Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

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

Nguyễn Đức Bắc

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO
KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SĨC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2021


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

Nguyễn Đức Bắc

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO
KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SĨC
Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 9520201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG
2. TS TRẦN TUẤN VŨ

Hà Nội – 2021

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm
được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã
được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày
trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ cơng
trình nào khác.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2021

Người cam đoan

Nguyễn Đức Bắc

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Nguyễn Thế Công

TS. Trần Tuấn Vũ

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo
hướng dẫn, của các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện- điện tử - Trường Đại học

Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến nay đã
hồn thành.
Để có luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến
hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Nguyễn Thế Công và TS. Trần
Tuấn Vũ luôn dành nhiều công sức, tâm huyết, thời gian và tận tình hướng dẫn
nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện và Phòng
Đào tạo/ bộ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi
điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất
trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn tới tồn thể thầy, cơ giáo Bộ môn Điện kỹ thuật –
Trường Đại học Xây dựng, nơi tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ để
tác giả thuận lợi về thời gian học tập và nghiên cứu luận án.
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lưu Đức Thạch – Trưởng Khoa Cơ khí
Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian trong quá trình học tập và nghiên
cứu luận án.
Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ, các con và gia đình đã ln động
viên về tinh thần trong những lúc khó khăn nhất để tác giả yên tâm nghiên cứu và
hoàn thành luận án.
Tác giả luận án

Nguyễn Đức Bắc

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................ ii
MỤC LỤC............................................................................................................. iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU............................................................................ v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................... ix
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.................................................................................................... 4
1.1

Tổng quan về động cơ servo.................................................................................... 4
Phân loại động cơ servo............................................................................... 4
Ứng dụng của động cơ servo...................................................................... 4
Các chế độ làm việc của động cơ.............................................................. 5
Sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường............................ 9

1.2

Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo.............................................. 10

1.3

Kết luận chương 1.................................................................................................... 13

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3
PHA............................................................................................................................................... 15
2.1

Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo......................................................... 15
Lý thuyết tối ưu........................................................................................... 15
Tối ưu đa mục tiêu...................................................................................... 16
Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động cơ servo......................................... 25

2.1.3.1. Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế....................................................... 27
2.1.3.2. Xây dựng bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo khơng đồng bộ 3
pha.................................................................................................................................... 27
2.1.3.3. Đặc tính động cơ tối ưu........................................................................... 31

2.2

Mô phỏng phần tử hữu hạn.................................................................................... 34
Lý thuyết nghiêng rãnh rotor.................................................................... 34
Mô phỏng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh thẳng......................... 35

2.3

Kết luận chương 2.................................................................................................... 39

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO............................................ 41
3.1

Phân tích nhiệt trong động cơ................................................................................ 41
iii


Đặt vấn đề
Nguyên lí cơ bản về truyền nhiệt và dẫn nhiệt trong động cơ

41
42

3.1.2.1. Phát nóng và làm nguội trong vật thể đồng nhất

43

3.1.2.2. Độ chênh nhiệt độ theo chiều dày lớp cách điện

43

3.1.2.3. Tản nhiệt trên bề mặt 44
3.2

Mơ hình phát nhiệt của động cơ............................................................................ 46
Đặt vấn đề
Mơ hình nhiệt của động cơ

46
46

3.3

Tính tốn độ tăng nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định................................................. 48

3.4

Mô phỏng nhiệt động cơ......................................................................................... 49
Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc liên tục 50
Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc ngắn hạn 53

3.5

Kết luận chương 3.................................................................................................... 55

CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..................................... 57
4.1

Đặt vấn đề................................................................................................................... 57

4.2

Xây dựng mơ hình 3D động cơ mẫu thử............................................................. 57

4.3

Chế tạo động cơ mẫu thử........................................................................................ 60

4.4

Thử nghiệm động cơ................................................................................................ 62

4.5

Kết quả thử nghiệm và so sánh với mô phỏng.................................................. 63
Kết quả đo mơmen, dịng điện tại một số điểm hoạt động
Kết quả đo nhiệt động cơ

4.6

63
72

Kết luận chương 4.................................................................................................... 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

78

ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 79
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO

80
81

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 89
PHỤ LỤC A 90
PHỤ LỤC B....................................................................................................... 100
PHỤ LỤC C....................................................................................................... 109
PHỤ LỤC D 99
PHỤ LỤC E....................................................................................................... 111
iv


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp gắn liền với sự phát triển của các hệ
thống điều khiển. Xuất phát từ những yêu cầu mới khắt khe, các nhà máy sản xuất
thông minh, tự động với các thiết bị máy móc hiện đại như CNC, robot… đang dần
thay thế các loại máy móc lạc hậu và phương thức điều khiển, vận hành cũ. Xu
hướng này kéo theo nhu cầu sử dụng động cơ servo trong điều khiển truyền động [1]–
[3] đang ngày càng phát triển.
Cách mạng công nghiệp 4.0 được đánh dấu bởi sự xuất hiện và mở rộng không
ngừng của máy móc hiện đại, thiết bị sản xuất thơng minh cùng với bước phát triển
đột phá của nền công nghiệp cơ khí và điện tử chính xác, các hoạt động sản xuất

