Sử dụng thép vô định hình cải thiện ảnh hưởng của lực xuyên tâm trong động cơ từ trở

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 43 SỬ DỤNG THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH CẢI THIỆN ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC XUYÊN TÂM TRONG ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ USING AMORPHOUS STEEL TO IMPROVE RADIAL FORCE IN SWITCHED RELUCTANCE MOTORS Phí Hoàng Nhã1, 2, Phạm Hùng Phi1, Đào Quang Thủy3 1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phihoangnha@gmail.com 2Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 3Bộ Khoa học và Công nghệ Tóm tắt - Động cơ từ trở là động cơ có nhiều ưu điểm nhưng nhiều ứng dụng của nó bị hạn chế bởi tiếng ồn. Một trong những nguồn gốc của tiếng ồn là do rung động của các lá thép trên gông stator, gây ra bởi lực xuyên tâm trong động cơ. Sự rung động càng mạnh và tiếng ồn càng lớn khi xảy ra cộng hưởng giữa tần số của lực xuyên tâm và tần số tự nhiên của stator. Vì vậy, bài báo tiến hành phân tích, tính toán, đánh giá vai trò và ảnh hưởng của lực xuyên tâm trong động cơ từ trở. Đồng thời, nhóm tác giả thảo luận phương pháp thay đổi hình dạng gông stator và đề xuất giải pháp mới là sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo stator thay thế thép silic nhằm cải thiện rung động trong động cơ, giảm tiếng ồn. Abstract - Switched reluctance motor has many advantages but its application is limited by the noise. One of the causes of this noise is the vibration of the steel laminate on the stator yoke which is caused by radial force in the motor. The vibration and the noise become stronger when exists a resonance between the frequency of the radial force and the natural frequency of the stator. Therefore, in this article the role and the influence of radial force in the switched reluctance motor will be analyzed, calculated and evaluated. At the same time, the authors discuss some methods of changing the shape of yoke stator and put forward new suggestions about using amorphous materials to improve the vibration and reduce the noise. Từ khóa - động cơ từ trở; lực xuyên tâm; vật liệu vô định hình; SRM; tần số cộng hưởng. Key words - switched reluctance motor; radial force; amorphous materials; SRM; resonance frequency. 1. Giới thiệu Động cơ từ trở (SRM) được ứng dụng ngày càng rộng rãi do cấu trúc đơn giản, độ bền cao, tốc độ làm việc lớn, khả năng chịu quá tải tốt và nhiệt độ phát nóng thấp. Tuy nhiên, một số ứng dụng công nghiệp và gia dụng bị hạn chế do sự rung động và tiếng ồn tạo ra bởi hệ thống. Hệ thống SRM phát ra tiếng ồn cao hơn so với các hệ thống truyền động khác. Vì vậy, rung và tiếng ồn trong SRM đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây. Nguồn gốc của tiếng ồn trong động cơ từ trở được chỉ ra là do rung động của stator. Trong động cơ tồn tại lực điện từ xuyên tâm, tập trung khá mạnh giữa cực rotor và stator, đặc biệt với cấu trúc cực lồi như SRM, lực xuyên tâm (lực hướng kính) càng mạnh. Chính lực hút xuyên tâm này dẫn đến rung stator. Nhiều công trình đã chỉ ra nguồn gốc của tiếng ồn [1] và hầu hết