà điện (bỏ qua sự thay đổi tốc độ của mơ-tơ) ............ 38
Hình 3.11. 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 ..................................................... 40
Hình 3.12. Kiểu hai piston đơn với hai buồng đốt riêng biệt ................................................. 40
Hình 3.13. 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 .................................................................. 41
Hình 3.14. Piston kép kiểu máy phát điện động cơ piston tự do ............................................ 42
Hình 3.15. Mơ phỏng các đường cong trong điều khiển vận tốc chuyển động servo ............ 43
Hình 3.16. Sơ đồ khối các thành phần chính và đường dẫn điện cho bộ chuyển đổi năng
lượng piston tự do ................................................................................................................... 44
Hình 3.17. Sơ đồ đơn giản của bơm thủy lực piston tự do của Ford ...................................... 45
Hình 3.18. Một xi lanh của động cơ piston tự do phát điện tuyến tính bốn kỳ ...................... 47

Hình 3.19. Máy phát điện động cơ piston tự do bốn kỳ một xi lanh ...................................... 48
Hình 3.20. Ảnh hưởng của sự thay đổi thời điểm phun nhiên liệu ......................................... 49
Hình 3.21. Nồng độ khí NO trong xi lanh .............................................................................. 50
Hình 4.1. Thế hệ thứ nhất máy phát tuyến tính dạng ống....................................................... 53
Hình 4.2. Thế hệ thứ hai máy phát tuyến tính dạng phẳng ..................................................... 53
xi


Hình 4.3. So sánh cơng suất , hiệu suất máy phát hình ống và hình phẳng............................ 54
Hình 4.4 Mơ hình máy phát trong cơng thức 4.2 .................................................................... 56
Hình 4.5. Mơ tả các khe lõi chính ........................................................................................... 57
Hình 4.6. Thơng số loại dây đồng theo American Wire Gause .............................................. 60
Hình 4.7. Mơ hình khe ............................................................................................................ 60
Hình 4.8: Mơ hình 1/4 máy phát trong mơi trường 2D FEMM .............................................. 62
Hình 4.9 Mật độ từ thông phân bố trong lõi stator và translator trước khi tối ưu .................. 63
Hình 4.10. Mật độ từ thông phân bố trong lõi stator và translator sau khi tối ưu .................. 64
Hình 4.11. Sơ đồ cuộn dây...................................................................................................... 65
Hình 4.12. Giao diện Maxwell ................................................................................................ 66
Hình 4.13. Cửa sổ property ..................................................................................................... 67
Hình 4.14. Giá giá trị lực, moment, ma trận ........................................................................... 68
Hình 4.15. Translator .............................................................................................................. 68
Hình 4.16. Stator ..................................................................................................................... 69
Hình 4.17. Cuộn dây ............................................................................................................... 69
Hình 4.18. Máy phát điện tuyến tính ...................................................................................... 70
Hình 4.19. Mật độ phân bố từ thơng B trên bề mặt ................................................................ 70
Hình 4.20. Phương và chiều của các vector B ........................................................................ 71
Hình 4.21. Mật độ dịng phân bố trong các cuộn dây ............................................................. 71
Hình 4.22. Kết quả mơ phỏng ................................................................................................. 72
Hình 4.23. Cài đặt solve .......................................................................................................... 72
Hình 4.24. Mạch tương đương của máy phát cho hoạt động trạng thái ổn định .................... 74

Hình 4.25. Hiệu suất tương ứng với điện trở tải RL ................................................................ 76
Hình 4.26. Mạch tương đương của cuộn dây 3 pha máy phát ................................................ 77
Hình 4.27. Mơ hình simulink của máy phát điện tuyến tính .................................................. 79
Hình 4.28. Vận tốc và hành trình của piston .......................................................................... 80
Hình 4.29. Mối quan hệ giữa vận tốc piston và công suất đầu vào, đầu ra ............................ 80
Hình 4.30. Điện áp cảm ứng của 3 pha ................................................................................... 81
Hình 4.31. Điện áp cực và cường độ dịng điện trong 1 pha .................................................. 81
xii


Hình 4.32. Các lực tác dụng lên cụm piston-thanh truyền ..................................................... 82
Hình 5.1. Động cơ DC 775 ..................................................................................................... 87
Hình 5.2. Trục ......................................................................................................................... 87
Hình 5.3. Giá đỡ ...................................................................................................................... 88
Hình 5.4. Đế mơ hình .............................................................................................................. 88
Hình 5.5. Mơ hình ................................................................................................................... 90