được giao phần lớn cho robot thực hiện. Việc xuất hiện của động cơ servo đã góp
phần thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu ngành tự động hoá ở nước ta, nhằm tăng chất
lượng sản phẩm, mức độ an toàn, tiết kiệm chi phí nhân cơng và tăng năng suất sản
phẩm. Tự động hóa nói riêng cũng như cách mạng cơng nghiệp 4.0 nói chung là một
xu thế khơng thể đảo ngược.
Hệ thống servo được tích hợp động cơ với bộ điều khiển đặc biệt cần thiết trong
sản xuất hiện đại bởi chúng có khả năng điều khiển chính xác các thiết bị (như cánh
tay robot) ở tốc độ cao với cơ chế cho phép thực hiện 3 loại điều khiển [4],[5]: vị trí,
mơmen, tốc độ hoặc kết hợp các cơ chế điều khiển này.
Động cơ servo là bộ phận quan trọng trong hệ thống servo. Việc thiết kế động cơ
servo phải đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe trong các hệ thống này như mơmen
cao hơn, kích thước nhỏ hơn, thời gian đáp ứng nhanh [6]–[8]. Chính vì vậy,
“Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là
cấp thiết và có tính thời sự.
Động cơ servo địi hỏi nhiều tiêu chí và hoạt động trong một dải mơmen - tốc độ
rộng [9],[10]. Đề tài nghiên cứu thiết kế tối ưu bằng cách tối ưu các thông số kết cấu,
điều khiển trong quá trình hoạt động. Cách tiếp cận này bao gồm kết hợp tối ưu thuật
tốn và mơ hình đa vật lý để đạt được thiết kế tối ưu. Kết quả tối ưu nhận được bằng
mô phỏng và kiểm nghiệm trên mơ hình thực nghiệm.

2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu, thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha trên cơ sở tối ưu
các thông số kết cấu, điều khiển trong quá trình hoạt động của động cơ.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
1


Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha rotor

lồng sóc.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng

bộ 3 pha rotor lồng sóc.
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình mẫu thử ảo.
4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp xây dựng mơ hình, mơ phỏng và thực nghiệm.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không
đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Kiểm nghiệm kết quả bằng phân tích phần tử hữu hạn
và mô phỏng. Chế tạo mẫu thử, thử nghiệm đánh giá kết quả thiết kế tối ưu.
Ý nghĩa thực tiễn
Ở Việt Nam, trong lĩnh vực sản xuất động cơ điện, chủ yếu sản xuất động cơ

không đồng bộ với tốc độ tối đa 3000 (v/ph). Động cơ servo chưa được nghiên cứu
và sản xuất hoàn chỉnh. Việc nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu động cơ servo,
trên cơ sở mô phỏng và thực nghiệm, làm cơ sở cho nghiên cứu, thiết kế, chế tạo loại
động cơ này.
6. Dự kiến các kết quả đạt được
- Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu ngay từ bước mơ hình áp dụng

cho động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha.
- Xây dựng thuật toán tối ưu hai hàm mục tiêu đối với động cơ servo không đồng

bộ 3 pha. Kết quả tối ưu được thể hiện trên phân bổ tối ưu đa mục tiêu Pareto.
- Xây dựng mơ hình mẫu thử ảo thơng qua mơ phỏng nhiệt - điện từ, thử nghiệm

mẫu thử động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha.
7. Kết cấu của luận án

Tồn bộ luận án được chia thành phần mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị và
04 phụ lục, cụ thể các nội dung cơ bản như sau:
Mở đầu
Trình bày lý do để lựa chọn đề tài, mục đích, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý
nghĩa khoa học và các đóng góp dự kiến của luận án.
2


Chương 1: Tổng quan
Trình bày tổng quan về động cơ servo. Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về
động cơ servo. Qua đó chỉ ra các vấn đề cịn tồn tại, đưa ra các vấn đề mà luận án cần
tập trung giải quyết.
Chương 2: Thiết kế tối ưu động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha
Trình bày phương pháp thiết kế tối ưu áp dụng cho động cơ servo. Nội dung
phần này đưa ra phương pháp thiết kế sử dụng các thuật tốn tối ưu hóa, nhằm giảm
các vịng lặp chế tạo mẫu thử tốn kém về chi phí và thời gian của phương pháp thiết
kế truyền thống. Bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo, sử dụng tối ưu hóa đa mục
tiêu với các ràng buộc được chọn để tìm ra kết quả thiết kế tối ưu. Phân bổ Pareto
được đưa ra nhằm giúp người thiết kế lựa chọn kết cấu động cơ phù hợp nhất cho ứng
dụng u cầu.
Chương 3: Mơ phỏng nhiệt động servo
Trình bày nghiên cứu phân tích nhiệt trong động cơ servo ở các chế độ làm
việc khác nhau và các điểm hoạt động khác nhau. Việc áp dụng mô phỏng nhiệt-điện
từ trong quá trình thiết kế, giúp giảm yêu cầu về việc sản xuất nguyên mẫu và thử
nghiệm, vì vậy giảm thời gian nghiên cứu chế tạo sản xuất và chi phí. Dựa trên các
kết quả phân tích nhiệt và giới hạn ngưỡng nhiệt độ của các thành phần trong động

cơ, nhằm lựa chọn phương thức làm mát để động cơ thiết kế vừa tối thiểu hóa khối
lượng vừa đảm bảo mơmen cực đại của động cơ servo.
Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Chương 4 trình bày động cơ mẫu thử được chế tạo và thử nghiệm. Kết quả thử
nghiệm đo các thơng số như mơmen, dịng điện,... tại một số điểm hoạt động khác
nhau sẽ được so sánh với mô hình thiết kế tối ưu. Kết quả đo nhiệt của động cơ cũng
sẽ được so sánh với kết quả phân tích nhiệt trong mơ phỏng.
Kết luận và kiến nghị
Phần cuối cùng của luận án là kết luận về những đóng góp của luận án, những
hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo.
Phụ lục

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về động cơ servo
Phân loại động cơ servo
Động cơ servo được phân loại thành các động cơ servo một chiều, động cơ servo
xoay chiều và động cơ bước [11]. Trong đó động cơ servo xoay chiều có động cơ
servo đồng bộ và động cơ servo không đồng bộ. Sơ đồ phân loại động cơ servo được
biểu diễn ở Hình 1.1.