đều chấp nhận rằng lực xuyên tâm (lực hướng kính) là nguồn gốc chính của rung và ồn trong động cơ từ trở. Bài báo phân tích, tính toán lực xuyên tâm, đánh giá vai trò và ảnh hưởng của lực xuyên tâm trong động cơ từ trở. Đồng thời, nhằm nâng cao hiệu suất cho động cơ từ trở bằng cách giảm độ rung và tiếng ồn, nhóm tác giả đề xuất giải pháp mới – sử dụng vật liệu vô định hình trong chế tạo động cơ. Với tính chất hóa lý đặc biệt, vật liệu vô định hình có thể cải thiện đáng kể được rung động trong stator bằng cách giảm tần số tự nhiên, hạn chế sự cộng hưởng giữa tần số của lực xuyên tâm và tần số tự nhiên của máy. 2. Lực xuyên tâm trong động cơ từ trở 2.1. Vai trò của các lực Khi cuộn dây stator của động cơ từ trở được kích thích tuần tự làm quay rotor, lực tiếp tuyến và lực xuyên tâm được sinh ra giữa cực stator bị kích thích và cực rotor đối diện. Hình 1 là một ví dụ của phân tích từ thông trong khe hở không khí của loại động cơ SRM 6/4 – 3 pha. Trong vùng gối chồng của cực stator và rotor, đường từ thông vuông góc với mặt cực và lực điện từ hoạt động như là lực hút theo hướng xuyên tâm. Lực xuyên tâm làm biến dạng stator, do đó tạo ra tiếng ồn. Mặt khác, đường từ trường nghiêng được tìm thấy gần mép cực stator và rotor, có thể được phân tích thành các thành phần tiếp tuyến và xuyên tâm như thể hiện trong Hình 1 [2]. Các lực từ tương ứng là lực xuyên tâm fR biến dạng gông stator và lực tiếp tuyến fT. Hai lực này hình thành nên một hợp lực fN (theo nguyên tắc tổng hợp lực hình bình hành) hoạt động như mô-men quay, làm quay rotor. Như vậy, lực tiếp tuyến có vai trò sinh ra mô-men làm quay rotor và lực xuyên tâm là lực hút giữa các cực rotor, stator. Hình 1. Đường từ thông Hình 2 cho thấy phân tích phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) của phân bổ lực tiếp tuyến và xuyên tâm dọc theo khe hở không khí dưới sức từ động (mmf) 600 A, ở đó cực tính của lực tiếp tuyến bị đảo ngược. Lực xuyên tâm fR được sinh ra trong toàn bộ vùng gối chồng của cực stator và rotor, và lực tiếp tuyến fT được sinh ra tại mép của cực stator và rotor. 44 Phí Hoàng Nhã, Phạm Hùng Phi, Đào Quang Thủy Hình 2. Phân bổ lực xuyên tâm và tiếp tuyến [2] Lực xuyên tâm là lực hút giữa các cực rotor và stator, lực hút đạt giá trị lớn nhất khi hai cực stator, rotor thẳng hàng nhau. Như vậy, lực xuyên tâm gia tăng với sự gia tăng diện tích vùng gối chồng giữa cực stator và cực rotor, tỷ lệ nghịch với khe hở không khí. Khi sử dụng cấu trúc SRM thông thường, việc lựa chọn vùng dẫn của cuộn dây stator đòi hỏi sự cân bằng giữa mô-men và lực xuyên tâm như Hình 3 [3]. Vùng từ θ1 tới θ3 là vùng sinh ra mô-men. Vùng từ θ2 tới θ4 là vùng sinh ra lực xuyên tâm. Khu vực xếp chồng giữa vùng sinh ra mô-men quay và lực xuyên tâm là từ θ2 tới θ3. Đây là vùng tốt nhất cho động cơ hoạt động. Vùng này càng lớn càng tốt, ở đó có đủ mô-men và lực xuyên tâm có thể được sản sinh tại cùng thời điểm. Tuy nhiên, vùng xếp chồng này là rất hẹp do cấu tạo vốn có của SRM. Theo đó, cả hai khu vực sản sinh ra mô-men quay và lực xuyên tâm không thể được sử dụng hiệu quả. Điều này cũng có nghĩa là