xiii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Với xu hướng phát triển ngành công nghiệp hiện nay theo cuộc cách mạng công nghiệp
4.0 là kết hợp tất cả các kiến thức trong lĩnh vực vật lý, kỹ thuật số, sinh học, và ảnh hưởng
đến tất cả các lĩnh vực nền, các ngành kinh tế và ngành công nghiệp trong đó ngành cơng
nghiệp ơ tơ khơng ngoại lệ được thừa hưởng những thành tựu, dấu mốc quan trọng ấy được
dẫn dắt đến sự phát triển hiện nay. Đi đơi với sự phát triển khơng ngừng đó địi hỏi phải có
những thách thức đặt ra để giải quyết tránh hưởng trực tiếp đến nhân loại.
Trong đó vấn đề nguồn tài nguyên nhiên liệu, trữ lượng nhiên liệu hóa thạch ngày càng
cạn kiệt với sự phát triển và khai thác vơ tội vạ hiện nay có thể trong vịng 50 năm nữa thì

nguồn nhiên liệu sẽ khơng đáp ứng đủ cho tất cả con người trên hành tinh này. Vì vậy chúng
ta phải cân nhắc xem xét thật kỹ sử dụng sao cho hợp lý và hiệu quả để đạt hiệu suất cao.
Tiếp đến là vấn đề ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe con người và sự nóng lên
tồn cầu và hiệu ứng nhà kính, có thể nói vấn đề mơi trường được coi là nội dung trọng tâm
cần quan tâm tại các nước công nghiệp đang và phát triển, nhiệm vụ đặt ra là tăng cường bảo
vệ chất lượng mơi trường song song đó 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 nhức nhói được quan tâm hàng đầu. Việt Nam cũng khơng ngoại lệ
là một nước có nền kinh tế đang phát triển nhanh và đang định hướng trở thành nước công
nghiệp đến năm 2020. Sự phát triển của nền kinh tế theo hướng cơng nghiệp hóa hiện đại
hóa nó sẽ kéo theo sự phát triển nhiều mặt của xã hội trong đó phương tiện giao thơng là một
vấn đề nổi trội giữa lợi và hại. Nó giúp vận chuyển hàng hóa nhanh chóng 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 mơi trường một cách
nghiêm trọng do lượng khí thải của các phương tiện này thải ra khiến trái đất ngày càng
nóng lên do hiệu ứng nhà kính, hiện nay con người đang chịu ảnh hưởng rõ rệt từ việc biến
đổi khí hậu. Vì thế, việc nghiên cứu những 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. Đó là một thách thức to
lớn cho các nhà nghiên cứu và thiết kế, phát triển động cơ đốt trong, cũng như các nhà phát
1


triển năng lượng mới, năng lượng tái tạo. Trong đó các nghiên cứu của các nhà khoa học kỹ
thuật trong và ngoài nước đưa các nguồn năng lượng sạch vào động cơ đốt trong để hoạt
động như: khí CNG (Compressed Natural Gas), khí sinh học có nguồn gốc từ động thực vật
(biogas) và sử dụng chất phụ gia nhiên liệu. Ngồi ra giải pháp sử dụng ơ tơ chạy điện, ô tô
lai thay thế ô tô sử dụng nhiêu liệu truyền thống tiên phong trong đó kể đến hãng xe điện
Tesla thành lập năm 2004 hay những loại xe hybrid của hãng Toyota cũng đã giải quyết
được một phần nào đó vấn đề đặt ra. Mặc dù có nhiều ưu điểm vượt trội nhưng xe điện hiện
nay gặp phải hạn chế lớn như phạm vi di chuyển xe điện còn thấp, dung lượng dự trữ thấp,

thời gian nạp lại tốn nhiều giờ và chi phí giá thành cịn đắt ngồi ra các trạm nạp điện cịn ít.
Với việc địi hỏi tiết kiệm nhiên liệu và đáp ứng quy định nghiêm ngặt của các tiêu chuẩn
khí thải các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ động cơ đốt trong truyền
thống. Trong đó dự án động cơ khơng trục khuỷu – Free Piston Engine ra đời kết hợp với
loại máy phát điện tuyến tính sự dụng cụm phát điện mới nhỏ hơn nhẹ hơn với hiệu suất điện
năng lớn, phát thải ô nhiễm thấp hơn động cơ thường. Vì vậy, đề tài “Máy phát điện tuyến
tính piston tự do – Free piston linear generator” được đề xuất thực hiện.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1. Các nghiên cứu ứng dụng trong nước
Gần đây việc các hãng và cơng ty xe lớn đang có xu thế phát triển ngành công nghiệp
xe theo hướng xe điện, xe lai. Trong đó có hãng xe mới mẽ của nước ta là Vinfast sản xuất
những loại xe máy điện như Klara, Impes, Ludo và tương lai sẽ phát triển ô tô điện, ngồi ra
cịn rất nhiều sản phẩm xe điện, xe lai khác trong nước đang được thương mại hóa. Điều đó
cho thấy thị trường xe điện, xe lai ở nước ta ngày càng được mở rộng và phát triển.
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.
Để đáp ứng về nhu cầu đó các trung tâm nghiên cứu và thiết kế ra đời ngày một nhiều
và các trường đại học lớn như: Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chi Minh, Đại học Bách

2