Hình 1.1. Phân loại động cơ servo

Ứng dụng của động cơ servo
Công nghệ servo ngày càng phát triển vì vậy ứng dụng của động cơ servo [12],[13]
ngày càng được mở rộng. Một số hãng trên thế giới như Siemens, Mitsubishi,
Panasonic đã chế tạo động cơ servo và được ứng dụng trong những ngành cơng
nghiệp địi hỏi độ chính xác cao như: gia cơng kim loại, băng tải, robot, CNC, cửa tự

động. Sau đây là một số ứng dụng phổ biến của động cơ servo trong cơng nghiệp
(Hình 1.2):
+) Cơng nghệ robot: động cơ servo tại mỗi điểm hoạt động của robot được sử dụng
để kích thích và hiệu chỉnh chuyển động, giúp cánh tay robot di chuyển những góc
chính xác.
+) Hệ thống băng chuyền: động cơ servo di chuyển, dừng băng tải chở sản phẩm
theo các giai đoạn khác nhau như trong các dây chuyển đóng gói, đóng chai, dán
nhãn ….
+) Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời: động cơ servo điều chỉnh góc của tấm
pin mặt trời để đảm bảo diện tích chiếu sáng lớn nhất.
+) Máy CNC: động cơ servo cung cấp điều khiển chuyển động chính xác cho máy
CNC, phay, máy tiện, máy cắt…để dập, ép, uốn các tấm kim loại.
4


(b)
(a)

(c)

(d)
Hình 1.2. Một số ứng dụng động cơ servo

Ngồi ra còn rất nhiều ứng dụng của động cơ servo như: cửa tự động, điều khiển vị
trí Ăn-ten trong các đài quan sát thiên văn, máy dệt công nghiệp, các máy in khắc
công nghiệp...
Các chế độ làm việc của động cơ
Các chế độ làm việc của động cơ được phân thành 9 loại biểu thị từ S 1 đến S9 dựa
theo sự liên tục, thời gian làm việc ngắn hạn và theo chu kỳ [14], được thể hiện như
trong Bảng 1.1.

5


Bảng 1.1. Các đặc tính làm việc của động cơ

Stt

Chế độ làm việc

1

Làm việc liên tục: S1

2

Làm việc ngắn hạn: S2

3

Làm việc theo chu kỳ: S3

Đặc tính tải, nhiệt độ

6


4

Làm việc theo chu kỳ xét

đến thời gian khởi
động/tăng tốc: S4

5

Làm việc theo chu kỳ
bao gồm thời gian khởi
động/tăng tốc, tải không
đổi, hãm và thời gian
dừng: S5

Làm việc liên tục với mỗi
chu kỳ bao gồm thời gian
6

khởi động, tải không đổi
và hãm: S6

7


Làm việc liên tục với mỗi
chu kỳ bao gồm thời gian
7

8

hoạt động ở các tải khác
nhau: S7

S9 là chế độ hoạt động
khơng theo chu kỳ, trong
đó tải và tốc độ thay đổi
không theo chu kỳ trong
phạm vi hoạt động cho
phép, bao gồm cả thời
gian quá tải: S8

9

Làm việc đặc trưng cho
tải thay đổi không theo
một chu kỳ nhất định: S9

8


Sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường
Động cơ servo được kết hợp với bộ điều khiển tạo thành hệ thống phản hồi vịng
kín . Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay,
tốc độ và vị trí sẽ được phản hồi về mạch điều khiển [8], [14], 15]. Nếu có bất kỳ lý
do nào đó làm sai lệch giá trị đặt của động cơ, tín hiệu phản hồi sẽ so sánh với tín
hiệu đặt để hiệu chỉnh sự sai lệch này.
Về cơ bản thì một động cơ servo và động cơ thường giống nhau về mặt cấu tạo và
nguyên lý hoạt động. Tuy nhiên, động cơ servo có một số điểm khác biệt hơn so với
động cơ thường [13], [17] cụ thể như:
- Mômen xoắn cao.
- Dải hoạt động rộng.
- Khả năng thay đổi tốc độ lớn hơn.
- Tốc độ và vị trí của động cơ servo có thể được điều chỉnh và kiểm sốt với độ

chính xác cao.
- Trọng lượng thấp, thiết kế nhỏ gọn

So với động cơ công nghiệp thường được thiết kế theo các thông số định mức như
mơmen, điện áp, dịng điện… (điểm
), động cơ servo được thiết kế để hoạt động
trong dải tốc độ rộng nhằm đảm bảo mômen trong hai vùng làm việc cực đại và liên
tục. Đặc tính làm việc mơmen – tốc độ điển hình của động cơ servo được biểu diễn
như Hình 1.3.