mô-men hoặc lực xuyên tâm có thể tăng lên với giá trị dòng điện lớn, dẫn đến tổn hao đồng cao hơn và vấn đề về nhiệt. Hình 3. Thời điểm hình thành điện cảm, mô-men và lực xuyên tâm Hình 4. Lực xuyên tâm và mô men [2] Hình 4 cho thấy rõ hơn mối quan hệ giữa mô-men và lực xuyên tâm trong động cơ từ trở. Mô-men được sinh ra đạt giá trị lớn nhất không phải tại vùng thẳng hàng giữa cực stator và cực roto, trong khi lực xuyên tâm đạt giá trị lớn nhất tại vùng này. Khi đó, tại vùng sinh ra mô-men âm - vùng không cần thiết cho sự hoạt động của động cơ, lực xuyên tâm đạt giá trị cực đại. Lực xuyên tâm sẽ hút và giữ các cặp cực rotor, stator. Trong trường hợp lực xuyên tâm được sinh ra ở các cực đối diện không bằng nhau, lực này sẽ làm biến dạng stator, làm lệch khe hở không khí, gây mất cân bằng, tạo ra tiếng ồn. Đây là điều không mong muốn trong hoạt động của SRM. 2.2. Tính toán lực xuyên tâm Việc tính toán lực xuyên tâm được dựa trên phương trình Maxwell Stress Tensor [4]. Bỏ qua sự bão hòa từ trường, giả sử các đường từ thông được xác định và phù hợp cho việc áp dụng Maxwell Stress Tensor. Cùng với sự lựa chọn thích hợp tích phân từng phần xung quanh các bề mặt cực riêng lẻ, Maxwell Stress Tensor cung cấp một tính toán trực tiếp cho các lực xuyên tâm. Theo phương trình Maxwell Stress Tensor như trong (1) và (2), lực tổng hợp FN và lực tiếp tuyến FT tại một cặp cực stator và rotor như sau: 2 2 0 1 ( ) 2 N N T s F B B dA  = − (1) 0 1 2 T N T s F B B dA  =  (2) Trong đó, BN, BT là thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của mật độ từ thông, tương ứng, μ0 là độ từ thẩm không khí lấy bằng độ từ thẩm chân không. Hình 5. Ứng dụng của Maxwell Stress Tensor trong tính toán lực xuyên tâm và lực tiếp tuyến Để minh họa, hãy xem xét sự phân bố của hai cực như được chỉ ra trong sơ đồ biểu diễn đơn giản của Hình 5. Giả thiết các đường sức từ trường có phân bố như trên Hình 5. Biên dạng bao quanh được lựa chọn sao cho các đường từ thông hoặc vuông góc hoặc song song với biên dạng. Dưới những điều kiện này, phương trình Maxwell Stress (1) đơn giản hóa như sau: Với các đường từ thông vuông góc, thành phần BT bằng 0, lực FN là: 2 0 1 2 N N s F B dA  =  (3) Với các đường từ thông song song, BN bằng 0, lực FN trở thành: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 45 2 0 1 2 N T s F B dA  = − (4) Áp dụng các phương trình này cho biên dạng được xác định trong Hình 5. Kết quả theo các lực lượng xuyên tâm và tiếp tuyến tiếp hoạt động trên một cực rotor: ( ) 2 3 5 6 2 2 2 2 1 2 0 1 2 4 5 2 2 2 1 12 23 45 2 56 0 2 ( ) 2 stack radial f m m f stack f m f L F B dl B dl B dl B dl L B l B l l B l     = + + +    = + + +     (5) 4 2 2 tangential 34 0 03 2 2 stack stack m m L L F B dl B l   = − =− (6) Trong đó, Bf1, Bf2 và Bm lần lượt là từ trường bao quanh khe hở không khí 1, 2 và từ trường khe hở chính. Như vậy, lực xuyên tâm là tương đương với tích phân 2 02 radialB  trên diện tích bề mặt của khe hở không khí và lực tiếp tuyến là tương đương với W    , W là năng lượng lưu trữ trong vùng gối chồng cực stator và rotor của khe hở không khí. Hình 6. Lực hút sinh