Hình 1.3. Đặc tính mơmen – tốc độ của động cơ servo

---- Đường đặc tính cực đại của động cơ
Đường đặc tính làm việc liên tục của động cơ
9


Để xây dựng đường đặc tính liên tục của động cơ người ta phải cho động cơ hoạt
động ở mỗi tốc độ (điểm hoạt động) khác nhau trong một thời gian dài để đạt được
nhiệt độ làm việc ổn định của từng điểm hoạt động. Đây là đường đặc tính hoạt động
chính của động cơ vì nó đảm bảo được các ràng buộc về độ bền cơ và nhiệt. Muốn
nâng cao đặc tính làm việc của động cơ mà vẫn đảm bảo động cơ không bị quá tải
nhiệt, phải dùng các biện pháp làm mát phù hợp như: thêm cánh tản nhiệt, lắp thêm
quạt làm mát cưỡng bức…
Đường đặc tính làm việc cực đại của động cơ có ý nghĩa là động cơ có thể làm việc
ở điểm hoạt động với mômen cực đại. Động cơ không thể làm việc ở đường đặc tính

tối đa trong một thời gian dài vì ràng buộc về nhiệt và cơ.
Động cơ servo hoạt động trong một dải mômen - tốc độ rộng: mômen cao, thiết kế

nhỏ gọn. Vì vậy, việc giảm thiểu khối lượng ở bước thiết kế khơng chỉ giúp giảm chi
phí sản xuất, mà cịn để có mơmen qn tính nhỏ, trong khi vấn đề về nhiệt và năng
suất động cơ được đảm bảo.

1.2 Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các vật liệu bán dẫn dùng
cho điện tử cơng suất, cơng suất tính tốn của các chip điện tử và phương pháp toán
ứng dụng trong động cơ, việc điều khiển chính xác mơmen/tốc độ động cơ trong dải
hoạt động rộng trở nên dễ dàng. Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo trên
thế giới tiếp tục phát triển không ngừng:
Phát triển phần mềm mơ hình hóa và kết nối các hiện tượng đa vật lý (cơ-nhiệt-điện
từ-rung-ồn) trong động cơ bằng các mơ hình giải tích và phần tử hữu hạn với sự thỏa
hiệp giữa cấp chính xác và thời gian tính tốn [18]–[24], cụ thể một số các nghiên
cứu:
- A. Basu, SA Moosavian, R. Morandini (2005) [17] đã trình bày tối ưu động cơ servo

nam châm vĩnh cửu bằng cách tối ưu hóa cơ học kích thước và hình dạng nam châm.
Tác giả đã phân tích các loại hình dạng và vị trí nam châm để có được mơmen xoắn
cao cho động cơ servo. Kết quả lựa chọn được hình dạng nam châm trên rotor để có
mơmen xoắn cao nhất, thử nghiệm mẫu thử để xác nhận kết quả.
- Jean Le Besnerais, Vincent Lanfranchi, Michel Hecquet, Raphael Romary, Pascal

Brochet (2009) [22] trình bày lựa chọn tối ưu của độ mở miệng rãnh stator và rotor
trong động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc để giảm tiếng ồn tạo ra bởi sóng hài.
- Pil-Wan Han, Jae-Hak Choi, Dong-Jun Kim, Yon-Do Chun, Deok-Je Bang (2015)

[25] trình bày phân tích điện từ và nhiệt cho động cơ khơng đồng bộ tốc độ cao. Phân
tích điện từ sử dụng phần tử hữu hạn, phân tích nhiệt sử dụng sơ đồ mạch thay thế.
10

Mơ hình thiết kế cho động cơ có tốc độ 12 00 rpm. Mẫu thử chế tạo và phân tích kết
quả thiết kế điện từ - nhiệt của mơ hình.
- Ji-Young Lee, Byung-Chul Woo, Jong-Moo Kim, Hong-Seok Oh (2017) [23] cung

cấp một thiết kế tối ưu cho động cơ bánh xe. Mục tiêu cải tiến hình dáng lõi sắt stator
của một động cơ nam châm vĩnh cửu để có thể thực hiện việc quấn dây tự động, trong
khi vẫn duy trì các thơng số kỹ thuật của rotor và các đặc tính đầu ra như cơng suất
và hiệu suất. Phương pháp FEA-2D được sử dụng để phân tích điện từ trường trong
quá trình thiết kế. Kết quả thử nghiệm mẫu thử để đánh giá kết quả thiết kế.
Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán tối ưu (SQP - Sequential Quadratic
Programming, GA - Genetic Algorithms, PSO – Particle Swarm Optimization, SpaceMapping) để giải các bài toán thiết kế tối ưu hóa động cơ đơn hoặc đa mục tiêu: giảm
khối lượng/giá, tăng hiệu suất động cơ, tăng mômen cực đại và công suất tại tốc độ
cao [26], [10], [19], [20], [11]–[18], cụ thể một số các nghiên cứu:
- Svante Andersson (2000) [38] đã trình bày tối ưu hóa một động cơ điện đồng bộ

nam châm vĩnh cửu sáu cực với phần nam châm gắn trên bề mặt. Mơ hình động cơ sử
dụng thuật toán SQP để tối ưu với hàm mục tiêu f(x) là giảm chi phí vật liệu. Tác giả
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng, sản xuất mẫu thử và so
sánh.
- D.A.Staton (2001) [39] với nghiên cứu về việc có thể giảm kích thước động cơ servo

nam châm vĩnh cửu sử dụng mô phỏng Motor-CAD. Tác giả đưa ra một số các phân tích
trình bày mơ phỏng nhiệt trong Motor-CAD để giảm kích thước động cơ mà vẫn đảm bảo
độ tăng nhiệt cho phép tương ứng với cấp cách điện lựa chọn của động cơ.
- Mehmet Çunkaş, Ramazan Akkaya (2006) đã nghiên cứu thiết kế tối ưu cho động

cơ 3 pha rotor lồng sóc [40]. Nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền (GA) với các
hàm mục tiêu riêng biệt (đơn mục tiêu) được đặt ra là cực đại mơmen, tối thiểu chi
phí sản xuất và tối đa hiệu suất động cơ. Ba động cơ được thiết kế tối ưu tương ứng

với 3 mục tiêu trên được so sánh với động cơ ban đầu. Dựa vào kết quả sau khi thiết
kế tối ưu, có thể lựa chọn động cơ phù hợp theo yêu cầu mục tiêu đặt ra.
- Damir Zarko, Drago Ban, Davor Gooricki (2009) [41] đã đưa ra cách tiếp cận cải

tiến thiết kế động cơ servo AC đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp phần
tử hữu hạn (FEA), tối ưu hóa động cơ (tối ưu phần nam châm và kích thước rotor)
bằng cách sử dụng thuật toán tối ưu DE (tiến hóa khác biệt). Nghiên cứu đã phân tích
và so sánh kết quả tối ưu của 3 động cơ khác nhau về hiệu suất và chi phí sản xuất so
với một thiết kế có sẵn. Kết quả sau khi phân tích, động cơ có cải tiến thiết kế tốt nhất
có độ tăng nhiệt thấp hơn, mơmen qn tính nhỏ hơn, chi phí thấp hơn.

11


- Fodorean, D., Idoumghar, L. & Szabó, L. (2013) [34] nghiên cứu sử dụng thuật toán

PSO để thiết kế tối ưu một động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM với mục tiêu tối đa
hóa cơng suất đầu ra trong khi yêu cầu khối lượng tối thiểu. Các kết quả sau khi tối
ưu được kiểm nghiệm bằng FEA và thực nghiệm.
- M. Centner (2014) [29] đã đưa ra nguyên lý cơ bản của bài toán tối ưu động cơ nam

châm vĩnh cửu, sử dụng thuật toán NSGA II để tối ưu đa mục tiêu với hàm mục tiêu
cực tiểu chi phí và cực đại hiệu suất. Kết quả đã đưa ra được phân bổ Pareto để giúp
lựa chọn kết quả thiết kế phù hợp.
- Xia, B., Ren, Z., Zhang, Y. & Koh, C. S. (2014) [37] trình bày một giải pháp tối ưu

hóa sử dụng mơ hình Kriging và thuật tốn di truyền GA sử dụng để thiết kế tối ưu
các thiết bị điện từ. Thơng thường, các thuật tốn ngẫu nhiên có thể tìm ra tối ưu tồn
cục, tuy nhiên khối lượng tính tốn lớn, khơng gian tìm kiếm rộng. Trong phương
pháp này, hàm mục tiêu được đánh giá gián tiếp bởi các hàm nội suy, sử dụng mơ

hình Kriging để dự đoán giá trị tại các điểm chưa biết bằng cách tính tốn trung bình
có trọng số của các mẫu đã biết để giảm khơng gian tìm kiếm.
- Stjepan Stipetic and Werner Miebach, Damir Zarko (2015) [42] trình bày tầm quan

trọng của tối ưu hóa. Bài viết trình bày tổng quan các quy trình tối ưu hóa, các thuật
tốn tối ưu hóa để đạt được thiết kế tối ưu trong máy điện (như PSO, GA...). Đối với
quá trình thiết kế máy điện, thiết kế tối ưu là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế máy điện
hiện đại. Trước đây, các kỹ sư chủ yếu dựa vào kinh nghiệm để thiết kế máy phù hợp
với một số mục đích cụ thể. Cách tiếp cận này đảm bảo đạt được một thiết kế đầy đủ
nhưng không đảm bảo thiết kế tối ưu. Mục tiêu của q trình tối ưu hóa có thể là
giảm thiểu giá thành hoặc khối lượng hay tối đa hóa hiệu suất.
- Erkan Mese, Yusuf Yasa, Baris T. Ertugrul, Eyyup Sincar (2015) [43] đã nghiên cứu

so sánh thiết kế một động cơ servo AC nam châm vĩnh cửu có mơmen cao, tốc độ
thấp cho tháp pháo của một trạm vũ khí với một động cơ có sẵn có cùng đường kính
ngồi và chiều dài stator. Động cơ được thiết kế có 36/32 rãnh/cực kết hợp với cuộn
dây tập trung trong khi của động cơ có sẵn có 39/12 rãnh/cực với cuộn dây phân tán.
Kết quả chỉ ra động cơ thiết kế có diện tích phần mơmen khơng đổi lớn hơn nhiều và
độ tăng nhiệt thấp hơn so với động cơ 39/12 rãnh/cực.
- Xiaoyu Liu, Qifang Lin and Weinong Fu (2017) [44] đã trình bày mơ hình chung

mới của sự sắp xếp nam châm, tạo ra nhiều loại cấu trúc rotor khác nhau. Mơ hình
chung có thể tạo ra ít nhất sáu kiểu sắp xếp nam châm được sử dụng phổ biến nhất.
Sau khi tối ưu hóa bằng PSO, cấu trúc của stator tạm thời đạt được mức tối ưu. Sau
đó, q trình tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng thuật tốn NSGA-II. Khi q trình tối ưu
hóa hoàn tất, trong bộ giải pháp Pareto, một giải pháp tối ưu cuối cùng được chọn