ra bởi cực A1 Phương trình (5), (6) dựa trên Maxwell Stress Tensor chưa đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của điện cảm L, bởi L thay đổi phụ thuộc vào góc pha và thời gian [5]. Do đó, phương trình tính lực xuyên tâm là chưa hoàn toàn chính xác. Để xây dựng phương trình lực xuyên tâm trong động cơ từ trở có xét đến điện cảm L(φ, t), lực hút sinh ra tại một cực bất kỳ được phân tích. Hình 6 biểu diễn lực hút tại một cực A1 khi cuộn dây được kích hoạt. Từ trường đi qua vùng gối chồng của cặp cực (stator, rotor) cũng như vùng không gối chồng tới vùng bao quanh, điện cảm được mô tả như sau: 2 0 0( ) stack A fr N L R L K g  = + (7) Trong đó: Kfr là hằng số cho điện cảm viền bao quanh, N là số vòng dây, Lstack là chiều dài lá thép stator, R là bán kính rotor, g là chiều dài khe khí, θ0 và θu0 là góc gối chồng và góc không gối chồng của cực rotor, stator. Khe hở không khí được giả định là đồng đều theo phân tích. Trừ trường hợp vị trí thẳng hàng, lực hút giữa răng stator và rotor không song song với cực stator. Với động cơ SRM 6/4 – 3 pha, tại một thời điểm một pha dẫn, chỉ có một cặp cực stator – rotor thẳng hàng. Gắn tọa độ ở cặp cực lần lượt là A1 và A2 tương ứng. Gốc tọa độ nằm ở trung tâm khu vực cực rotor gối chồng. Như Hình 6, biên độ và góc của lực hút cho cực A1 là _ 1N AF và θϕ. Từ (7), _ 1N AF có thể được xấp xỉ như sau: 2 _ 1 0 1( )N A F fr AF K K i= + (8) Trong đó, 2 0 24 4 stackA F N L RL K g g  = = . Lưu ý rằng, _ 1N AF tỷ lệ với bình phương dòng điện và thay đổi với θr như θ0 là hàm của góc rotor. Góc lực θϕ bằng 90° khi cực rotor và stator là thẳng hàng, nhưng lệch từ 90° do từ thông bao quanh tại vị trí không gối chồng khi các cực là không thẳng hàng. Góc lệch có thể được tính toán ở vùng gối chồng và vùng không gối chồng cực rotor, stator một cách độc lập và tập trung. Do đó, góc của hệ thống lực có thể xác định theo biểu thức sau: 0 0 90o u ang fr K K     = + + (9) Trong đó, Kang là hằng số. Lưu ý rằng, θu0 có giá trị dương khi rotor nằm trong vùng tăng của điện cảm và có giá trị âm ở vùng điện cảm giảm; thuật ngữ Kang là góc lệch do từ thông ở viền. Các thành phần lực tiếp tuyến và xuyên tâm tại răng cực A1 được biểu diễn như sau: _ 1 _ 1 _ 1 _ 1 os sin T A N A R A N A F F c F F     = = (10) Trong phương trình này, _ 1R AF đại diện cho lực xuyên tâm sinh ra bởi cực A1. Khi tất cả các cực trong pha A được kích hoạt bởi cuộn dây stator, lực xuyên tâm đầy đủ được tính bằng tổng các véc-tơ lực được tạo ra ở tất cả các cực được kích thích. Đối với SRM 6/4, lực xuyên tâm trong động cơ là tổng hợp lực xuyên tâm sinh ra ở hai cặp cực A1 và A2 (tại cùng một thời điểm), được biểu diễn như sau: 2 2 _ 1 _ 2 0 1 2( )sin ( )radial R A R A F fr A AF F F K K i i = − = + − (11) 3. Ảnh hưởng của lực xuyên tâm trong động cơ từ trở 3.1. Tần số tự nhiên và tần số cơ bản Tất cả các hình dạng của gông stato đều có tần số tự nhiên của nó [6]. Phương pháp véc-tơ Newton, phương pháp năng lượng và phương pháp Lagrange là một số phương pháp cơ bản cho phép tính toán tần số tự nhiên. Chế độ tần số là hàm của ma trận khối lượng và độ cứng của hệ thống bao gồm năng lượng động học và năng lượng điện thế. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một số công thức khác nhau để ước tính chế độ tần số chu vi của stator theo các phương pháp cơ bản. Một công thức được phát triển bởi Jordan, Frohne và Uner để ước tính chế độ tần số chu vi có tính đến ảnh hưởng của biến dạng, quán tính quay, răng và cuộn dây được sử dụng trong nghiên cứu này. Theo đó, tần số tự nhiên của động cơ khi ở chế độ chưa có rung động là: 0 1 ( ) 2 s m m s E f Hz R  = =  (12) Trong đó, fm=0 là tần số tự nhiên ở chế độ không rung, Rm là bán kính trung bình của gông stator, Es là mô-đun 46 Phí Hoàng Nhã, Phạm Hùng Phi, Đào Quang Thủy đàn hồi của vật liệu, ρs là mật độ của vật liệu, Δ là ma trận hệ số bổ sung của dịch chuyển. Sự rung động của stator chiếm ưu thế khi tần số kích thích của sóng hài lực xuyên tâm bằng hoặc gần bằng với chế độ tần số tự nhiên. Tần số của lực xuyên tâm chủ yếu là tần số kích thích cho gông stator, có thể được biểu diễn như sau: ex . ( ) . . 2 m r c p P f n n f n   = = (13) Trong đó: fexc(n) là tần số kích thích, n là số bậc sóng hài, fp là tần số cơ bản của dòng điện pha, ωm là tốc độ của động cơ, Pr là số cực rotor. 3.2. Ảnh hưởng của lực xuyên tâm Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra nguồn gốc tiếng ồn trong động cơ từ trở, và hầu hết đều chấp nhận rằng lực hút xuyên tâm giữa rotor và stator là nguồn gốc chính của độ rung và tiếng ồn trong SRM với cấu trúc cực lồi. Trong động cơ từ trở luôn tồn tại hai lực là lực tiếp tuyến và lực xuyên tâm. Lực xuyên tâm luôn lớn hơn nhiều lần so với lực tiếp tuyến. Lực xuyên tâm là đối xứng và triệt tiêu lẫn nhau (chỉ đúng với khe khí đồng đều), nó tác động đến máy bởi vì khi chúng triệt tiêu lẫn nhau thông qua thân rotor và stator gây rung động. Đây là nguồn gốc trội nhất trong tiếng ồn sinh ra trong SRM cũng như trong các máy điện khác. Đặc tính không đồng nhất của vật liệu chế tạo gây ra sự mất cân bằng động học của rotor và sự phân bổ của từ trường không đồng đều. Điều này dẫn đến lực xuyên tâm sinh ra trong động cơ ở các cực đối diện không bằng nhau. Lực hút giữa các cực này không đồng đều làm lệch rotor khỏi vị trí cân bằng, làm khe khí không đồng nhất, gây ra rung cho động cơ từ trở. Đặc biệt hơn nữa, cấu trúc stator của máy có tần số tự nhiên. Khi một trong những tần số của lực xuyên tâm trùng với tần số tự nhiên của stator, cộng hưởng xảy ra dẫn đến gia tăng tiếng ồn. Đây chính là rung động lớn nhất do lực xuyên tâm. Rung động xuyên tâm này sau đó phát ra năng lượng âm thanh vào trong không khí. Hình 7 phân tích rung động tắt dần của lực xuyên tâm [7]. Có thể thấy, lực xuyên tâm gây ra rung động cực đại tại thời điểm chuyển mạch, sau đó giảm dần tới 0 khi mô-men đạt giá trị đỉnh. Hình 7. Dòng điện pha và rung động Quá trình cộng hưởng giữa tần số tự nhiên và tần số của lực xuyên tâm với sóng hài bậc cao (1, 3, 5, 7, 9, ), dẫn đến động cơ từ trở phải hoạt động trong vùng tần số cao, có thể lên đến vài nghìn Hz. Khi đó, độ rung rất lớn có thể gây biến dạng gông stator, làm giảm tuổi thọ máy [1], [8], [9], [10]. Hình 