12

là thiết kế của động cơ. Cuối cùng, kết quả mô phỏng so sánh với kết quả thực
nghiệm, điều này cho thấy mơ phỏng là chính xác.
- Yao Duan, Ronald G. Harley (2011) [32] đã đưa ra một thiết kế và phương pháp tối

ưu hóa động cơ khơng đồng bộ sử dụng thuật toán PSO, với hàm mục tiêu hiệu suất.
Q trình thiết kế đảm đáp ứng các thơng số kỹ thuật mà khơng phải tính tốn lặp lại.
Mặt khác miền các biến thiết kế bị giới hạn một số yếu tố như vật liệu thép, dung sai,
hạn chế về nhiêt và làm mát, dẫn đến khơng gian tìm kiếm được hạn chế hơn so với
thiết kế truyền thống. Chính vì lẽ đó, thời gian tính tốn nhanh hơn so với phương
pháp thiết kế máy truyền thống trước đây. Kết quả tối ưu được xác minh bởi phân
tích phần tử hữu hạn.
- Abbas Shiri, Abbas Shoulaie, (2012) [45] đề xuất một quy trình để thiết kế tối ưu

động cơ khơng đồng bộ sử dụng thuật tốn di truyền. Mơ hình thiết kế được xây dựng
để xem xét ảnh hưởng của các biến thiết kế khác nhau đến hiệu suất của động cơ. Từ
các biến thiết kế mơ hình đưa ra các giải pháp lựa chọn khác nhau. Từ đó tính toán
hàm mục tiêu với những giải pháp thõa mãn các ràng buộc. So sánh giá trị các hàm
mục tiêu sẽ có kết quả tối ưu. Kết quả tối ưu được kiểm nghiệm bằng mơ hình phần
tử hữu hạn.
- S. S. Sivaraju, Fernando J. T. E. Ferreira, N. Devarajan (2012) [33] đã trình bày

phương pháp tối ưu hiệu suất động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc sử dụng
thuật tốn di truyền GA với một số biến như kích thước dây dẫn, mật độ dịng stator,
mật độ từ thơng khe hở khơng khí. Kết quả đạt được động cơ tối ưu có hiệu suất lớn
hơn và độ tăng nhiệt thấp hơn.
- J. Buschbeck, M. Vogelsberger, A. Orellano, and Erich Schmidt (2016) [28] đã trình

bày một phương pháp tối ưu động cơ không đồng bộ kết hợp điện từ - nhiệt sử dụng
trong bộ truyền động lực kéo công suất lớn. Các phân tích điện từ và nhiệt được thực
hiện bằng FEA. Một Pareto được xác lập bởi dòng điện từ hóa và nhiệt độ (phụ thuộc

hình dạng các ống dẫn làm mát).

1.3 Kết luận chương 1
Nội dung chương 1 đã trình bày tổng quan về động cơ servo, các ứng dụng, đặc
tính làm việc, phân loại và sự khác nhau giữa động cơ servo và động cơ thường. Phân
tích các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo. Dựa trên kết quả các nghiên cứu
về thiết kế tối ưu động cơ servo, đề tài “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo
không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là cấp thiết với các kết luận:
Các nghiên cứu tối ưu đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc
khơng có nhiều, các bài toán tối ưu chủ yếu là các mục tiêu riêng biệt như giảm khối
lượng hay tăng hiệu suất của động cơ…
13


Các nghiên cứu chưa sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo
không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc kết hợp mơ hình hóa mẫu thử ảo để giảm thời
gian tính tốn và các vịng lặp chế tạo mẫu. Do đó, dẫn đến việc tiết kiệm được chi
phí chế tạo mà phương pháp thiết kế máy điện truyền thống khơng làm được.
Từ đó tác giả đề xuất hướng nghiên cứu với các bước tiến hành của luận án như sau:
- Nghiên cứu thiết kế tối ưu hai mục tiêu đối với động cơ servo: cực đại mômen,

cực tiểu khối lượng, xác định phân bổ Pareto.
- Kiểm nghiệm thiết kế bằng mô phỏng phần tử hữu hạn FEA.
- Mô phỏng nhiệt động cơ.
- Sản xuất mẫu thử prototype động cơ servo, đo đạc, thử nghiệm, so sánh kết quả.