8 thể hiện rung động của gông stator tại các tần số hoạt động lớn [8]. Mô-men quay trong SRM gây ra tức thời trên các cặp răng stator đối diện, có xu hướng uốn cong răng và biến dạng stator. Các chế độ rung được đặc trưng bởi cách uốn của răng stator. Hình 8. Các chế độ rung của SRM 8/6 ở tần số cao 4. Thảo luận Lực xuyên tâm ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm việc và hạn chế sự ứng dụng của động cơ từ trở trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, lực xuyên tâm là lực không thay đổi được, luôn tồn tại, sinh ra do cấu trúc vốn có của động cơ. Vì vậy, lực này không thể can thiệp trực tiếp bằng các phương pháp điều khiển hay thay đổi cấu tạo động cơ, mà chỉ có thể tìm cách hạn chế sự ảnh hưởng của nó đối với động cơ từ trở. Nhằm hạn chế ảnh hưởng của lực xuyên tâm gây ra rung ồn, các nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào kiểm soát tần số hoạt động của động cơ từ trở. 4.1. Đề xuất cải thiện hình dạng khung Hình 9. Chế độ rung hình oval tương ứng với tần số tự nhiên mỗi loại Tần số tự nhiên của máy phụ thuộc vào hình dạng, kích thước gông stator. Công trình [11] đề xuất thay đổi hình dạng gông stator trong động cơ SRM 6/4, bao gồm: gông ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 47 stator hình tròn cả trong và ngoài (dạng truyền thống); gông stator bên trong tròn, bên ngoài dạng lục giác; gông stator cả trong và ngoài dạng lục giác, cực stator đặt ở giữa mỗi cạnh lục giác; gông stator cả trong và ngoài dạng lục giác, cực stator đặt ở góc mỗi cạnh lục giác. Chế độ thử nghiệm rung hình oval được tiến hành tương ứng tần số tự nhiên của mỗi loại, như thể hiện trong Hình 9. Kết quả cho thấy SRM loại 3 (gông stator hình lục giác, cực đặt ở giữa cạnh lục giác) cho độ rung ít hơn dưới tác dụng của lực xuyên tâm. Đồng thời, khoảng cách bị dịch chuyển nhỏ (0,85 μm so với 1,68 μm của loại truyền thống); mô-men quay tăng (1,7 Nm so với 1,26 Nm của loại 1). Một đề xuất sử dụng vỏ stator không gân và có gân được công bố trong công trình [12]. Hình dạng bên ngoài gông stator có gân với kích thước gân khác nhau được bố trí khác nhau (Hình 10). Hình 10. Các hình dạng khung khác nhau Việc tăng độ dày khung, sử dụng khung gân xuyên tâm và vỏ stator không gân có thể tăng độ cứng của khung. Các gân xuyên tâm có tác dụng tản nhiệt, giúp tăng hiệu suất của động cơ, đồng thời, truyền rung động ra ngoài. Từ đó, tiếng ồn và rung động trong động cơ được giảm. Kết quả các mẫu thử nghiệm được tác giả Jian Li công bố đầy đủ, tuy nhiên chưa giải quyết được triệt để nguồn gốc rung và tiếng ồn do tần số cộng hưởng như đề cập ở trên. 4.2. Đề xuất sử dụng vật liệu vô định hình Rõ ràng rằng, tần số tự nhiên của động cơ cộng hưởng với tần số xuyên tâm của lực xuyên tâm gây ra rung ồn. Và tần số tự nhiên của động cơ phụ thuộc vào hình dạng khung, kích thước khung. Tuy nhiên, hình dạng khung thay đổi làm tần số tự nhiên thay đổi theo quy luật khó có thể dự đoán trước được, dẫn đến khó khăn trong vấn đề khắc phục nhược điểm của SRM. Nhóm tác giả đề xuất giải pháp giải quyết triệt để vấn đề này, đó là sử dụng vật liệu mới – vật liệu vô định hình. Sắt vô định hình là loại vật liệu từ mềm, còn được gọi là thủy tinh kim loại. Nguyên liệu chính bao gồm: niken, coban, silic, . Ở trạng thái vô định hình, nó có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh thể. Đồng thời, vật liệu này có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, có thể sử dụng ở tần số làm việc cao hơn với các vật liệu tinh thể nền kim loại. Vật liệu vô định hình không có cấu trúc tinh thể nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì thế nó có tính từ mềm rất tốt. Vật liệu vô định hình nền Co còn có từ giảo bằng 0 nên có lực kháng từ rất nhỏ. Đường cong từ trễ của vật liệu rất hẹp, hẹp hơn so với thép silic - vật liệu từ mềm. Độ dày tự nhiên của lá thép vô định hình rất nhỏ, điện trở suất lớn và mật độ khối lượng vật liệu lớn. Một số tính chất lý hóa cơ bản của vật liệu vô định hình (Metglas 2605SA1) được cho trong Bảng 1, so sánh với vật liệu Silic (M600 – 50A). Bảng 1. Đặc tính của sắt vô định hình và thép Silic Vật liệu Sắt vô định hình Thép silic Mật độ từ thông (T) 1,56 1,8 - 2 Điện trở suất ( cm ) 130 - 170 50 - 60 Độ dày lá thép (mm) 0,03 0,3 - 0,5 Sức căng (kg/mm2) 150 50 Độ cứng Vickers 900 200 - 300 Mật độ khối lượng (g/cm3) 7,18 7,65 Mô-đun đàn hồi (GPa) 110 207 Đặc tính vật liệu có ảnh hưởng quan trọng tới tần số tự nhiên của máy [1], [6]. Es là mô-đun đàn hồi của vật liệu (theo ứng suất kéo), thép vô định hình có độ cứng cao (cao hơn 3 lần so với silic), khả năng bị biến dạng khi chịu ứng suất kéo là nhỏ. Theo phương trình (12), Es càng nhỏ (tức độ đàn hồi sau khi biến dạng càng nhỏ) thì tần số tự nhiên càng nhỏ. Khi động cơ làm việc ở tốc độ càng cao, kết hợp với sự không mong muốn của sóng hài bậc cao, tần số cơ bản sẽ càng lớn. Để tránh hiện tượng cộng hưởng gây ra rung ồn, tần số tự nhiên càng nhỏ càng tốt. Theo Bảng 1, thép vô định hình có Es (110 GPa) nhỏ hơn 2 lần so với thép silic thông thường (2,07.1011 N/m2 = 207 Gpa), do đó, tần số tự nhiên của máy chế tạo bởi 2605SA1 sẽ thấp hơn. Hình 11. Mô hình thực nghiệm đo rung động Rung động trong SRM được đo bằng gia tốc kế, gắn ở phía trên giữa khung stator như Hình 11. Rung động có thể được sử dụng như là một sự chọn lựa thay thế của tiếng ồn âm thanh. Mô hình thực nghiệm được nhóm tác giả đề xuất và sẽ triển khai trong thời gian tới (Hình 11). Kết quả phân tích, dự báo đối với sự rung động trong SRM sử dụng thép vô định hình và thép Silic được thể hiện trong Hình 12. Phân tích cho thấy, động cơ từ trở sử dụng vật liệu vô định hình có tần số tự nhiên với biên độ nhỏ so với động cơ chế tạo bằng thép silic. Điều này góp phần làm giảm cường độ rung khi động cơ làm việc, cũng như góp phần giảm rung ồn do hạn chế khả năng cộng hưởng xảy ra. Vật liệu vô định hình không những góp phần giảm tần số riêng của động cơ, hạn chế rung ồn, mà còn giúp giảm tổn hao 48 Phí Hoàng Nhã, Phạm Hùng Phi, Đào Quang Thủy trong động cơ từ trở. Kết quả của nhóm tác giả công bố là kết quả phân tích, đánh giá bước đầu, để có kết quả đánh giá chuẩn mực thông qua việc mô phỏng quá trình chuyển hóa vật lý của các thông số động cơ, sẽ được công bố trong những nghiên cứu tiếp theo. Hình 12. Rung động trên khung stator; (a), (b): khung stator làm bằng thép silic; (c), (d): khung stator làm bằng thép vô định hình 5. Kết luận Bài báo này trình bày những phân tích, đánh giá về ảnh hưởng của lực xuyên tâm trong động cơ từ trở. Lực xuyên tâm là một trong những nguyên nhân gây ra rung động và tiếng ồn, làm giảm hiệu suất và hạn chế ứng dụng của động cơ từ trở. Rung động trở nên vô cùng lớn khi tần số của lực xuyên tâm cộng hưởng với tần số tự nhiên của động cơ. Giải pháp sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo động cơ mang lại hiệu quả khi giảm tần số tự nhiên, hạn chế quá trình cộng hưởng khi động cơ làm việc ở tốc độ lớn, tần số cao. Có thể kết luận rằng, không thể hạn chế rung ồn bằng việc kiểm soát trực tiếp lực xuyên tâm, mà chỉ có thể hạn chế rung ồn một cách gián tiếp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pragasen Pillay, William Cai, “An Investigation into Vibration in Switched Reluctance Motor”, IEEE, Vol. 35, No. 3, 1999, pp. 589- 596. [2] Masayuki Sanada, Shigeo Morimoto, Yoji Takeda, “Novel Rotor Pole Design of Switched Reluctance Motors to Reduce the Acoustic Noise”, IEEE, 2000, pp. 107-113. [3] Huijun Wang, Dong Hee Lee, Tae Hub Park, Jin Woo Ahn, “Hybrid stator-pole switched reluctance motor to improve radial force for bearingless application”, Energy Coversion and Management, Vol. 52, 2011, pp. 1371-1376. [4] Neil R. Garrigan, Wen L. Soong, Charles M. Stephens, Albert Storace, Thomas A. Lipo, “Radial Force Characteristics of a Switched Reluctance Machine”, IEEE, 1999, pp. 2250-2258. [5] Feng Chieh Lin, Sheng Ming Yang, “Instantaneous Shaft Radial Force Control with Sinusoidal Excitations for Switched Reluctance Motors”, IEEE, Vol. 22, No. 3, 2007, pp. 629-636. [6] M. N. Anwar, Iqbal Husain, “Radial Force Calaculation and Acoustic Noise Prediction in Switched Reluctance Machines”, IEEE, Vol. 36, No. 6, 2000, pp. 1589-1597. [7] Charles Pollock, Chi Yao Wu, “Acoustic Noise Cancellation Techniques for Switched Reluctance Drives”, IEEE, Vol. 33, No. 2, 1997, pp. 477-484. [8] Roy S. Colby, Francois M. Mottier, J. E. Miller, “Vibration Modes and Acoustic Noise in a Four-Phase Switched Reluctance Motor”, IEEE, Vol. 32, No. 6, 1996, pp. 1357-1364. [9] Wei Cai, Pragasen Pillay, Zhangjun Tang, “Impact of Stator Windings and End-Bells on Resonant Frequencies and Mode Shapes of Switched Reluctance Motors”, IEEE, Vol. 38, No. 4, 2002, pp. 1027-1036. [10] W. A. Pengov, R. L. Weinberg, “Designing for low noise”, Electronic control of Switched Reluctance Machines, 1998, pp. 62- 73. [11] Jung-Pyo Hong, Kyung Ho Ha, Ju Lee, “Stator Pole and Yoke Design for Vibration Reduction of Switched Reluctance Motos”, IEEE, Vol. 38, No. 2, 2002, pp. 929-932. [12] Jian Li, Yunhyun Cho, “Investigation into Reduction of Vibration and Acoustic Noise in Switched Reluctance Motors in Radial Force Excitation and Frame Transfer Function Aspects”, IEEE, Vol. 45, No. 10, 2009, pp. 4664-4667. (BBT nhận bài: 05/03/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/03/2018)