14


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG

ĐỒNG BỘ 3 PHA
2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo
Lý thuyết tối ưu
Việc tối ưu hóa hay tìm giá trị cực đại (hoặc cực tiểu) của một mục tiêu được thay
bằng mơ hình tốn học của u cầu (mục tiêu) đó giúp giải quyết một cách logic hơn.
Nó phải xác định chính xác bằng các cơng thức [11]:

R

Các hàm mục tiêu (f1(X), f2(X), ...) là một hoặc nhiều tiêu chí xác định mục tiêu, có
thể là để giảm thiểu chi phí (sản xuất, tiêu hao điện năng, ...), giảm thiểu tác động
môi trường (cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, khí thải, hiệu ứng nhà kính ...) hoặc để
tối đa hóa hiệu suất, mơmen, cơng suất...
Các biến hoặc các tham số thiết kế (X = {x1, x2, ..., xn}) là các đại lượng đầu vào có
ảnh hưởng đến hiệu suất, khối lượng, mômen của động cơ. Các thông số này sẽ được
thay đổi trong quá trình lặp lại của thiết kế tối ưu. Chẳng hạn như kích thước hình
học của stator, rotor, số vịng dây quấn, tính chất vật liệu, ... Việc lựa chọn số lượng
các biến cũng là vấn đề của tối ưu hóa. Có thể thay đổi một số lượng lớn các biến
thiết kế để tăng khơng gian tìm kiếm nhưng q trình tối ưu hóa sẽ lâu hơn và khó hội
tụ hơn.
Các ràng buộc (gj(X), hk(X)) liên quan đến đa lĩnh vực như cơ, nhiệt, điện từ, điều
khiển, được thể hiện trong các thông số kỹ thuật của máy. Ví dụ, hiệu suất của động
cơ phải cao để nâng cao hiệu quả về mặt năng lượng, nhiệt độ cuộn dây phải thấp hơn
giới hạn tăng nhiệt của lớp cách điện, dòng điện cần thiết để thực hiện mơmen cực
đại khơng vượt q dịng điện tối đa cho phép bởi bộ điều khiển và công suất lớn nhất
ở tốc độ cao phải lớn hơn hoặc bằng với yêu cầu kỹ thuật cho động cơ servo v.v.
15


Tương tự, trong q trình tối ưu hóa, người thiết kế có thể thêm nhiều ràng buộc

khơng được thể hiện trong các thông số kỹ thuật nhưng ngầm hiểu để đảm bảo thiết
kế tối ưu tính tốn khả thi trong sản xuất. Ví dụ, một ràng buộc như là hệ số lấp đầy
phải được thêm vào để đảm bảo rằng dây quấn khơng được vượt q rãnh stator, mật
độ dịng điện lớn nhất để đảm bảo về nhiệt cho động cơ. Những ràng buộc được thêm
vào đảm bảo tính phù hợp của mơ hình đã chọn.
Tối ưu đa mục tiêu
Thơng thường, các nhà thiết kế phải đối mặt với nhiệm vụ thiết kế các ứng dụng
công nghiệp để đáp ứng một tập hợp các yêu cầu, đa mục tiêu. Tối ưu hóa hai mục
tiêu là một trường hợp cụ thể trong tối ưu hóa đa mục tiêu [46],[47], trong đó có thể
lựa chọn tối ưu kích thước giúp chi phí của hệ thống ở mức tối thiểu đồng thời tối ưu
mômen cực đại hay hiệu suất với tập hợp các ràng buộc đồng thời [48].
Giải quyết vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khơng dẫn đến một giải pháp tồn cục
duy nhất. Do tính chất mâu thuẫn của các mục tiêu, có thể có được số lượng giải pháp
vơ hạn trong đó mỗi giải pháp duy nhất gán các mức độ ưu tiên khác nhau cho các
mục tiêu. Các giải pháp được gọi là điểm trong phân bổ tối ưu Pareto [49], [50].
Điểm tối ưu trong phân bổ Pareto được định nghĩa như sau:
tiêu.

Điểm x*∈ X là tối ưu Pareto khi và chỉ khi không tồn tại điểm khác x ∈ X , sao cho f(x) ≤ f(x*) và fi(x) < fi(x*) cho ít nhất một hàm mục

Hình 2.1 thể hiện tối ưu hai mục tiêu được định nghĩa bởi biểu đồ phân bổ
Pareto.

Hình 2.1. Biểu đồ phân bổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto

16


Sau đó, tùy thuộc vào người ra quyết định để chọn một điểm từ biểu đồ phân
bổ tối ưu Pareto. Tuy nhiên, việc tạo ra toàn bộ hoặc một phần của phân bổ tối ưu

Pareto là chuyên sâu về mặt tính tốn. Điều này thể hiện khi áp dụng cho bài toán tối
ưu với số lượng mục tiêu lớn hơn hai, dẫn đến phân bổ tối ưu Pareto ba hoặc nhiều
chiều. Trong các trường hợp đó, người ra quyết định nên chỉ định các ưu tiên được
xác định rõ ràng về các mục tiêu hoặc tầm quan trọng tương đối của các mục tiêu
khác nhau.
Có hai họ phương pháp tối ưu hóa chính [29]–[37]: phương pháp đạo hàm và
phương pháp ngẫu nhiên:
- Các phương pháp đạo hàm: thuật toán Simplex Nelder-Mead, Quy hoạch đa

thức bậc 2 (SQP - Sequential Quadratic Programming),… [51], [52], dựa trên hướng
tìm kiếm xuất phát từ một điểm ban đầu. Để tìm giá trị tối ưu, chúng dựa trên hướng
tìm kiếm được cung cấp bởi các đạo hàm của hàm mục tiêu. Phương pháp cho hội tụ
nhanh chóng nhưng có thể là hội tụ cục bộ. Khi đó có thể thay đổi điểm ban đầu, nếu
các hướng tìm kiếm ln cho cùng một kết quả hội tụ, đó là tối ưu tồn cục.
- Các phương pháp ngẫu nhiên: thuật tốn di truyền (GA), tối ưu hóa dòng hạt

(PSO), v.v. [52]–[54] dựa trên cơ chế chuyển đổi ngẫu nhiên và xác suất giúp khám
phá khơng gian tìm kiếm một cách thơng minh và có thể hội tụ đến tối ưu toàn cục.
Chúng yêu cầu một số lượng lớn các đánh giá của hàm mục tiêu, do đó, thời gian tính
tốn rất lớn so với các phương pháp đạo hàm .
Thuật toán quy hoạch đa thức bậc 2 (SQP) [55], [39, 40] là một trong những
phương pháp hiệu quả để giải quyết các vẫn đề tối ưu hóa ràng buộc phi tuyến.
Phương pháp hội tụ và thời gian tính tốn nhanh. Đây là phương pháp lặp, thuộc
nhóm phương pháp tìm kiếm theo đạo hàm. Để bắt đầu vịng lặp, cần chọn một điểm
ban đầu, véc tơ gradient chỉ ra hướng tìm kiếm tiếp theo. Các thơng tin về gradient,
hàm mục tiêu và các ràng buộc phải thỏa mãn điều kiện liên tục, khả vi đồng thời giá
trị trả về của các hàm số và đối số phải là giá trị thực. Thuật tốn SQP có thể sử dụng
hàm Fmincon thuộc Optimization Toolbox của Matlab để giải. Để tránh việc thuật
tốn có thể cho kết quả hội tụ cục bộ, trong quá trình chạy tìm kiếm kết quả tối ưu,
thay đổi điểm ban đầu để kiểm tra kết quả hội tụ. Nếu khi thay đổi các điểm ban đầu

khác nhau mà thuật tốn cho cùng một kết quả, đó là kết quả tối ưu toàn cục.
Nội dung cơ bản của thuật toán quy hoạch đa thức bậc 2 bắt ngồn từ Wilson
(Wilson -1963) và được phổ biến bởi Han (Han-1977) và Powell (Powell-1978)
<

17


( )=0
()≤0

Trong đó x là vector của tham số thiết kế, f(x) là hàm mục tiêu, m,n là số lượng
các ràng buộc, ưu điểm của quy hoạch đa thức bậc 2 là khả năng giải quyết các vấn
đề với các ràng buộc phi tuyến. Hàm ràng buộc phi tuyến Lagrangian cho bài toán
phi tuyến được biểu diễn như sau:
L(x, λ) = f(x) + ∑ λ ∗ ( )

Ý tưởng của phương pháp quy hoạch đa thức bậc 2 là mô hình hóa bài tốn phi
k

tuyến (2.5)-(2.7) ở một giải pháp gần đúng nhất định, giả sử x bằng một bài tốn quy
hoạch bậc 2. Sau đó sử dụng giải pháp cho bài toán con này để xây dựng một xấp xỉ
tốt hơn x

k+1

.

Quá trình này được lặp lại để tạo ra một chuỗi các xấp xỉ sẽ hội tụ đến giải pháp
*

tối ưu x .
Ý tưởng chính của quy hoạch đa thức bậc 2 là xây dựng bài toán con bậc 2 dựa

trên một xấp xỉ của hàm Lagrangian L(x, λ) của (2.8) và bằng cách tuyến tính hóa các
ràng buộc phi tuyến của (2.5)-(2.7).

Ràng buộc:
r (

r (

Trong đó Hk là một xấp xỉ của ma trận Hessian của hàm Lagrangian L(x, λ) tại . Ban đầu, ma trận Hk là ma
trận đơn vị và được cập nhật trong các lần lặp lại tiếp theo bằng phương pháp BFGS (Nocedal và Wright 2006).

Bài toán con quy hoạch đa thức bậc 2 (2.9)-(2.11) được giải bằng cách sử dụng
phương thức thiết lập hoạt động Quadratic Programming. Các giải pháp của chương
18


k+1

trình con từ (2.9)-(2.11), sau đó được sử dụng để tạo thành một xấp xỉ mới x
sau:

như

= +λ ∗s

Trong đó α là tham số độ dài bước, được xác định bởi quy trình tìm kiếm sau:

(k)
+ Bước 1: ban đầu cho α(k+1)
= 1.

+ Bước 2: tính tốn xấp xỉ mới

+ Bước 3: nếu điều kiện (

+

.

(k+1)

)<(

(k)

) được thỏa mãn thì chuyển sang bước 5, nếu khơng thì thực hiện bược 4.

Bước 4: độ dài bước giảm một nửa tức là α(k) = 0,5α(k) tiếp theo chuyển đến

bước 2.- Bước 5: chiều dài bước α đã tìm được.

Một trong các phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu hiệu quả là thuật
toán ràng buộc ɛ (ɛ-constraint) [48]. Trong phương pháp này, một trong các hàm mục
tiêu được chọn để tối ưu hóa f1(x) trong khi các hàm khác f2(x), f3(x) được chuyển
thành các ràng buộc bổ sung biến bài toán đa mục tiêu thành đơn mục tiêu, dẫn đến
một giải pháp được chứng minh là luôn tối ưu trong phân bổ Pareto. Thay đổi có hệ
thống các giá trị của hàm mục tiêu thành các ràng buộc bổ sung f2(x) ≤ {ɛ1, ɛ2,.., ɛn}

dẫn đến việc tạo ra một biên giới Pareto phân bố đều. Đồ thị tượng trưng sử dụng
thuật tốn ɛ-constraint được thể hiện trong Hình 2.2.

Hình 2.2. Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ -constraint [48]

19